鐘 委，端木維可，李華琳，梁天水

(1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

火源橫向位置對隧道火災(zāi)煙氣分岔流動影響

鐘 委1,2，端木維可1，李華琳1，梁天水1

(1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

當(dāng)發(fā)生隧道火災(zāi)時，縱向通風(fēng)方式常被用于人員疏散和排煙，而縱向風(fēng)速較大時，煙氣將發(fā)生分岔流動，導(dǎo)致煙氣層整體性被破壞，對人員疏散造成威脅.火源橫向位置對隧道火災(zāi)煙氣流動有顯著影響，通過數(shù)值模擬對不同火源橫向位置時煙氣分岔流動特性進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，隨著火源向側(cè)壁靠近，煙氣由對稱型分岔流動轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚ΨQ分岔流動.當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在側(cè)壁附近時，煙氣轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝”型流動.隨著火源與側(cè)壁間距的減小，分岔流動臨界風(fēng)速呈指數(shù)型增加.

隧道火災(zāi)；數(shù)值模擬；分岔流動；橫向位置；臨界風(fēng)速

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，各大城市面臨著日益嚴(yán)重的交通壓力.為了緩解交通壓力，城市隧道得到快速發(fā)展.隧道是一個狹長受限空間，一旦發(fā)生火災(zāi)將給人們的生命及財產(chǎn)帶來較大損失.例如2003年韓國大邱地鐵隧道火災(zāi)造成198人死亡[1]；2014年晉濟(jì)高速山西晉城段巖后隧道事故，造成40人死亡[2].統(tǒng)計結(jié)果表明，火災(zāi)中超過85%的人員傷亡都是由煙氣造成的[3].發(fā)生火災(zāi)時，縱向通風(fēng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人員撤離和隧道排煙[4].臨界風(fēng)速是縱向通風(fēng)系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，當(dāng)縱向風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時，可以保證隧道內(nèi)不存在煙氣逆流，為人員撤離創(chuàng)造清潔安全的上游環(huán)境[5].

但縱向風(fēng)速并非越大越好.較大的縱向風(fēng)速會產(chǎn)生較大的水平慣性力，對火源下游煙氣層穩(wěn)定性造成影響.Vauquelin等[6]指出當(dāng)使用縱向風(fēng)控制煙氣逆流時，應(yīng)注意保持煙氣層穩(wěn)定性.Richardson數(shù)表示密度分布的穩(wěn)定作用同因速度剪切引起的失穩(wěn)作用的比值，陽東等[7]通過小尺寸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Richardson數(shù)小于0.3時，煙氣分層現(xiàn)象將被破壞.李開源等[8]發(fā)現(xiàn)，較大風(fēng)速下煙氣層將無法保持其整體性，而是形成分岔的煙氣流沿著隧道側(cè)壁流動，并將此現(xiàn)象定義為煙氣分岔流動，如圖1所示，但他并未進(jìn)一步分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值模擬對分岔現(xiàn)象機(jī)理進(jìn)行了研究，指出縱向風(fēng)將加劇煙氣與空氣之間的摻混，造成頂棚射流撞擊側(cè)壁后反向流動的驅(qū)動力減弱，從而破壞了煙氣層的形成過程，導(dǎo)致了分岔流動現(xiàn)象的產(chǎn)生.文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)煙氣分岔流動區(qū)域上方的隧道豎井無法有效排煙.因此在隧道防排煙設(shè)計中應(yīng)當(dāng)避免分岔流動的形成，或者防止排煙口位于分岔流動區(qū)域內(nèi).

圖1 縱向風(fēng)作用下煙氣分岔流動現(xiàn)象Fig.1 Phenomenon of smoke bifurcation flow

前人的研究大多假設(shè)火災(zāi)發(fā)生在隧道中部，但對于實(shí)際而言，隧道火災(zāi)的發(fā)生位置并不固定.當(dāng)這些非隧道中心火災(zāi)一旦發(fā)生，火羽流對空氣的卷吸過程，以及撞擊頂棚后煙氣的流動情況均與火災(zāi)發(fā)生在隧道中心時不同.文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]等通過小尺寸試驗(yàn)分別研究了火源橫向位置對頂棚下煙氣最高溫度和抑制煙氣逆流臨界風(fēng)速的影響，結(jié)果表明，煙氣撞擊區(qū)最高溫度與抑制煙氣逆流臨界風(fēng)速隨火源向側(cè)壁靠近均呈指數(shù)型增加.

由于隧道內(nèi)起火位置的不同對火災(zāi)發(fā)展有較大影響，筆者利用數(shù)值模擬方法，對不同火源橫向位置隧道火災(zāi)煙氣分岔流動流場以及溫度分布進(jìn)行了討論，并建立了不同火源橫向位置分岔流動臨界風(fēng)速預(yù)測模型.

1 數(shù)值模擬

隨著計算機(jī)能力的顯著提高，CFD模擬在過去數(shù)十年得到了快速的發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于研究隧道防火安全設(shè)計.筆者選用的是FDS(fire dynamics simulator)場模擬軟件，采用的是5.5.3版本.FDS是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)開發(fā)的一種場模擬軟件，由于其準(zhǔn)確、方便、費(fèi)用較省等優(yōu)點(diǎn)，已得到國際間的廣泛認(rèn)可，并被大量應(yīng)用于火災(zāi)動力學(xué)模擬.

模擬所建物理模型長200 m、寬10 m、高5 m，模型圖如圖2所示.縱向風(fēng)通風(fēng)口設(shè)置在模型左側(cè)開口處，出口位于右側(cè)開口處.火源為長度1 m的方形油盤，距縱向風(fēng)入口水平距離50 m，燃料為煤油.前期研究結(jié)果表明，縱向風(fēng)速越大，分岔流動現(xiàn)象就越明顯.為了研究不同火源橫向位置對煙氣分岔流動現(xiàn)象的影響，將熱釋放速率設(shè)置為3 MW，縱向風(fēng)速設(shè)為4 m/s，對火源中心到側(cè)壁距離D分別為0.5、1、2、3、4和5 m時的煙氣流動進(jìn)行分析.另外，對3種火源熱釋放速率(3、4、5 MW)下不同火源橫向位置煙氣分岔臨界風(fēng)速進(jìn)行測量，模擬工況如表1所示.環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，模擬時間為100 s.

圖2 CFD模型圖Fig.2 A schematic diagram of CFD modeling

模擬工況火源熱釋放速率/MW縱向風(fēng)速/(m·s-1)火源中心距左側(cè)壁距離/m1340.51.02.03.04.05.03—0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.024—0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05—0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0

在FDS數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸是一個需要考慮的關(guān)鍵因素.前期工作對網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了研究，選取0.1～0.4 m之間的6個不同網(wǎng)格尺寸對本文場景下隧道中部頂棚縱向溫度進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如圖3所示.從圖中可以看出，隨著網(wǎng)格密度的增大，溫度曲線逐漸趨于一致.同時可以發(fā)現(xiàn)0.167、0.125和0.100 m的溫度曲線僅有輕微的不同，也就是說，當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.167 m時，計算精度并沒有得到明顯的改善，但是要消耗更多的計算時間.因此一個混合網(wǎng)格系統(tǒng)在本文中被使用.如圖4所示，從火源上游距火源中心5 m處至下游距火源中心35 m處網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.083 m，其余地方網(wǎng)格尺寸為0.167 m.

圖3 隧道中部頂棚縱向溫度分布Fig.3 Longitudinal temperature distribution in the middle of tunnel

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同火源橫向位置分岔流動

2.1.1 煙氣分布

圖5展示了縱向風(fēng)速4 m/s下，3 MW火災(zāi)不同火源橫向位置隧道火災(zāi)煙氣分布.隨著火源遠(yuǎn)離隧道中部，煙氣分岔流動由對稱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚ΨQ流動形式.當(dāng)火源靠近左側(cè)壁時，此時煙氣呈“S”型流動，如圖5 (e)和5 (f)所示.當(dāng)火源緊貼側(cè)壁時，根據(jù)“鏡像效應(yīng)”[14]，此時煙氣流動與火源位于中部時隧道單側(cè)煙氣流動現(xiàn)象相似.

圖5 不同火源橫向位置煙氣流動Fig.5 Smoke propagation at different transverse fire location

2.1.2 流場結(jié)構(gòu)

圖6給出了不同火源橫向位置頂棚下方速度流場結(jié)構(gòu).隨著火源向側(cè)壁靠近，火源與兩側(cè)壁間橫向距離不再相等，徑向蔓延的煙氣無法同時在兩側(cè)壁處發(fā)生反向流動，這造成煙氣匯聚區(qū)逐漸轉(zhuǎn)向右側(cè)壁.當(dāng)火源位于左側(cè)壁附近時，如圖6 (f)和6 (e)所示，煙氣羽流撞擊頂棚后幾乎所有煙氣均徑向流動至右側(cè)，沿側(cè)壁流動并逐漸反向流動至左側(cè)壁.火災(zāi)煙氣在兩側(cè)壁間交替發(fā)生反向流動，導(dǎo)致“S”型的煙氣流動現(xiàn)象出現(xiàn).

圖6 不同火源橫向位置的隧道頂棚下方截面速度矢量圖Fig.6 Velocity vectors of horizontal cross-section below the ceiling with different transverse fire location

2.1.3 溫度分布

4 m/s時3 MW火災(zāi)頂棚下方0.167 m煙氣溫度分布如圖7所示.隨著火源與側(cè)壁間距離減小，如圖7(a)～7(d)所示，煙氣分岔流間的低溫區(qū)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，煙氣匯聚流與近火源一側(cè)側(cè)壁間形成明顯低溫區(qū).當(dāng)火源與側(cè)壁距離小于1 m時，如圖7(e)和7(f)所示，由于煙氣的“S”流動，低溫區(qū)將在兩側(cè)壁處交替出現(xiàn)，且此時低溫區(qū)的范圍要比火源位于隧道中部時大得多.

2.2 不同火源橫向位置煙氣分岔流動臨界風(fēng)速

圖8展示了3 MW火災(zāi)火源位于隧道中部時，2.0 m/s和2.5 m/s風(fēng)速下中截面溫度分布.前期工作發(fā)現(xiàn)隧道火災(zāi)煙氣分岔流動判據(jù)為撞擊區(qū)上游沒有回流煙氣存在.火源中心所在橫向位置的中截面切片溫度分布被用來判斷分岔流動是否發(fā)生.該場景下，當(dāng)縱向風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s時，與2.0 m/s風(fēng)速下相比較，此時22 ℃等溫線基本保持豎直，撞擊區(qū)上游恰好沒有右凸的溫度線，這表明煙氣沒有出現(xiàn)在撞擊區(qū)上游，由此可見該場景分岔流動臨界風(fēng)速為2.5 m/s.

圖7 頂棚煙氣縱向溫度分布Fig.7 Temperature distribution of horizontal cross-section

圖8 隧道中部縱向截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the vertical section in the middle of tunnel

(1)

(2)

煙氣分岔流動臨界風(fēng)速隨火源橫向位置變化規(guī)律如圖9所示.從圖9可以看出，當(dāng)火源距離隧道側(cè)壁較遠(yuǎn)時，分岔流動臨界風(fēng)速與火源位于隧道中部時差異不大，而當(dāng)火源位于側(cè)壁附近時，由于受到側(cè)壁限制，煙氣羽流卷吸量減小，此時羽流撞擊頂棚時有更大的溫度和速度，分岔流動臨界風(fēng)速增幅較大.隨著火源與側(cè)壁距離逐漸減小，無量綱風(fēng)速的比值與無量綱火源距離滿足指數(shù)增長規(guī)律.

圖9 不同火源橫向位置分岔流動臨界風(fēng)速Fig.9 The dimensionless critical velocity of smoke bifurcation flow at different transverse fire locations

相關(guān)系數(shù)假設(shè)符合：

(3)

式中：a、b、c是常量.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，公式(3)可表示為:

(4)

3 結(jié)論

筆者通過數(shù)值模擬研究了不同火源橫向位置對煙氣分岔流動現(xiàn)象的影響.結(jié)果表明，隨著火源向側(cè)壁逐漸靠近，煙氣流動由對稱分岔流動轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚ΨQ分岔流動，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在側(cè)壁附近時，煙氣呈“S”型流動.

當(dāng)火源距離隧道側(cè)壁較遠(yuǎn)時，分岔流動臨界風(fēng)速與火源位于隧道中部時差異不大，而當(dāng)火源位于側(cè)壁附近時，臨界風(fēng)速增長的更快.并且隨著火源向側(cè)壁靠近，分岔流動臨界風(fēng)速呈較好的指數(shù)型增加規(guī)律.

當(dāng)隧道火災(zāi)發(fā)生的位置不同時，煙氣分岔流動現(xiàn)象也將不同，這將導(dǎo)致隧道內(nèi)煙氣流動，溫度分布以及分岔流動臨界風(fēng)速的差異，在隧道排煙設(shè)計以及火災(zāi)救援的時候應(yīng)將這種差異考慮在內(nèi).

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Numerical Investigation into the Influence of Different Transverse Fire Locations on Smoke Bifurcation Flow in Tunnel Fire

ZHONG Wei1,2, DUANMU Weike1, LI Hualin1, LIANG Tianshui1

(1.School of Mechanics and Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China； 2.State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment, Beijing 100013, China)

When a fire occurd in tunnel, the longitudinal ventilation was used for personnel evacuation and smoke extraction. The stratification of smoke layer would be destroyed under high ventilation velocity, and would lead to smoke bifurcation flow, which was harmful to evacuation.The numerical simulations were conducted to investigate the influence of transverse fire locations on smoke bifurcation flow. The phenomena of smoke bifurcation flow with different transverse fire locations were studied. The results showed that the bifurcation flow was symmetric when fire located in the central line of tunnel; and a S-shaped flow occursed in a near wall fire situation. The critical velocity of smoke bifurcation flow increased exponentially when fire source moved to the sidewall.

tunnel fire; numerical simulation; bifurcation flow; transverse fire locations; critical velocity

1671-6833(2017)01-0027-05

2015-12-30；

2016-02-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(51404215)；國家博士后基金特別資助項目(2015T80781)；建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(BSBE2015-02)

鐘委(1978— )，男，重慶江津人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要從事地下建筑火災(zāi)防治及化工安全技術(shù)研究，E-mail: Zhongwei@zzu.edu.cn．

U458.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.023