运动车辆对隧道火灾顶棚射流温度分布的影响

刘 斌， 毛 军， 李桂强， 郗艳红

(1.北京交通大学 土木建筑与工程学院， 北京 100044； 2.深圳市交通公用设施建设中心， 广东 深圳 518040)

在我国的公路、铁路和城市轨道交通中，建设有大量的隧道和隧道群.例如，截至2015年底，我国已有公路隧道14 006座，总长12 683.9 km，是世界上隧道工程建设规模最大、数量最多的国家[1].由于隧道空间狭窄，近似于封闭空间，一旦发生车辆火灾极易引发严重的后果，如2007年美国洛杉矶洲际公路隧道内车辆相撞起火，致3人死亡，10人受伤.因此，隧道火灾逐渐成为火灾领域的热点问题，引起了国内外学者的广泛关注.

Li等[2]根据隧道火灾实验数据，提出了火灾烟气最高温度经验公式，并指出隧道内烟气温度最高不超过1 350 ℃；Zhong等[3]研究了地铁隧道内地铁产生的活塞风对烟气扩散的影响，发现在活塞风作用下烟气的分层现象被破坏，更多的烟气通过楼梯口向地铁站厅扩散，并指出迂回风道和通风竖井可以明显减小活塞风幅度；Xi等[4]提出了隧道运动火源的计算方法，建立了火灾热释放速率与列车运行速度的关系模型，并得到列车携带火源运动的合理运行速度；Zhang等[5]利用Fluent重叠网格功能研究了地铁运行速度和阻塞比对隧道烟气特性的影响，发现列车速度相同时，烟气最高温度点不随着阻塞比变化，而当阻塞比相同时，不同列车速度下的最高温度点也不相同.

在上述研究中，大多数场景均是隧道中单独存在一个火源，少数考虑到隧道内存在其他车辆，而且也只是将其他车辆简化成静止障碍物，均未考虑运动车辆经过火源附近时对火灾燃烧的影响.因此，本文以公路隧道内运动汽车经过火源附近的情况为典型研究对象，分析不同车速对顶棚射流温度分布的影响规律，深化对隧道火灾的认识，并为火灾救援和人员疏散提供一定的参考.

1 数值模拟方法验证

与一般的隧道火灾问题不同，存在运动车辆的隧道火灾问题不仅涉及火源燃烧，还与车辆的运动过程有关，进行精确实验十分困难，故采用数值模拟的方法进行研究，而且要模拟运动车辆对火灾的影响需要用到动网格技术.FDS虽然在火灾动力学的研究中应用广泛[6-7]，但该软件不具备动网格功能，无法对运动边界等问题进行研究.故拟采用Star-cd/ccm+软件进行模拟计算.

Star-cd/ccm+软件在复杂运动边界和火灾烟气蔓延的相关计算中均得以应用，如风障表面的高速列车风致空气脉动压力分布[8]，着火运动列车周围烟气场的分布特性[9]，秦岭隧道火灾温度场[10]，火灾烟气密度跳跃对空气卷吸的影响[11]等.为保证计算的准确性，参照Zhou等[12]的全尺寸隧道火灾实验条件进行了数值模拟.隧道长600 m、宽14 m、高7 m，火源位于隧道中心，热释放速率为1 MW，纵向通风速度为0.9 m/s.火源在中心纵断面隧道顶部的温度对比结果如图1所示.

图1表明，计算与实验的偏差范围为4%～12%，数值模拟和实验数据吻合较好，说明本文所用数值模拟方法的正确性.下面利用Star-cd/ccm+软件的重叠网格和燃烧模拟功能，研究隧道内汽车驶经火源附近时对火灾顶棚射流烟气温度分布的影响.

2 运动汽车驶经火源附近的数值模拟过程

2.1 计算模型

依托深圳市某公路隧道建设工程建立几何模型，设定火源和运动车辆.隧道为单向双车道，长2 000 m，由于实际工程中存在大量矩形隧道，且拱形隧道和马蹄形隧道可经水力直径等效变换为矩形隧道[13]，因此本文将隧道截面设为矩形，宽10 m、高7 m.假定轿车着火，位于左车道中心线，距离隧道入口500 m，将其简化为长3.4 m、宽2.2 m、高1.5 m的长方体火源.在右车道中心线行驶经过火源附近的汽车为某型大容量公交电动车，该车长12 m、宽2.55 m、高3.3 m，且根据制动距离和制动稳定性要求，满载汽车、列车、无轨电车的最大制动距离为10 m，因此，本文将车辆模型与火源的纵向距离设置为10 m.计算模型如图2所示.

2.2 模拟工况及边界条件

由Ingason[14]提出的交通隧道火灾设计标准可知，私人轿车的热释放速率为5 MW，且在120 s后达到最大值.按此设置火源，并使运动汽车在火源燃烧130 s后开始分别以5.56(20),8.33(30),11.11(40),13.89(50),16.67(60)和22.22 m/s(80 km/h)等不同的速度经过火源.

按非定常流动理论，初始时刻，隧道内各处压力均为一个大气压，空气处于静止状态，环境温度为20 ℃.隧道进出口均为压力出口边界，相对大气压为0，隧道进出口边界气流速度为0；地面及隧道壁面均为无滑移壁面.

2.3 网格无关性验证

在数值模拟中，网格尺寸是计算精度和计算耗费时间的关键影响因素.通常来说，网格加密可以提高计算精度，但是，过密的网格又会大大增加计算时间.因此，数值模拟计算中需要进行网格无关性验证，以确定最合适的网格.具体网格尺寸可由特征长度D*计算得到

(1)

其中:Q为热释放速率，kW;ρo为空气密度，kg/m3;cp为空气比热容，kJ/(kg·K)；To为环境温度，K.

根据文献[7]，网格尺寸的范围为(D*/16)～(D*/4)，5MW火源的网格尺寸处于0.1～0.5 m之间.分别选取0.16，0.32和0.42 m三种尺寸的网格进行验证计算，得到相应的火源正上方隧道顶部的温度曲线，如图3所示.

由图3可知，网格尺寸为0.18和0.36 m得到的温度变化曲线基本重合，但当网格尺寸为0.42 m的最高温度要比前两种情况低，且温度波动加大.综合考虑计算精度和计算时间两方面因素，网格尺寸确定为0.36 m，加密运动汽车和火源附近的网格，且运动汽车周围的网格分为重叠区域和背景区域，如图4所示.

两个区域之间通过线性插值进行数据交换，由此实现对运动体的计算.

3 数值模拟结果分析

图5是不同车速下的火源中心正上方隧道顶部烟气温度时变曲线.

由图5可知车辆驶经火源附近对火灾烟气蔓延的影响程度与其相对于火源的位置有关.随着时间的推进，运动车辆与火源的相对位置不断变化，温度也在不断变化，汽车运动10 s内不同车速下的温度差异不大，而后温度差异逐渐增加.因此，该点为运动车辆诱导气流对火源燃烧作用的转折点，即诱导气流对火源燃烧的作用逐渐减弱而后趋于稳定.据此，运动车辆对火源燃烧的影响可分为两个阶段：①130～140 s，随着汽车运动，火源的正上方隧道顶部的烟气温度开始下降，而后逐渐上升；②140 s之后，隧道顶部烟气温度逐渐趋于稳定，且不同车速下的温度差异明显.下面重点研究阶段①的情况.

表1 不同车速对火源燃烧开始产生影响时的运动时间和距离

由表1可知，不同车速下的运动距离均近似为10 m，即当运动车辆头部与火源尾部平齐时，运动车辆的诱导气流开始对火源燃烧产生影响.为了更好对阶段①进行研究，选取4个不同的车辆相对于火源的典型位置：①车辆头部与火源尾部平齐；②车辆尾部与火源头部平齐；③火源燃烧受车辆运动影响最大，即火源正上方隧道顶部烟气温度达到最小值；④运动车辆作用转折点，即车辆运动10 s后.以车速为11.11 m/s的工况为例，具体位置如图6所示.

3.1 横向温度分布

运动车辆在不同位置时，火源中心横断面隧道顶部的烟气温度分布如图7所示.

当车辆达到位置①时，烟气仍主要受热浮力的影响而垂直向上运动，撞击到隧道顶棚后，再逐渐向周围扩散；不同车速下烟气温度分布基本相同，最高温度为625 K，位于火源的正上方，火源两侧的温度逐渐降低，不同车速对烟气运动的影响不大.

当车辆到达位置②时，烟气温度随着车速的增加先减小，再逐渐上升，车速11.11 m/s对应的烟气温度要比其他车速下的低.这是由于车辆运动产生的诱导气流不仅可以带走一部分燃烧产生的热量，还能增大燃烧物与氧气的接触面积，从而使得燃烧产生的热量增加.在车速为5.56～11.11 m/s的范围内，诱导气流带走的热量要多于增加的热量，因此，隧道顶部的烟气温度随着车速的增加而减小；但是，当车速超过11.11 m/s时，诱导气流使燃烧面积增大产生的热量开始比带走的热量增多，从而使得烟气温度随着车速的增加不断升高.

当车辆位于位置③时，由于运动车辆产生的诱导气流带动左车道火源附近的烟气向右车道运动，且在右车道逐渐聚集，从而使得不同车速下烟气温度分布均呈从着火车道到车辆经过车道先降后升的变化趋势，且温度在车速为5.56 m/s时达到极大值，在车速为11.11 m/s时出现极小值.当车辆运动到位置④时，烟气温度的分布规律与位置①的类似，烟气温度在火源上方附近出现极大值，且在车速为11.11 m/s时达到最低.

由上述分析可知，当运动车辆处于位置②和③时，烟气扩散受到的影响较大，与汽车运动诱导气流产生的卷吸和涡旋流动有关.图8给出了这两个位置的火源中心横截面烟气速度矢量图.

由图8可知，当车辆处于位置②时，烟气在车辆诱导气流作用下，一部分随着车辆运动被带走，而另一部分在热浮力和诱导气流的作用下，先向上运动，撞击顶棚后再向周围扩散；当车辆处于位置③时，隧道右侧产生旋涡，一部分烟气向左侧隧道壁倾斜，使隧道左侧烟气浓度升高，而另一部分烟气在涡流的作用下向隧道右侧运动，使得隧道中部烟气浓度降低，隧道右侧烟气浓度逐渐上升，隧道横向烟气温度出现了两侧高、中间低的结构.

3.2 纵向温度分布

由于运动车辆处于位置②和③时，烟气扩散受到的影响最大.因此，重点分析运动车辆到达这两个位置时的隧道顶棚射流的纵向温度分布.图9给出了火源中心纵剖面上烟气温度纵向分布.

当汽车处于位置②时，最高温度点向火源下游偏移，且不同车速下的偏移距离大致相同，均为2.5 m；最高温度值随着车速的增加呈先减小后增加的规律，车速为22.22 m/s时达到最大，为606 K， 而车速为 11.11 m/s 时的最低， 为492 K.

当汽车到达位置③时，火源正上方的温度随着车速的增加而降低，在车速为5.56 m/s时最大，为416 K；而车速为13.89～22.22 m/s时最低，均为330 K.这是由于运动车辆的诱导气流对火焰高度有一定的抑制作用，且车速越快、诱导气流速度越大，对火焰高度的抑制作用也就越大.因此，火源正上方的温度随着车速的增加而降低，当车速大于13.89 m/s时，火焰高度达到最低，温度也达到了最小值，不再随着车速的增加而发生变化.在运动汽车诱导气流的作用下，最高温度点向火源上游偏移，偏移范围在15～18 m，且不同车速下的最高温度值均相同，大小为425 K.

3.3 纵向温度衰减规律

由图9可知，温度最高点在车辆到达位置③时向火源上游偏移的距离超过15 m，该条件下火源上游的被困人员是最危险的.而且，由于火源附近烟气浓度较高，温度衰减较慢；而当超出一定范围后烟气浓度减小，温度衰减加快.因此，隧道上游烟气温度衰减范围可分为两个区域，即由最高温度点起至上游15 m的平稳衰减区域以及15 m以外的快速衰减区域.由于不同车速下平稳衰减区域的温度均比较高(最低温度大于375 K)，因此，主要研究该区域的纵向温度衰减规律.

前人通过实验和数值模拟对隧道火灾纵向温度分布进行了大量的研究[15-17]，得到了指数形式的经验公式：

(2)

上述研究均是火源位于隧道中轴线距离隧道侧壁较远的情况，Ji等[18]考虑了火源靠近隧道侧壁的情形，提出了如下经验公式：

(3)

图10表明，当车速为5.56～11.11 m/s时，纵向温度衰减速率随着车速的增大而逐渐增大；当车速大于11.11 m/s时，纵向温度衰减速率随着车速的增大而逐步减小，当车速为11.11 m/s时纵向温度衰减速率最大.

通过数据拟合，发现无量纲温度与无量纲距离的关系与公式(3)的相关系数在0.97～0.99之间，其中系数A，B可参见表2.

表2 纵向温度衰减拟合曲线的系数

(4)

式中，v为车辆运动速度(m/s).

由表2的数据标出系数k与无量纲速度v*的6个对应点的拟合关系如图11所示.

通过数据拟合可知

k=0.29+0.30e-2.36(v*-1.65)2.

(5)

因此，不同车速作用下的火源上游纵向温度衰减关系可用式(6)表示：

(6)

由以上分析可知，当车速为11.11 m/s即40 km/h时，在不同截面的温度值最小，且运动汽车在位置③时该速度下上游烟气纵向衰减速率最大，对上游被困人员的影响最小.

4 结 论

1) 当运动车辆头部与火源尾部平齐时，诱导气流开始对火源燃烧产生影响；不同速度的车辆运动10 s后，诱导气流对火源燃烧的作用逐渐减弱并趋于平稳.

2) 当运动车辆头部超过火源尾部时，诱导气流对温度分布产生影响.车速在5.56～11.11 m/s的范围内时，烟气温度随着车速的增加而降低；车速大于13.89 m/s时，烟气温度随着车速的增加而升高；且当车速为11.11 m/s时不同截面的温度相对最低.

3) 当火源燃烧受车辆运动影响最大时，火源中心横断面隧道顶部烟气温度呈现出由左向右先降低后升高的结构；而不同车速下火源中心纵剖面隧道顶部烟气最高温度点在上游15～18 m范围内偏移，且最高温度值均为425 K；最高温度点上游15 m内为纵向温度平稳衰减区，衰减速率随着车速的增加先加快后逐渐减慢，且车速为11.11 m/s时温度衰减速率最快.