连续隧道洞口间烟气扩散特性研究

2023-07-17曾仕豪袁中原

制冷与空调 2023年3期

邱浩曾仕豪袁中原

（1.西南交通大学机械工程学院成都 610031；2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司成都 610056）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，公路和隧道建设也进入了快速发展阶段[1]。由于隧道空间相对封闭，一旦发生火灾对于隧道运营和人员安全将造成极大威胁。目前公路隧道通风已经有多种系统[2]，其中纵向式通风对整个火灾区域的烟雾控制能力较好，且建设成本低，控制方便[3]，是隧道通风的重要方式[4]，大部分隧道多采用纵向通风[5]。

在公路路段上可能出现两座或两座以上纵向间隔距离较短的隧道，被称作连续毗邻隧道[6]，下文简称连续隧道。对于洞口间距较短的连续隧道，当上游隧道发生火灾时，烟气在纵向通风风速的作用下可能窜流至下游隧道，对下游隧道造成影响。

大部分学者的研究都重点关注连续隧道的污染物窜流，彭建康[7]等人研究了连续隧道出口污染物扩散对下游隧道的影响。张翛[8]等人研究了白家山毗邻隧道无风和有风时的污染物扩散情况。章立峰[9]等人研究了山谷风速和风向等不同因素对连续隧道污染物窜流量的影响。也有少数学者针对连续隧道烟气窜流做过研究，董启伟和李俊梅[10]等人运用理论分析和数值模拟的方法研究了连续隧道发生火灾时的安全间距，为连续隧道的间距设计提供了参考。王强[11]等人利用缩尺实验研究了连续隧道发生火灾时的三种烟气窜流模式，提出了临界窜流风速公式模型。

综上所述，有关连续隧道烟气窜流问题的研究还较少，已有的研究也未具体分析烟气窜流的特性和影响因素。本文主要通过STAR-CCM+数值模拟的方法研究连续隧道洞口间烟气扩散的特性。

1 数值计算模型

1.1 模型建立

本文依据某连续隧道的结构建立连续隧道火灾三维数值计算模型，隧道断面由矩形和半圆组成，矩形长12m、宽1.4m，半圆半径为6m，如图1 所示。为考虑流动的充分发展，上游隧道长度及洞口间距根据模拟工况设定，下游隧道长度为120m，计算域取洞口两侧和上方60m，忽略山谷部分，建立的三维模型如图2 所示。

图1 隧道截面尺寸Fig.1 Tunnel section size

图2 连续隧道模型Fig.2 Continuous tunnel model

火源热释放速率采用2t模型，如下所示：

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，公路火灾一般为超快速火灾类型，因此，将α取作 0.1876 ，火源尺寸取为4m×2m×1.5m，热释放率和火源位置根据工况设定。通过文献[12]计算可知，5MW、20MW 和50MW下的临界风速分别为2.2m/s、3.5m/s 和3.7m/s。

本文设定的模拟计算工况如表1 所示。

表1 模拟工况表Table 1 Simulation condition table

1.2 网格划分

本文采用STAR-CCM+进行数值模拟，其具有强大的网格划分功能，提供了多面体、切割体和棱柱层等网格生成器，本文采用多面体和棱柱层网格生成器。为了兼顾计算时间和精度，本文采用0.1D*的网格尺寸进行网格划分，网格划分结果如图3 所示。

图3 网格划分结果Fig.3 Meshing Results

1.3 边界条件

隧道壁面、山体壁面以及地面均设置为壁面边界，初始环境温度为20℃，上游隧道进口设置为速度边界，保持设定的纵向通风风速不变，下游隧道出口以及与大气相接触表面均设置为压力出口边界。当研究横向风时根据需要将对应界面设置为速度进口边界。

1.4 可靠性验证

为了验证数值计算方法的准确性，本文搭建了1:20 的缩尺连续隧道模型进行实验验证。实验的上下游隧道尺寸一致，分别为2.5m×0.25m×0.25m，热电偶布置如图4 所示，火源燃烧所用燃料为甲烷，环境温度为30℃。选取火源位于距隧道进口0.65m 处，热释放率为2.54KW，临界风速为0.53m/s，洞口间距为0.3m 的工况，对比温度分布如图5 和图6 所示，由图可知模拟结果与实验结果的误差很小。因此，本文采用STAR-CCM+进行模拟计算研究可行。

图4 测点布置（单位：m）Fig.4 Measuring point layout(unit:m)

图5 纵向温度分布（上游隧道）Fig.5 Longitudinal temperature distribution(upstream tunnel)

图6 纵向温度分布（下游隧道）Fig.6 Longitudinal temperature distribution(downstream tunnel)

2 结果与讨论

2.1 纵向风速对烟气窜流的影响

根据隧道温度场稳定前后的状态，隧道火灾发展可分为火灾初始阶段和火灾稳定阶段[10]。

不同纵向风速下的计算工况为Z1 和Z2。火灾发生至120s 时的烟气浓度如图7 所示，从图中可以看出，由于火灾初始阶段的烟气温度较低，上游隧道出口处烟气在水平惯性力的作用下均会窜流至下游隧道，并且窜流量会随着纵向风速的增大而增大。

图7 不同纵向风速下火灾初始阶段的烟气扩散情况Fig.7 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different longitudinal wind speeds

火灾温度场稳定后的烟气浓度如图8 所示，从图中可以看出，由于温度场稳定后的烟气温度较高，即使纵向风速达到3.7m/s，烟气在热浮力的作用下仍然不会窜流至下游隧道，而是浮升至大气环境。并且随着纵向风速的增大，烟气往下游隧道方向水平扩散的距离也会增大。

图8 不同纵向风速下温度场稳定后的烟气扩散情况Fig.8 Smoke diffusion after temperature field stabilization under different longitudinal wind speeds

2.2 火源位置对烟气窜流的影响

不同火源位置下的计算工况为Z3、Z8、Z9 和Z10。火灾初始阶段的烟气浓度如图9 所示，从图中可以看出，由于火灾初始阶段的烟气温度较低，上游隧道烟气在较强的水平惯性力作用下会窜流至下游隧道，并且窜流量会随火源距上游隧道出口距离的增大而增大。这是因为火源距离上游隧道出口越远，上游隧道出口处烟气温度就越低，烟气向下游水平扩散获得的惯性力就越大，窜流增强。

图9 不同火源位置下火灾初始阶段的烟气扩散情况Fig.9 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different fire source locations

火灾温度场稳定后的烟气浓度如图10 所示，从图中可以看出，由于火灾的充分燃烧，温度场稳定后的烟气温度大幅升高，热浮力对烟气流动的作用明显增强，因此，火源距离上游隧道出口60m～1400m 工况下的洞口间烟气均直接浮升至大气环境，不会窜流至下游隧道。当这个距离达到5000m 时，由于烟气从火源处蔓延到出口处已经进行了比较充分的换热降温，导致出口处烟气与环境的温差很小，此时较大的水平惯性力会推动大量烟气窜流至下游隧道。