超长公路隧道火灾纵向排烟特性研究

陈现立

（中信建设有限责任公司 北京 100027）

0 引言

近年来，随着我国交通强国和西部大开发战略的进一步实施，在我国西部地区，修建了越来越多的长度大于5km 的超长公路隧道。由于隧道狭长和相对封闭的特点，一旦发生火灾将严重危及人员生命安全。因此，当隧道内发生火灾时，如何有效的控制烟气是超长隧道建设和运营当中一个极为重要的问题。

纵向排烟一般是利用安装在隧道顶部的射流风机产生足够大的风速，将火灾产生的烟气吹向火灾下游，从而保证火灾上游是无烟环境，保障人员安全疏散。国内外大量学者对纵向通风进行了深入、细致的研究，主要集中在临界风速[1-10]、烟气回流长度[1,2,5,7,8,11]和烟气温度分布[12-15]等方面。临界风速指的是烟气不会蔓延到着火点上游的最小通风速度。在超长公路隧道火灾全射流纵向通风方面，曹正卯[16,17]依托羊鹿山隧道开展全射流纵向排烟现场实体火灾试验，研究6km 长公路隧道全射流纵向排烟的可行性与有效性，研究表明，在保证人员安全的情况下，采用全射流纵向排烟是可行的。总的来说，纵向排烟技术已经很成熟。

本文采用STAR CCM+软件对长度大于5km的超长隧道火灾进行数值模拟，主要考虑隧道内温度以及烟气中有毒气体浓度的变化，安全控制标准为顶棚下方温度不高于180℃，人员高度处一氧化碳浓度不高于1150ppm。

1 数值计算模型

1.1 几何模型

本文将隧道做一定简化，断面尺寸如图1所示，隧道高7.1m，宽10.5m，全长5.8km，为了研究超长隧道火灾全纵向排烟方案的可行性，火源分别位于距离隧道出口5km 以及距离隧道出口5.7km 处，建立几何模型如图2所示。

图1 隧道截面尺寸Fig.1 Tunnel section size

图2 超长隧道模型Fig.2 Model of super-long tunnel

1.2 计算方法

采用STAR-CCM+内嵌火灾模块进行数值模拟分析，基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分守恒方程和理想气体状态方程，燃烧模型采用体积热源模型。

（1）连续性方程

根据质量守恒定律，控制体内流体质量的增加量应该等于其流入的质量和流出的质量的差值，由此可得出质量守恒方程为：

式中，t为时间，ρ为流体密度，为速度矢量，u、v、w分别为速度矢量在x、y、z方向上的分量。

（2）动量守恒方程

x、y、z三个方向的动量守恒方程分别表示为：

式中，μ为动力粘度系数，Su、Sv、Sw为广义源项，p为流体微元上的压力。

（3）能量守恒方程

式中，T为温度，k为流体传热系数，CP为流体比热容，ST为流体内热源及由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分。

（4）组分守恒方程

式中，Yi为组分i的体积浓度，iYρ为组分i的质量浓度，Γi为组分i的扩散系数，Si为组分i的生成率。

（5）理想气体状态方程

式中，ρ为密度，R为摩尔气体常数，T为温度，P为气体压力。

1.3 火源设定

火源热释放速率变化规律可用时间的二次方程来描述，t2模型如下：

式中，Q为火灾热释放速率；t为时间；α为火灾增长系数。

参照NFPA 超快速火灾类型将火灾增长系数α取为0.1876，火源热释放率为30MW，火源尺寸为12.5m×2.4m×2.7m。

1.4 网格划分

STAR-CCM+具有强大的网格划分功能，其提供了多面体、切割体和棱柱层等网格生成器，多面体网格有许多相邻单元，能准确预测流场运动，计算精度也较高，考虑到还需要捕捉边界层运动，本文采用多面体和棱柱层网格生成器。由于STAR-CCM+软件与FDS 设置存在一定差异，同时为了提高计算精度，靠近火源区域网格尺寸在0.05D*-0.06D*之间，其他区域网格尺寸在0.1D*-0.12D*之间。

1.5 初始条件及边界条件

隧道壁面无滑移，初始环境温度为20℃，隧道进口为速度边界，保持3.5m/s 纵向通风风速不变，隧道出口为压力出口边界。

1.6 可靠性验证

通过文献[9]中的模型实验进行隧道火灾数值计算方法的验证，按照实验模型进行建模，并将模拟结果与实验结果进行对比，图3 给出了模型实验与数值模拟回流长度-风速曲线的比较图，其中，L为烟气回流长度，V为纵向通风速度，通过拟合曲线得到实验与数值计算的临界风速分别为0.54m/s和0.59m/s，模拟值与实验值误差在10%以内。

图3 回流长度-速度曲线结果对比Fig.3 Comparison of reflow length-velocity curve results

另外还通过文献[18]中的隧道火灾模型实验进行了验证。模型隧道缩尺比为1:20，尺寸为10.4m×0.4m×0.4m。火源位于距隧道左端出口3m 处，为边长0.12m 的正方形油池，热释放率为5.63kW，燃料为乙醇，环境温度为20℃，热电偶以1m 的间隔安装在隧道拱顶下0.02m 处。按照实验模型进行建模，并将实验与模拟结果进行对比，图4 给出了模型实验与数值模拟纵向温度分布的比较图，可见模拟值与实验值误差较小，因此，采用STARCCM+进行隧道火灾数值计算研究可行。

图4 温度分布对比Fig.4 Temperature distribution comparison

2 计算结果分析

2.1 火源距离隧道出口5km

隧道顶壁下方温度分布如图5所示，从图中得出，在临界风速的纵向通风作用下，该隧道顶壁下方温度均小于180℃，满足火灾安全控制标准。在临界风速的作用下，火灾烟气仅影响到隧道下游，温度在距离火源30m 处达到最大值，30m 之后温度沿隧道长度呈指数下降趋势。从图6 可以看出人员高度处温度在火源处最高。

图5 隧道内顶壁下方温度变化Fig.5 Temperature change under the top wall of the tunnel

图6 隧道内人员高度处温度变化Fig.6 Temperature change at the height of people in the tunnel

图7 为隧道人员高度处CO 分布计算结果，在3.5m/s 的纵向通风风速下，隧道火灾充分燃烧，隧道内人员高度处的CO 浓度低于火灾安全控制标准，仅在火源处人员高度处CO 浓度略高。

图7 隧道内人员高度处CO 浓度分布Fig.7 CO concentration distribution at the height of people in the tunnel

2.2 火源距离隧道出口5.7km

隧道顶壁下方温度分布如图8所示，从图中得出，在临界风速的纵向通风作用下，该隧道顶壁下方温度均小于180℃，满足火灾安全控制标准。在临界风速的作用下，火灾烟气仅影响到隧道下游，温度在距离火源15m 处达到最大值，15m 之后温度沿隧道长度呈指数下降趋势。从图9 可以看出人员高度处温度在火源处最高。

图8 隧道内顶壁下方温度变化Fig.8 Temperature change under the top wall of the tunnel

图9 隧道内人员高度处温度变化Fig.9 Temperature change at the height of people in the tunnel

图10 为隧道人员高度处一氧化碳分布的计算结果，在3.5m/s 的纵向通风风速下，隧道火灾充分燃烧，隧道内人员高度处的CO 浓度低于火灾安全控制标准，仅在火源处人员高度处CO浓度略高。

图10 隧道内人员高度处CO 浓度分布Fig.10 CO concentration distribution at the height of people in the tunnel

2.3 参数对比

火源距离隧道出口5km 和火源距离隧道出口5.7km 模型计算结果对比如图11-13所示，由图可以看出隧道内温度等参数变化基本一致。

图11 隧道内顶壁下方温度变化对比Fig.11 Comparison of temperature changes under the inner roof wall of the tunnel

图12 隧道内人员高度处温度变化对比Fig.12 Comparison of temperature changes at the height of people in the tunnel

图13 隧道内人员高度处CO 浓度分布对比Fig.13 Comparison of CO concentration distribution at the height of people in the tunnel

3 结论

本文采用Star-CCM+软件建立三维数值计算模型，研究了超长隧道火灾全纵向排烟特性，得到如下结论：

（1）当火源位于距离隧道出口5km 处时，在3.5m/s 的纵向通风风速下，隧道内温度和CO 浓度分布均能满足隧道火灾安全控制标准。

（2）当火源位于距离隧道出口5.7km 处时，在3.5m/s 的纵向通风风速下，隧道内温度和CO 浓度分布均能满足隧道火灾安全控制标准。

（3）在3.5m/s 的纵向通风风速条件下，火源距离隧道出口5km 和火源距离隧道出口5.7km 模型计算结果参数变化基本一致，这意味着超长隧道火灾可以采用全纵向通风排烟方案。

本文的研究，可以为超长隧道火灾采用全纵向通风排烟方案提供依据，为了进一步确定隧道火灾全纵向通风的适用性，需要通过研究确定全纵向通风方案时的隧道长度限制。