半横向排烟下公路隧道火灾烟气逆流长度规律研究*

2021-05-12吴陈燕石必明

中国安全生产科学技术 2021年4期

吴陈燕，石必明，彭伟，钟珍，刘义

(安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001)

0 引言

据统计，公路隧道发生火灾后产生的有毒有害烟气是造成人员伤亡的主要原因[1-3]。由于公路隧道较为封闭的特点，当发生火灾时，散发很多有毒有害气体，将会造成不可预估的损失以及人员伤亡[4]。研究隧道火灾烟气逆流长度规律，有助于防灾救灾，对火灾救援具有重要的意义。

近年来，许多学者对半横向排烟下公路隧道火灾进行研究。任锐等[5]运用CFD对不同排风孔形状下的隧道进行数值模拟，并对隧道内的风速、风压以及污染物的浓度进行研究；Vauquelin等[6-8]自行组建1∶20的隧道火灾烟气排烟装置进行实验，得出排烟口位置和形状对排烟效率的影响，同时研究半横向排烟模式下排烟速率不同时的烟气逆流长度；易亮等[9]使用1∶10隧道模型进行火灾烟气流动实验，得出排烟口的开启个数、间距、面积、排烟阀和风机距离对半横向排烟的影响；邱永海等[10]运用数值模拟的方法，对全尺寸隧道火灾进行研究，分析不同条件下的烟气蔓延规律以及排烟效果；范梦琳等[11]运用数值模拟的方法研究车辆阻塞对火灾烟气温度和逆流长度的影响，得到阻塞车辆辆数不同时烟气温度和逆流长度的规律。

以上已有研究大多针对半横向排烟下公路隧道火灾排烟效果及烟气蔓延规律，火灾烟气逆流长度的影响因素鲜有研究，为此本文通过FDS软件，研究半横向排烟下不同火源功率、排烟速度、排烟口面积和排烟口间距对公路隧道火灾烟气逆流长度的影响，并对数值模拟结果进行拟合，得出烟气逆流长度的关系式。

1 理论分析

1.1 逆流长度的确定

公路隧道发生火灾时，在半横向排烟模式下，隧道顶棚纵向温度变化作为烟气逆流长度的判断标准，当烟气蔓延前锋与相邻测点的温度之间出现突变时，可知烟气已蔓延至此处，烟气逆流长度确定为排烟口位置至烟气蔓延前锋的长度，烟气逆流长度示意如图1所示。

图1 烟气逆流长度示意Fig.1 Schematic diagram of smoke back-layering length

1.2 因次分析

半横向排烟模式下，烟气逆流长度会受到多个因素的影响[12]，可用函数表示，如式(1)所示：

f(l,Q,v,S,d,H,Ta,ρa,g,cp)=0

(1)

式中：l为烟气逆流长度，m；Q为火源功率，kW；v为排烟速度，m/s；S为排烟口面积，m2；d为排烟口间距，m；H为公路隧道高度，m；Ta为环境温度，K；ρa为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；cp为空气比热容，kJ/(kg·K)。

选取H，g，ρa以及Ta为基本参数，长度、时间、质量、温度为基本因次，得公式(1)的量纲公式，如式(2)所示：

f(L,ML2t-3,Lt-1,L2,L,L,T,ML-3,Lt-2,L2t-2T-1)=0

(2)

式中：L为长度的量纲；t为时间的量纲；M为质量的量纲；T为温度的量纲。

根据π定理可将式(2)转化为有关π的因次方程，如式(3)所示：

(3)

式中：α，β，γ，ξ为变量系数。

经计算，通过相似理论对公式(1)进行转化，结果如式(4)～(6)所示：

(4)

(5)

l*=f(Q*,v*,S*,d*)

(6)

式中：l*为无量纲烟气逆流长度；Q*为无量纲火源功率；v*为无量纲排烟速度；S*为无量纲排烟口面积；d*为无量纲排烟口间距。

由公式(5)～(6)可以得出半横向排烟模式下，烟气逆流长度与火源功率、排烟速度、排烟口面积和排烟口间距有关。

2 公路隧道火灾烟气运动规律数值模拟

2.1 模型建立

模型设计隧道长度为400 m，横截面取常见双车道公路隧道的横截面尺寸，宽10 m，高5 m，公路隧道模型，如图2所示。在隧道顶部设置2个排烟口，火源位置位于模型的中心，火源面积为2 m×2 m，火源选取稳态火，在隧道顶部下方纵向中心位置处设置一系列的温度测点，从纵向0.5 m处开始设置温度测点，每个温度测点的间距为0.5 m。

图2 公路隧道模型Fig.2 Highway tunnel model

在FDS[13]大涡模拟模型中，为保证计算的准确性，通常取网格尺寸为0.1D*[14]，计算公式如式(7)所示：

(7)

式中：D*为火源特征直径，m。

对公式(7)进行计算，得出当功率为5～15 MW时网格尺寸应该为0.18～0.28 m之间，考虑到计算的精度以及模拟计算的时间问题[15]，模型在近火源区域网格尺寸设置为0.25 m×0.25 m×0.1 m，在其他区域网格尺寸设置为0.5 m×0.5 m×0.5 m。

2.2 工况设置

此次数值模拟是为了研究不同因素对半横向排烟模式下公路隧道火灾烟气逆流长度的影响规律，共设置20种工况(排烟口面积a×b，a为隧道的纵向方向的长度，b为隧道的横向方向的长度)，模拟工况设置见表1。

表1 数值模拟工况设置Table 1 Setting of numerical simulation conditions

3 结果与分析

3.1 火源功率对逆流长度的影响

其他条件相同时，不同火源功率下烟气扩散云图和l*随Q*变化的拟合曲线，如图3～4所示。由图3～4可知，Q*对l*具有较大影响，即l*与Q*满足关系：Y=95.76X0.81，当火源功率增大时，烟气逆流长度随之增大，二者之间呈现正相关。火源功率越大，火源附近区域温度上升速度快，烟气在热浮力的作用下快速竖直上升，碰到顶棚后致使烟气向顶棚水平蔓延的初始速度增加。同时，当火源功率增大时，卷吸作用增强，使得顶棚水平方向上的惯性力加大，加快烟气在顶棚的水平蔓延速度，所以功率增大，烟气逆流长度随之增大。曲线的相关系数R2=0.999 8，表明拟合函数结果的可靠性较高。

图3 不同火源功率下烟气扩散云图Fig.3 Nephogram of smoke diffusion under different fire source powers

图4 l*与Q*的关系Fig.4 Relationship between l* and Q*

3.2 排烟速度对逆流长度的影响

其他条件相同时，不同排烟速度下烟气扩散云图和l*随v*变化的拟合曲线，如图5～6所示。由图5～6可知，烟气逆流长度随着排烟速度的增大而减小，二者呈负相关，l*与v*满足函数关系：Y=12.56X-2.05。相同的排烟口面积下，排烟口的排烟速度越大，排出的混合气体越多，因此排出的烟气增多，由于烟气总量为定值，从而隧道内剩余的烟气将会减少，导致烟气逆流长度相应减小。当排烟速度达到一定值，排烟口下方会出现吸穿现象，排出的气体为热烟气和冷空气的混合气体，大大降低了排烟的效率，烟气逆流长度减小的趋势变缓。由函数关系可以看出烟气逆流长度随着排烟速度呈-2.05次方减小，R2=0.980 6表明拟合结果的可靠性较高。

图5 不同排烟速度下烟气扩散云图Fig.5 Nephogram of smoke diffusion under different smoke exhaust speeds

图6 l*与v*的关系Fig.6 Relationship between l* and v*

3.3 排烟口面积对逆流长度的影响

其他条件相同时，不同排烟口面积下烟气扩散云图以及l*随S*变化的拟合曲线，如图7～8所示。由图7～8可知，随着排烟口面积的增大，火灾烟气逆流长度呈减小趋势，l*和S*满足函数关系：Y=2.50X-2.07。排烟速度一定时，当排烟口面积增大时，排烟口的排烟量相应增大，单位时间内排出烟气量增多，所以逆流长度减小，R2=0.989 9表明拟合结果的可靠性较高。

图7 不同排烟口面积下烟气扩散云图Fig.7 Nephogram of smoke diffusion under different exhaust vent areas

图8 l*与S*的关系Fig.8 Relationship between l* and S*

3.4 排烟口间距对逆流长度的影响

其他条件相同时，l*随d*变化的拟合曲线，如图9所示。由图9可知，随着排烟口间距的增大，火灾烟气逆流长度呈减小趋势，l*和d*满足函数关系：Y=25.35X-0.24。虽然排烟口间距对隧道火灾烟气的蔓延总长度影响不大，但是在半横向排烟状态下烟气逆流长度定义为烟气蔓延前锋至排烟口之间的距离，当排烟口间距增大时，烟气逆流长度呈减小趋势。由函数关系可以看出烟气逆流长度随着排烟速度呈-0.24次方减小，R2=0.966 8表明拟合结果的可靠性较高。