城市地下快速路入口段火灾烟气蔓延规律

林志, 蒋浩*, 苏培循, 邵羽, 何廷全, 章海

(1.重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074; 2.广西交通设计集团有限公司, 南宁 530029;3.广西新发展交通集团有限公司, 南宁 530029; 4.招商局重庆公路工程检测中心有限公司, 重庆 400067)

随着城市家庭汽车数量的不断增加,许多城市极力发展地下空间,建立城市地下快速路网,有效缓解城市中心区域的交通拥堵情况[1]。由于不同等级的地下快速路相互连接,城市地下路网整体风险上升。为减少地下快速路火灾造成的损失,必须针对城市地下快速路的火灾烟气蔓延规律进行研究。

关于隧道火灾研究,Kurioka等[2]对火焰形态、火焰倾斜角度等进行了系统分析;Ingason等[3]建立了纵向通风隧道内的隧道顶棚火焰长度经验预测模型;何坤[4]通过全尺寸数值模拟研究了经典隧道内多火源烟气蔓延规模。宋洋等[5]使用Pyrosim研究航站楼火灾发展,结论表明仿真结果真实、准确;杨松等发现隧道火灾研究一般基于直线隧道,缺少特殊线性隧道的火灾研究[6]。

综上所述,目前主要依托传统公路隧道建立数值模型进行仿真研究,但是现代城市地下快速路路网复杂,与传统的长直型隧道区别较大,火灾发生后烟气复杂,人员财产损失严重。因此,现通过建立全尺寸数值仿真模型,研究城市地下快速路入口处火灾烟气蔓延规律,可以丰富隧道火灾烟气蔓延规律知识体系,为城市地下快速路人员逃生疏散提供研究基础,为城市地下快速路防灾减灾标准提供理论支撑。

1 模型建立

1.1 模型计算原理

FDS(fire dynamic simulation)软件一般采用大涡模拟与直接模拟相结合的方式,获得火灾反应产生的相关温度、烟气、能见度、生成物数据,采用的计算模型是场模型。本文研究城市地下快速路岔路口区域发生火灾现象,在火源处设立密集网格达到区域模型的效果,离火源远处设立稀疏网格。

基于FDS开发的一款可视化工具PyroSim软件,快速建立火灾模型,模拟城市地下快速路发生火灾时,遵循动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程[7-10],开展后续研究。

1.2 参数设置

本文的数值仿真模型是根据上海北横通道泸定路枢纽的实际工况建立的1∶1模型,实际尺寸示意图如图1所示。

图1 上海北横通道泸定路枢纽示意图Fig.1 Schematic diagram of Luding Road Hub of Shanghai North Cross Passage

城市地下快速路主线尺寸14 m×6 m,匝道尺寸11 m×6 m;环境温度20.0 ℃;环境压力1.013 25×105Pa;最大能见度30.0 m;环境氧质量分数0.232 378 kg/kg;环境二氧化碳质量分数5.95×104kg/kg;相对湿度40.0%;通过Pyrosim建立全尺寸模型如图2所示。

图2 全尺寸仿真模型总体示意图Fig.2 Overall schematic diagram of the full-scale simulation model

1.3 网格划分

网格尺寸大小影响着火灾计算结果的准确性,通常认为精细的网格得出的仿真结果更加精确。选取无量纲表达式D/d,确定计算网格的尺寸,其中:D为火源特征直径,d为计算网格尺寸。当D/d的值在4～16时,认为计算结果准确,FDS用户指导手册[4]给出D的计算式为

(1)

式(1)中:Q为火源热释放速率,kW;ρ0为空气密度,kg/m3;Cp为空气比热容,kJ/(kg·K);T∞为环境温度,K;g为重力加速度,m/s2。

根据依托工程隧道情况,空气密度取值为1.204 kg/m3,空气比热容为1.005 kJ/(kg·K),空气温度取293 K,重力加速度为9.81 m/s2。d计算出的取值范围在0.114～0.456 m。

根据d的取值范围,选取了0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m分别进行数值仿真结果计算,分析网格尺寸计算敏感性,综合考虑计算结果的准确性与计算时间成本,确定选取网格尺寸为0.2 m。

1.4 工况设计

选取了美国消防协会(National Fire Protection Associatio,NFPA)2020年新发布的临界风速计算公式[11]。依托工程在15 MW火源时,主线临界风速为1.72 m/s,匝道临界风速为1.84 m/s。

火灾位置设置在城市地下道路岔路口区域合流点,其中火灾规模为15 MW,根据主线与匝道风速采用控制变量法,分别控制匝道风速v=1.84 m/s不变和主线风速v=1.72 m/s不变,共设计32种工况如表1和表2所示。

表2 匝道风速变化工况设计Table 2 Design of the working condition of the wind speed change on the ramp

1.5 有害物质安全临界值确定

城市地下快速路是一个相对封闭的空间。火灾发生时会产生有害物质,对人员的逃生和疏散造成不利影响,主要表现在高温、能见度、有毒气体3个方面[12]。

认为环境中人员在安全高度2 m处的温度达到60 ℃。它是温度风险的临界值[13]。隧道内发生火灾时能见度应在7～15 m。考虑到城市地下高速公路环境复杂、人员众多,在人员安全高度为2 m时,能见度危险阈值设定为大于等于10 m。

隧道火灾中约50%的死亡是由CO中毒引起的,约30%是由CO和其他因素共同作用引起的[14-15]。体积分数在5×10-5VOL%及以下的CO浓度对人体没有影响,但当超过100 ppm(1 ppm=1.8 mg/m3)时,严重危及人员安全,降低人员速度,特别是在隧道等狭长环境中。更快、更保守的考虑,结合城市地下高速公路CO设定标准和CO作用对人体的危害,火灾情况下人员2 m安全高度CO浓度设定为400 ppm为危险的临界值。

2 模拟结果分析

2.1 入口段总体分析

当城市地下快速路合流点附近发生火灾时,火灾烟气将同时受到匝道通风与主线通风的影响,气流交汇容易产生烟气涡流,对人员逃生产生不利影响如图3所示。

图3 入口段火灾烟气蔓延示意图Fig.3 Schematic diagram of the spread of fire smoke in the entrance section

2.2 温度变化分析

2.2.1 风速变化下温度云图

数值模型分析结果发现,不同匝道半径下的温度分布云图变化趋势类似,选取匝道半径70 m的火灾烟气温度云图进行展示,如图4和图5所示。

图4 匝道风速为临界风速时的温度云图Fig.4 Temperature cloud for ramp wind speed at critical wind speed

图5 主线风速为临界风速时的温度云图Fig.5 Temperature cloud for mainline wind speed at critical wind speed

整体来看,当控制匝道风速v=1.84 m/s不变时,4种变化主线风速的工况,匝道温度均被有效地控制,整体温度升高不明显;当控制主线风速v=1.72 m/s不变时,4种变化匝道风速的工况,主线温度均被有效地控制,整体温度升高不明显,调控匝道风速时火灾上游没有出现温度辐射,隧道内的高温区域主要集中在火源下游不远的隧道侧壁处。

2.2.2 温度纵向变化曲线

根据图6和图7,结合人员安全高度处的温度纵向变化曲线可知,当主线风速v=0.72 m/s,火源上游主线温度逆风速辐射。随着风速的增加,这种现象很快消失,说明低风速无法抑制温度向上游蔓延。当风速达到v=0.72 m/s时,依托工程温度危险区最大,在火源下游120 m以内;当温度辐射到达汇合段时,呈稳定下降趋势。

图6 主线风速变化时纵向温度曲线Fig.6 Longitudinal temperature curve with wind speed change on the main line

图7 匝道风速变化时纵向温度曲线Fig.7 Longitudinal temperature curve when the wind speed changes on the ramp

当匝道风速v=0.84 m/s时,火源上游的匝道出现一定的温升,随着匝道风速增加,烟气逆流带来的温升现象得到抑制,火源上游的主线内则一直保持在安全温度环境内。岔路口区域温度曲线呈波动状态,烟气进入合流段时,不同风速下的温度呈逐渐下降趋势。当匝道风速v=0.84 m/s或1.34 m/s时,依托工程温度危险区可辐射到火源下游180 m范围内,但当风速达到v=1.84 m/s后,危险区域只能到达火源下游100 m的区域。风速越高,隧道内的整体温度越低,危险区域越小。

2.3 能见度变化分析

2.3.1 能见度分布云图分析

选取匝道半径为70 m时不同风速下的人员安全高度处能见度云图进行展示,如图8和图9所示。

图8 匝道风速为临界风速的能见度云图Fig.8 Visibility cloud for on-ramp with critical wind speeds

图9 主线风速变化时能见度纵向变化曲线Fig.9 Longitudinal change curve of visibility when main line wind speed changes

图9 主线风速为临界风速的能见度云图Fig.9 Visibility cloud for mainline wind speeds at critical wind speeds

综合来看,城市地下快速路入口段火灾发生后,主线与匝道同时开启排烟风机,主线风速在1.22 m/s,逆流情况基本消失,可以快速地将火灾烟气向下游疏散,主线风速1.72 m/s及匝道风速1.84 m/s时,能见度良好,对人员逃生有利。

2.3.2 能见度纵向变化曲线

根据图9,除低风速v=0.72 m/s时,烟气逆流发生在火源上游,其他风速均不产生烟气逆流。根据图10,城市地下快速路入口段控制主线风速为临界风速时,改变匝道风速,能见度基本高于危险临界值,岔路口区域能见度呈波动传递状态;进入合流段后,不同风速下的能见度趋于稳定。

图10 匝道风速变化时能见度纵向变化曲线Fig.10 Longitudinal change curve of visibility when the wind speed changes on the ramp

综合分析,主线风速保持在1.22 m/s,匝道风速保持在1.34 m/s时,城市地下快速路入口能见度纵向变化情况,有利于人员逃生。

2.4 CO浓度变化分析

2.4.1 CO浓度分布云图

根据图11可知,不同风速下的城市地下快速路入口段内CO浓度都未达到危险临界值。当主线风速v=0.72 m/s时,火源上游的主线隧道内出现CO分布,这说明此时烟气出现逆流现象,也可以较为明显的发现城市地下快速路内隧道中间CO浓度低于两侧。

由图11和图12可知,当城市地下快速路内开启纵向通风后,火源上游的匝道与主线隧道内都不会出现CO气体。当风速较低时城市地下快速路内的中间车道CO浓度较低,靠近隧道两侧墙壁的CO浓度较高。

图12 主线风速为临界风速的CO浓度云图Fig.12 Cloud view of CO concentration with mainline wind speed as critical wind speed

2.4.2 CO浓度纵向变化曲线

从图13可以看出,不同风速下城市地下快速路入口段CO浓度均未达到危险临界值;当风速v=0.72 m/s时,火源上游的主线隧道内出现一定量的CO气体,随着风速的增大,迅速消失;当CO进入合流段时,不同风速下的CO浓度基本保持稳定。

图13 人员安全高度纵向CO浓度变化曲线(v=0.72 m/s)Fig.13 Longitudinal CO concentration change curve at the safety height of personnel(v=0.72 m/s)

由图14可知,当城市地下快速路入口段发生火灾时,控制主线风速不变,逐渐提高匝道风速,入口处火源上游发生在低风速v=0.84 m/s时出现CO气体,随着风速的增加,CO气体迅速消失,岔路口区域CO浓度波动状态,变化复杂。CO气体进入合流段后浓度稳定,浓度曲线近似于水平曲线。

图14 人员安全高度处纵向CO浓度曲线(v=0.84 m/s)Fig.14 Longitudinal CO concentration curve at personnel safe height(v=0.84 m/s)

3 结论

以上海北横通道泸定路枢纽为研究依托工程,采用理论分析、全尺寸数值仿真计算等方法,对城市地下快速路入口的火灾烟气蔓延规律进行研究,得出如下结论。

(1)工况设计选择0.72、1.22、1.72、2.22 m/s 4种主线风速,只有温度达到危险临界值,能见度和CO浓度处于相对安全的水平。城市地下快速路入口处合流段的温度下降速率、能见度、CO浓度与主线风速有很强的相关性,随着主线风速的增加,合流段降温速度减慢,能见度提高,CO浓度降低。

(2)城市地下快速路入口处,主线与匝道共同提供排烟风速,主线和匝道可以保持临界风速进行有效排烟。入口段发生火灾时,推荐的主线排烟风速为1.72 m/s,匝道排烟风速推荐为v=1.84 m/s。