摘 要：為驗(yàn)證弗勞德準(zhǔn)則數(shù)在距火源不同距離處的適用性，用Fluent軟件分別對(duì)設(shè)定的隧道原型尺寸和模型尺寸進(jìn)行火災(zāi)模擬，并對(duì)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對(duì)比。結(jié)果表明：火源近處煙氣受浮力影響較大，弗勞德準(zhǔn)則數(shù)適用，但隨著距火源距離的增大，浮力作用逐漸減弱，在距火源較遠(yuǎn)處弗勞德準(zhǔn)則數(shù)不再適用。

關(guān)鍵詞：隧道火災(zāi)；數(shù)值模擬；弗勞德準(zhǔn)則；模型試驗(yàn)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，交通隧道因其具有穿越天然屏障、提高交通能力、克服地形高程差和節(jié)約有限的地上空間等優(yōu)點(diǎn)而得到迅猛發(fā)展。但是隨著交通隧道公里數(shù)的不斷增加，各類(lèi)隧道事故發(fā)生的數(shù)量和頻率也相應(yīng)增加。其中，隧道火災(zāi)由于其環(huán)境的封閉性和逃生救援的困難性，往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[ 1 ]。在對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行的研究中，可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的縮尺寸模型試驗(yàn)因具有投入相對(duì)較少、邊界條件較為容易穩(wěn)定控制和可以通過(guò)各種精密的測(cè)量?jī)x器及先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)對(duì)火災(zāi)參數(shù)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，成為目前采用較多的試驗(yàn)方法。而縮尺寸模型試驗(yàn)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，與試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的相似準(zhǔn)則數(shù)的適用性密切相關(guān)。根據(jù)相似原理進(jìn)行的模型試驗(yàn)，需要模型和原型完全相似，即除了幾何相似外，各獨(dú)立的相似準(zhǔn)則也應(yīng)同時(shí)滿足。但實(shí)際上模型試驗(yàn)要同時(shí)滿足各準(zhǔn)則比較困難，一般只能達(dá)到近似相似，也就是保證對(duì)流動(dòng)起主要作用的力相似[ 2 ]。在隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中，雷諾準(zhǔn)則與弗勞德準(zhǔn)則無(wú)法同時(shí)滿足，目前的處理方法是使流動(dòng)處于Re自動(dòng)模型區(qū)（阻力平方區(qū)），從而用弗勞德數(shù)Fr作為動(dòng)力的相似準(zhǔn)則數(shù)來(lái)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。而在實(shí)際隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)時(shí)，高溫?zé)釤煔庠诟×ψ饔孟戮砦車(chē)諝鉀_向火源上方形成火羽流，火羽流不斷上升沖擊拱頂后由垂直上升開(kāi)始向四周徑向流動(dòng)，受到隧道側(cè)壁限制后轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼗鹪磧蓚?cè)隧道縱向的一維流動(dòng)[ 3 ]。此時(shí)，隨著煙氣離火源距離的增大，浮力作用逐漸減小，阻力作用逐漸增大[ 4 ]，弗勞德準(zhǔn)則數(shù)的適用性逐漸降低。本文應(yīng)用Fluent軟件分別對(duì)隧道原型和模型進(jìn)行火災(zāi)模擬，對(duì)比其煙氣的溫度與速度，以驗(yàn)證弗勞德準(zhǔn)則數(shù)在距火源不同距離處的適用性。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

隧道和火源的幾何模型圖及橫截面圖分別如圖1、圖2所示。

設(shè)定隧道原型長(zhǎng)1000m，寬10.5m，高7.2m，火源位于隧道中間，高于隧道底部0.5m，為一長(zhǎng)3m，寬2m，高1m的長(zhǎng)方體，火源功率取15MW。模型與原型的幾何比尺為1：22.5，由弗勞德相似準(zhǔn)則可確定模型尺寸長(zhǎng)44.44m，寬0.467m，高0.32m，火源高于隧道底部0.022m，為一0.13m×0.089m×0.044m的長(zhǎng)方體，火源功率6.24KW。隧道溫度25℃沒(méi)有機(jī)械通風(fēng)。

1.2 湍流模型

本文模擬的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和較高的計(jì)算精度。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型需要求解湍流動(dòng)能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程來(lái)得到k和ε的解[ 5 ]，兩方程形式如下：

1.3 燃燒模型

火源的模擬采用PDF燃燒模型，該模型用概率密度函數(shù)PDF考慮湍流效應(yīng)，不要求顯示地定義反應(yīng)機(jī)理，而通過(guò)火焰面方法或化學(xué)平衡計(jì)算來(lái)處理，比有限速率模型有優(yōu)勢(shì)[ 6 ]。

2 結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果

圖3、圖4分別為原型尺寸下120s、150s、180s時(shí)x=0截面上的溫度云圖和速度云圖，圖5、圖6分別為模型尺寸下25.2s、31.5s、37.8s時(shí)x=0截面上的溫度云圖和速度云圖。因模擬過(guò)程沒(méi)有機(jī)械通風(fēng)，火源兩側(cè)云圖對(duì)稱(chēng)，故只截取一側(cè)圖形。

2.2 對(duì)比分析

由溫度云圖可以看出，隨著時(shí)間的增加，煙氣不斷向出口蔓延，火源遠(yuǎn)端的溫度逐漸升高，煙氣未到達(dá)處仍為環(huán)境溫度。通過(guò)對(duì)速度云圖的觀察可以看出，在距離火源較近處煙氣的運(yùn)動(dòng)主要集中在隧道上半部分，而在距火源一定距離的遠(yuǎn)處煙氣的運(yùn)動(dòng)則充滿整個(gè)截面，這也說(shuō)明了火源近處煙氣受浮力影響較大，而遠(yuǎn)處浮力作用減弱。

圖7為三組對(duì)應(yīng)時(shí)間下各測(cè)點(diǎn)（各測(cè)點(diǎn)代號(hào)與火源距離關(guān)系如表1所示，負(fù)號(hào)表示測(cè)點(diǎn)位于火源另一側(cè)，距離與表1相同）橫截面煙氣速度圖，其中模型數(shù)據(jù)由模擬結(jié)果經(jīng)弗勞德數(shù)轉(zhuǎn)換所得。由圖7看出在距離火源較近處模型數(shù)據(jù)與原形數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和數(shù)據(jù)大小相差不大，結(jié)果基本在可接受誤差范圍以內(nèi)，弗勞德數(shù)適用。而在距火源較遠(yuǎn)處數(shù)據(jù)相差較大，已經(jīng)不能由模型所得數(shù)據(jù)經(jīng)弗勞德數(shù)轉(zhuǎn)換得到原形數(shù)據(jù)，弗勞德數(shù)已不再適用。

3 結(jié)論

分別對(duì)隧道原型和模型進(jìn)行了火災(zāi)模擬，觀察三組對(duì)應(yīng)時(shí)刻的溫度速度云圖，并對(duì)三組對(duì)應(yīng)時(shí)間下的不同測(cè)點(diǎn)橫截面的煙氣速度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，在距離火源較近處模型所得速度經(jīng)弗勞德相似準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換后與原形數(shù)據(jù)較為接近，在誤差接受范圍內(nèi)，弗勞德數(shù)適用；在距離火源較遠(yuǎn)處模型所得速度經(jīng)弗勞德相似準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換后與原形數(shù)據(jù)相差較大，已不能代表原形數(shù)據(jù)，此時(shí)弗勞德數(shù)已不適用。

因此，弗勞德準(zhǔn)則數(shù)在距火源較近處適用，隨著距火源距離的增大，弗勞德準(zhǔn)則數(shù)不再適用。要得出弗勞德準(zhǔn)則數(shù)的具體適用范圍還需要后續(xù)進(jìn)一步縮小測(cè)點(diǎn)間距離，做更為詳細(xì)的測(cè)量分析。本文中所用模擬環(huán)境較為理想，忽略了實(shí)際測(cè)量可能遇到的影響因素而產(chǎn)生的誤差，因此也需要后續(xù)的模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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作者簡(jiǎn)介：李囡婕，女，碩士，蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院。