高天陽

(北京大興區(qū)消防支隊(duì)，北京 102600)

縱向風(fēng)溫度對(duì)隧道火災(zāi)煙氣逆流長度和臨界風(fēng)速影響的模擬研究

高天陽

(北京大興區(qū)消防支隊(duì)，北京 102600)

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同縱向風(fēng)溫度下，隧道火災(zāi)的發(fā)展進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示，隨著縱向風(fēng)溫度的增大，隧道火災(zāi)煙氣逆流長度不斷減小，相對(duì)應(yīng)的抑制煙氣逆流的臨界風(fēng)速也不斷減小。因此對(duì)隧道消防提出相應(yīng)的排煙建議，即可以通過增大縱向風(fēng)溫度的方法更好的進(jìn)行隧道火災(zāi)排煙。

隧道火災(zāi)；縱向風(fēng)；溫度；排煙

0 引言

隧道火災(zāi)作為危害最嚴(yán)重的火災(zāi)類型之一，雖然其發(fā)生火災(zāi)的頻率并不如其他建筑物大，但一旦隧道火災(zāi)發(fā)生，其必將會(huì)造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，社會(huì)危害性極大。研究隧道火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展及其相應(yīng)的規(guī)律，對(duì)于更好的控制隧道火災(zāi)，消除火災(zāi)隱患具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于隧道火災(zāi)的研究，學(xué)界的研究方法主要有試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法，數(shù)值模擬的方法在試驗(yàn)條件受到限制的時(shí)候，可以很好地輔助對(duì)火災(zāi)的研究[1-2]。

國內(nèi)外，關(guān)于運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道火災(zāi)的研究已取得許多重要的成果。其中最重要的是運(yùn)用NIST開發(fā)的FDS數(shù)值模擬軟件對(duì)火災(zāi)的發(fā)展及控制進(jìn)行模擬。W.K. Chow等人運(yùn)用該類軟件對(duì)隧道火災(zāi)火羽流及煙氣蔓延特性進(jìn)行了模擬。S. Bari運(yùn)用FLUENT預(yù)測了隧道火災(zāi)情況下，隧道內(nèi)溫度場的分布、煙氣運(yùn)動(dòng)等特征[3-4]。國內(nèi)胡隆華等人通過FDS對(duì)火災(zāi)在不同隧道坡度情況下的發(fā)展進(jìn)行了模擬研究。在隧道火災(zāi)的研究中，煙氣的逆流長度和相對(duì)應(yīng)的臨界風(fēng)速是學(xué)者們比較關(guān)心的問題。

1 逆流長度和臨界風(fēng)速

1.1 定義

在隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣會(huì)沖擊頂棚，當(dāng)煙氣達(dá)到頂棚時(shí)會(huì)逐漸下降并形成煙氣層。此時(shí)，需要機(jī)械排煙的方法來清除隧道內(nèi)的煙氣來保證人員安全。煙氣逆隧道縱向風(fēng)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，即為煙氣的逆流現(xiàn)象，煙氣逆縱向風(fēng)蔓延距火源的長度即為煙氣的逆流長度。

關(guān)于隧道火災(zāi)的煙氣逆流現(xiàn)象，前人在研究中進(jìn)一步提出了臨界風(fēng)速這一概念。不難想象，隨著隧道內(nèi)縱向風(fēng)風(fēng)速的不斷增大，火災(zāi)煙氣的逆流長度會(huì)不斷的減小，當(dāng)縱向風(fēng)風(fēng)速繼續(xù)增大到某一定值時(shí)，煙氣就不再有逆流現(xiàn)象，此時(shí)的縱向風(fēng)風(fēng)速即為此種工況下，隧道火災(zāi)的臨界風(fēng)速。圖1和圖2分別是有煙氣逆流現(xiàn)象和臨界風(fēng)速下逆流現(xiàn)象消失的示意圖。

1.2 理論基礎(chǔ)

對(duì)于隧道火災(zāi)的煙氣逆流長度，Thomas等人通過對(duì)隧道煙氣的弗洛德數(shù)進(jìn)行理論分析，得出了如下關(guān)于煙氣逆流長度的公式[5]：

圖1 有逆流長度的工況

圖2 無逆流長度的工況

(1)

式中，L*是無量綱的煙氣逆流長度，即逆流長度(L)與隧道高度(H)的比值；g是重力加速度；Q是火源的熱釋放速率；ρa(bǔ)和cp分別是空氣的密度和比熱容；Tf是火焰溫度；V是隧道內(nèi)的縱向風(fēng)風(fēng)速；A是隧道的截面積。

(2)

式中，Vc是臨界風(fēng)速；Q*是火源的無量綱熱釋放速率；Vmax是指一個(gè)無量綱的超臨界風(fēng)速，僅由隧道幾何形狀以及火源在隧道內(nèi)的相對(duì)位置決定。

通過對(duì)前人關(guān)于隧道火災(zāi)研究內(nèi)容的分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于縱向風(fēng)溫度對(duì)隧道火災(zāi)發(fā)展的影響的研究還未有涉及，本文以此問題作為研究內(nèi)容。

2 模擬研究

2.1 模型的建立

本文確定的研究模型是一個(gè)30m×4m×4m(長×寬×高)的隧道，運(yùn)用FDS進(jìn)行模擬，網(wǎng)格數(shù)為180×24×24?；鹪垂β蕿?00kW，尺寸為0.4m×0.4m，置放在隧道中間?？v向風(fēng)從隧道的一側(cè)通入，風(fēng)速為1.2～1.5m·s-1，隧道另一側(cè)則與外界相通。模擬時(shí)間為300s，經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在這一時(shí)間內(nèi)，煙氣運(yùn)動(dòng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此時(shí)間設(shè)置是合理的。隧道頂棚布置了熱電偶，可以實(shí)時(shí)測量火災(zāi)中隧道頂棚的煙氣溫度。并通過分析煙氣溫度的方法來判斷煙氣的逆流長度和相應(yīng)的臨界風(fēng)速。本文選取的縱向風(fēng)溫度變化范圍為-10～40 ℃，研究在不同縱向風(fēng)溫度下，其對(duì)隧道火災(zāi)煙氣逆流長度和臨界風(fēng)速的影響。模擬的尺寸如圖1和圖2所示。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 逆流長度

選取縱向風(fēng)風(fēng)速為1.3m·s-1時(shí)，縱向風(fēng)溫度從-10 ℃到40 ℃情況下，模擬研究隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣逆流長度的變化，截取穩(wěn)定時(shí)刻的典型熱煙氣運(yùn)動(dòng)圖片如圖3～圖8所示。

根據(jù)布置在隧道頂棚的熱電偶測得的穩(wěn)定時(shí)的溫度來判斷熱煙氣是否蔓延到相應(yīng)的位置，從而確定該種工況下的煙氣逆流長度。圖9～圖11所示為隧道火災(zāi)在縱向風(fēng)風(fēng)速1.2、1.3、1.4m·s-1情況下的煙氣逆流長度隨著縱向風(fēng)溫度的變化情況。處理數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)逆流現(xiàn)象時(shí)，逆流長度隨著縱向風(fēng)溫度的增高而降低，相關(guān)的數(shù)據(jù)基本符合線性擬合的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.5m·s-1時(shí)，煙氣不再出現(xiàn)逆流情況，說明此時(shí)的臨界風(fēng)速小于或者等于1.5m·s-1。確切的臨界風(fēng)速值可以通過后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算得到。

圖3 T=-10 ℃情況下的煙氣運(yùn)動(dòng)圖

圖4 T=0 ℃情況下的煙氣運(yùn)動(dòng)圖

圖5 T=10 ℃情況下的煙氣運(yùn)動(dòng)圖

圖6 T=20 ℃情況下的煙氣運(yùn)動(dòng)圖

圖7 T=30 ℃情況下的煙氣運(yùn)動(dòng)圖

2.2.2 臨界風(fēng)速

根據(jù)前文中關(guān)于在不同縱向風(fēng)溫度下，隧道火災(zāi)煙氣逆流長度的變化情況，算得相應(yīng)工況下的臨界風(fēng)速，如圖12所示。可以看到的是，隨著隧道內(nèi)縱向風(fēng)溫度的增大，抑制煙氣逆流的臨界風(fēng)速逐漸減小。因此本文的研究成果在工程上的應(yīng)用為，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以在隧道一端通入熱縱向風(fēng)來進(jìn)行排煙，這樣可以降低所需的排煙臨界風(fēng)速。

圖8 T=40 ℃情況下的煙氣運(yùn)動(dòng)圖

圖9 風(fēng)速1.2 m·s-1下的煙氣逆流長度

圖10 風(fēng)速1.3 m·s-1下的煙氣逆流長度

3 結(jié)論

通過模擬研究，可得出以下結(jié)論：(1)隨著隧道內(nèi)縱向風(fēng)溫度的增大，煙氣逆流長度不斷減小，抑制煙氣的臨界風(fēng)速也不斷減小。(2)實(shí)際工程中，可以通過增大縱向風(fēng)溫度的方法來更好的進(jìn)行隧道火災(zāi)的排煙。

圖11 風(fēng)速1.4 m·s-1下的煙氣逆流長度

圖12 不同縱向風(fēng)溫度下的臨界風(fēng)速

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

The Effect of Crosswind Temperature on Tunnel Fire Back-layering Length and Critical Velocity

GAO Tianyang

(DaxingDistrictMunicipalFireBrigade,Beijing102600,China)

Numerical software is used to simulate the tunnel fire characteristics and development under different crosswind temperatures. Results show that with the increase in crosswind temperature, a tunnel fire back-layering length decreases, and thus the corresponding critical velocity to arrest the back-layering also decreases. Suggestions were proposed to better exhaust tunnel fire smoke, which is to increase the crosswind temperature.

tunnel fire; crosswind; temperature; smoke exhaust

2015-09-06

高天陽(1985— )，男，吉林公主嶺人，助理工程師。

U458.1; D631.6

A

1008-2077(2015)12-0010-04