姜學(xué)鵬，廖湘娟，景 安

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 消防安全技術(shù)研究所，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學(xué) 湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081)

近年來，國內(nèi)外采用水下隧道作為跨越江河湖海方式已成為一種趨勢[1]，受實際地質(zhì)條件制約，水下鐵路隧道多為V形坡。單坡度隧道發(fā)生火災(zāi)時，煙囪效應(yīng)使煙氣不斷向上坡方向蔓延，而V形坡隧道內(nèi)的兩坡度隧道由于煙囪效應(yīng)對煙氣的運動存在競爭關(guān)系，使得隧道內(nèi)的煙氣蔓延更為復(fù)雜，火災(zāi)煙氣將嚴(yán)重威脅到司乘人員的生命安全[2-3]。因此開展V形坡隧道內(nèi)雙坡競爭對煙氣流動特性影響研究尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對坡度隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行了大量研究。Atkinson[4]等通過模型試驗研究了隧道坡度在0和10°之間時抑制煙氣蔓延所需的縱向風(fēng)速，并構(gòu)建了關(guān)于隧道坡度的臨界風(fēng)速模型。翁廟成等[5]考慮隧道坡度及橫截面面積的影響開展了1/10的縮尺寸模型實驗，推導(dǎo)出煙氣逆流長度的無量綱表達(dá)式。Chow[6]通過模型試驗研究了自然通風(fēng)狀態(tài)下坡度隧道內(nèi)的煙氣運動，討論了火源上下游的煙氣溫度和流速分布。王玉鎖[7]采用火災(zāi)動力學(xué)模擬FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件對不同坡形鐵路隧道內(nèi)的溫度分布特性進(jìn)行研究，從而確定不同縱向風(fēng)速下的煙氣控制效果。上述研究多針對單坡隧道的煙氣蔓延，對V形坡隧道內(nèi)的煙氣蔓延研究較少。

關(guān)于煙氣競爭方面的研究，Chen[8]通過CFD模擬位于地面以下的站廳層火災(zāi)時，發(fā)現(xiàn)各樓梯間對煙氣蔓延存在競爭現(xiàn)象，競爭的結(jié)果是煙氣均通過一側(cè)樓梯流向地面，而外界空氣從另一側(cè)樓梯進(jìn)入站廳；且樓梯對煙氣蔓延的競爭與火源的位置有較大關(guān)系。鐘委[9]通過模型實驗進(jìn)一步驗證了火源位置對煙氣競爭的影響機(jī)理。這些研究主要針對樓梯間內(nèi)的煙氣競爭展開分析，關(guān)于V形坡隧道雙坡耦合作用下的煙氣競爭未見報道。

因此，本文通過對V形坡水下鐵路隧道內(nèi)的煙氣進(jìn)行受力分析，研究列車火源位置、隧道坡度對煙氣競爭效應(yīng)的影響；并采用FDS軟件模擬V形坡隧道火災(zāi)，分析不同工況下的流速、煙氣層分布情況，對理論分析結(jié)果進(jìn)行驗證，以獲得煙氣競爭效應(yīng)下煙氣蔓延變化規(guī)律。

1 V形坡隧道火災(zāi)煙氣的受力

當(dāng)V形坡水下鐵路隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，煙氣將沿坡度隧道向兩側(cè)蔓延，如圖1所示。圖1中：i為隧道坡度，%；ρs為煙氣密度，kg·m-3；ρ0為空氣密度，kg·m-3；l為煙氣蔓延長度，m；h為煙氣層厚度，m；H為煙氣上升高度，m。煙氣沿坡度隧道向上蔓延的過程中主要受坡度隧道煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的火風(fēng)壓及空氣流阻力的作用(不考慮隧道壁面的黏性力)[9]。

圖1 V形坡隧道內(nèi)煙氣蔓延示意圖

1)火風(fēng)壓

煙氣在坡度隧道內(nèi)向上蔓延的主要動力為隧道煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的火風(fēng)壓，其大小等于熱煙氣與空氣的熱壓差。若不考慮煙氣在隧道內(nèi)蔓延時的熱交換，煙氣上升H高度處的煙氣與空氣的熱壓差Pf為

Pf=ΔρgH

(1)

其中，

Δρ=ρ0-ρs

(2)

H=h+lsin(arctani)

(3)

式中：Δρ為空氣與煙氣的密度差，kg·m-3；g為重力加速度，m·s-2。

2)空氣流阻力

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，煙氣沿坡度隧道流向外界，由于隧道內(nèi)空氣的消耗及隧道內(nèi)外溫度差，造成煙氣層下方區(qū)域的壓力小于外界空氣壓力，外界空氣將從隧道端口進(jìn)入隧道。因此流入隧道內(nèi)的空氣將對向上蔓延的煙氣產(chǎn)生阻力Pair，其大小為

(4)

式中：u0為空氣流的流速，m·s-1。

由式(1)和式(4)可得煙氣在隧道一側(cè)蔓延的驅(qū)動力P為

(5)

對于V形坡隧道，煙氣從隧道哪側(cè)端口流出，取決于兩側(cè)煙氣驅(qū)動力的大小，即哪一側(cè)的煙氣驅(qū)動力大，煙氣就從那一側(cè)端口流出。

用下角標(biāo)l和r分別表示左側(cè)、右側(cè)隧道，當(dāng)火源位于左側(cè)時，隧道左右兩側(cè)的煙氣驅(qū)動力差值ΔP為

(6)

將式(2)代入式(6)可得

ΔP=(ρ0-ρl)gHl-(ρ0-ρr)gHr

(7)

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，且火源位于左側(cè)隧道時，煙氣向火源兩側(cè)蔓延，受坡度隧道煙囪效應(yīng)影響，火源上游的煙氣直接沿左側(cè)隧道不斷向上蔓延，而火源下游煙氣在到達(dá)變坡點后，才開始向右側(cè)隧道蔓延，故Hl>Hr；煙氣向火源兩側(cè)蔓延，受煙囪效應(yīng)的影響，隨著遠(yuǎn)離火源點，火源上游的煙氣溫度衰減比下游溫度衰減慢，故左側(cè)煙氣溫度較高，煙氣密度較低，即左側(cè)煙氣密度ρl≤ρr。則由式(7)可知，此時ΔP>0，即煙氣將從隧道左側(cè)排出。

此時，若增大隧道坡度i，則Hl=h+llsin(arctani)增大，左側(cè)的驅(qū)動力也隨之增大，對火源上游煙氣的蔓延起促進(jìn)作用，從而抑制火源下游的煙氣蔓延，使得Hr減小，由式(7)可知，此時ΔP增大，說明左側(cè)隧道對煙氣更具有競爭優(yōu)勢，煙氣向左側(cè)隧道的蔓延更劇烈，左側(cè)隧道的煙氣競爭效應(yīng)隨著坡度的增加而加強(qiáng)。

同理，當(dāng)火源位于右側(cè)隧道時，煙氣將從隧道右側(cè)排出，同時，右側(cè)隧道的煙氣競爭效應(yīng)也隨著坡度的增加而加強(qiáng)；當(dāng)火源位于隧道變坡點時，煙氣將沿火源兩側(cè)自由蔓延，對稱分布。

2 數(shù)值建模與網(wǎng)格獨立性

2.1 數(shù)值建模

水下鐵路隧道模型的長×寬×高為600 m×12.5 m×5.4 m；設(shè)置V形坡道，變坡點兩側(cè)的隧道長度均為300 m，且兩側(cè)隧道坡度大小近似相同，再根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2016)[10]規(guī)定隧道內(nèi)的坡度不宜小于3%，設(shè)V形坡道的坡度為-3%/3%，-5%/5%，-8%/8%；隧道兩端為開口邊界條件；環(huán)境溫度為20 ℃；隧道墻壁的材料設(shè)置為混凝土，其熱值為1.04 kJ·(kg·K)-1，密度為2 280 kg·m-3，導(dǎo)熱率為1.8 W·(m·K)-1。

《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范》(TB 10020—2017)[11]規(guī)定動車組火源功率可采用15 MW，普通列車為20 MW，為研究火源功率對煙氣競爭的影響，設(shè)火源功率分別為10，20，30 MW?；鹪次挥谒淼乐休S線上，且位于左側(cè)隧道，距隧道變坡點的距離x為0～150 m，火源的長×寬×高為4 m×4 m×0.3 m。模擬時選取穩(wěn)態(tài)火，燃燒時間為400 s，當(dāng)燃燒持續(xù)至300 s左右時，隧道內(nèi)的溫度參數(shù)等均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故選取300～400 s時間段的模擬數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析研究。

2.2 網(wǎng)格獨立性

當(dāng)網(wǎng)格尺寸d=1/16D*～1/4D*時，F(xiàn)DS模擬精度較高[12]，其中火源特征直徑D*的計算式如下

(8)

式中：Q為火源功率，kW；T0為環(huán)境溫度，K，取T0=293 K；ρ0為空氣密度，kg·m-3，取ρ0=1.2 kg·m-3；cp為空氣的定壓熱容，一般為1.02 kJ·(kg·K)-1；取g=9.81 m·s-2。

當(dāng)Q值越大，火源特征直徑D*越大，d就越大；而網(wǎng)格尺寸d值越小，模擬的結(jié)果越精確；故選取Q=10 MW時的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行分析。根據(jù)式(8)計算可得d=0.15～0.60 m，故取d=0.10，0.20，0.25，0.30，0.50 m進(jìn)行對比分析；上游坡度為-5%，下游坡度為5%的火災(zāi)場景下距火源上游25 m處的豎向溫度分布曲線如圖2所示。由圖2可以看出：隨著網(wǎng)格尺寸d的減小，豎向溫度曲線逐漸重合，d=0.25，0.20和0.10 m時的3條溫度曲線基本一致。綜合考慮網(wǎng)格精度及模擬耗時，取網(wǎng)格尺寸d=0.25 m。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸時火源上游25 m處的豎向溫度曲線

因此，火源附近距火源上下游50 m范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸為d，即取0.25 m×0.25 m×0.25 m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2d，即取0.50 m×0.50 m×0.25 m。

3 模擬結(jié)果及其分析

3.1 隧道煙氣層的流速分布規(guī)律

通過煙氣流速分布的情況可判斷煙氣的蔓延情況，不同火源位置、火源功率、坡度條件下隧道頂板下方煙氣流速的縱向分布規(guī)律如圖3所示。圖中：煙氣向左流動時流速為正值(+)，煙氣向右流動時流速為負(fù)值(-)。由圖3可知：火源上游的流速始終為正值，表明煙氣直接從左側(cè)隧道向外排出；而火源下游靠近火源的部分區(qū)域流速為負(fù)值，表明煙氣向右側(cè)隧道蔓延；當(dāng)煙氣蔓延了一定距離后下游的流速逐漸變?yōu)檎?，此時外界的冷空氣進(jìn)入隧道抑制了煙氣繼續(xù)向右側(cè)隧道蔓延，下游煙氣流速為0處與火源的距離即為下游煙氣的蔓延長度。

圖3 不同條件下隧道頂板下方煙氣流速分布曲線

從圖3(a)可知：當(dāng)火源位于隧道變坡點時，火源兩側(cè)的煙氣流速大小相等，方向相反；當(dāng)火源向左側(cè)移動離開變坡點時，上游煙氣流速均大于火源位于變坡點時的流速，下游煙氣流速均小于火源位于變坡點時的流速，且上游煙氣流速基本不受火源位置變化的影響，下游煙氣流速隨火源距變坡點的距離x的增大而逐漸減小。這說明當(dāng)火源在左側(cè)距變坡點的距離增大時，左側(cè)隧道煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的火風(fēng)壓基本未改變，右側(cè)隧道煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的火風(fēng)壓逐漸減小，對下游煙氣運動的牽引減小，使得下游煙氣流速減小，下游煙氣的蔓延長度也逐漸變短。

從圖3(b)可知：隨著火源功率的增大，火源上下游的煙氣流速均有增大，但增大幅度較小，表明火源功率的變化對煙氣的蔓延影響較小。

從圖3(c)可知：當(dāng)火源位于左側(cè)隧道時，隨著隧道坡度的增大，火源上游的煙氣流速逐漸增大，下游煙氣流速逐漸趨近于正值，這表明在雙坡競爭的情況下，隧道坡度的增大，左側(cè)隧道更有競爭優(yōu)勢，加速了煙氣向左側(cè)隧道蔓延，火源下游基本無煙氣，隧道坡度的變化對隧道內(nèi)的煙氣蔓延影響較大。

3.2 V形坡隧道內(nèi)的煙氣分布形式

圖4為20 MW火源功率下不同火源位置時隧道內(nèi)煙氣的縱向流速矢量圖。由圖4可知：當(dāng)火源位于隧道變坡點時，煙氣層與空氣層存在明顯分界，上層熱煙氣沿隧道頂部向外排出，新鮮空氣沿隧道下層進(jìn)入隧道(圖4(a))，這是因為受熱浮力影響煙氣在頂板下方沿隧道兩端蔓延，而火焰在燃燒過程中會消耗隧道內(nèi)的空氣，造成煙氣層下方區(qū)域形成負(fù)壓，使得外界空氣通過隧道端口進(jìn)入隧道；當(dāng)火源位于左側(cè)隧道時，煙氣從左側(cè)隧道排出，大量的新鮮空氣從右側(cè)隧道端口涌入(圖4(b)和(c))，這表明在V形坡隧道內(nèi)，火源位置的不同使得隧道兩側(cè)對煙氣存在競爭關(guān)系，隧道內(nèi)的煙氣將從隧道近火源側(cè)的端口流出，新鮮空氣從隧道另一側(cè)端口流入。

圖4 不同火源位置時隧道內(nèi)煙氣的縱向流速矢量圖

圖5為20 MW火源功率下不同坡度時隧道內(nèi)縱斷面的溫度分布圖。由圖5可知：火源上游的煙氣層與傾斜隧道頂板平行，火源下游與變坡點之間的煙氣層與水平地面平行，這與Chow，Ji等人[6,13]單坡度隧道內(nèi)的研究結(jié)果相符，但當(dāng)煙氣層越過變坡點后，煙氣層不再與隧道頂板平行(圖5(a))，這是因為煙氣向火源上游蔓延時，受熱浮力影響煙氣沿隧道頂板蔓延，煙氣層與隧道頂板平行，煙氣向火源下游蔓延時，受傾斜頂板阻礙作用煙氣逐漸積聚變厚，在水平慣性力及重力的影響下，煙氣層幾乎水平；當(dāng)煙氣越過變坡點時，水平慣性力及熱浮力使得煙氣層的分布發(fā)生了變化。隨著隧道坡度的增大，下游的煙氣蔓延長度逐漸縮短，煙氣僅在左側(cè)隧道蔓延，這是因為隧道坡度越大，煙囪效應(yīng)越明顯，促進(jìn)了煙氣向上游蔓延。

圖5 不同坡度時隧道內(nèi)縱斷面的溫度分布云圖

3.3 煙氣逆流長度及臨界位置點

由圖3的煙氣流速分布及圖5的隧道縱斷面溫度分布可知：在火源功率不變時，火源下游的煙氣蔓延長度隨火源距變坡點距離及隧道坡度的增大而逐漸減小。圖6為20 MW下-3%/3%的V形坡隧道不同火源位置頂板下方溫度分布曲線，可見火源位置的變化對火源上游的溫度分布影響較小，而火源下游的溫度分布存在明顯差異，因此，可利用頂板下方的溫度分布確定火源下游的煙氣逆流長度。煙氣在蔓延過程中不斷卷吸空氣并與壁面進(jìn)行熱交換使溫度不斷降低，導(dǎo)致煙氣逆流前鋒處出現(xiàn)溫度的陡降，溫度陡降處與火源位置之間的距離即為煙氣逆流長度[14]，如圖7所示。

圖6 不同火源位置時隧道頂板下方溫度分布曲線

圖7 煙氣逆流長度判斷示意圖

不同火源功率、不同坡度下火源下游煙氣逆流長度與火源位置的關(guān)系曲線如圖8所示，根據(jù)曲線的形狀可知，曲線存在2個臨界點A和B，這2個臨界點將曲線分為3段。分別為：OA段，自曲線起點O(也是隧道的變坡點O)到臨界點A，在該段煙氣逆流長度隨著火源距變坡點距離的增大而減??；AB段，自臨界點A到臨界點B，在該段煙氣逆流長度不隨火源位置的變化而變化，稱為穩(wěn)定區(qū)；BC段，自臨界點B到曲線終點(火源位置150 m)C點，煙氣逆流長度隨火源距變坡點距離的增大而略有增大。這是因為：當(dāng)火源位于OA段時，下游煙氣的蔓延會受到左側(cè)隧道傾斜頂板阻礙，火源距變坡點越遠(yuǎn)，受右側(cè)隧道驅(qū)動力的影響越小，使得煙氣流速減小，煙氣逆流長度減小；當(dāng)火源位于AB段時，下游煙氣僅在左側(cè)隧道蔓延，煙氣蔓延僅受左側(cè)煙囪效應(yīng)的影響，煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的火風(fēng)壓值基本不變，故煙氣蔓延長度保持不變；當(dāng)火源位于BC段時，增大火源與變坡點的距離，受隧道端口的影響，左側(cè)煙氣層上升高度逐漸減小，左側(cè)煙氣驅(qū)動力逐漸減小，導(dǎo)致下游煙氣逆流長度略有增大。

圖8 火源下游煙氣逆流長度關(guān)于火源位置的變化曲線

由圖8可知：當(dāng)火源位于OA段時，火源下游的煙氣逆流長度受隧道兩側(cè)坡度共同影響，兩側(cè)坡度對煙氣存在競爭關(guān)系，火源距變坡點越遠(yuǎn)，右側(cè)的驅(qū)動力越小，煙氣逆流長度越??；當(dāng)火源位于AB段時，煙氣僅在隧道左側(cè)蔓延，煙氣逆流長度僅受左側(cè)隧道坡度的影響，隧道坡度越大，煙氣逆流長度越小，臨界點A距變坡點越近，AB段的范圍越大。這是因為：隧道坡度越大，煙囪效應(yīng)越明顯，煙氣的驅(qū)動力越大，煙氣的蔓延長度越小，煙氣僅在隧道左側(cè)蔓延，使得達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的火源位置點越靠近隧道變坡點，穩(wěn)定區(qū)的范圍越大。同時根據(jù)圖8火源位置與隧道坡度對煙氣逆流長度的影響情況可以發(fā)現(xiàn)：隧道坡度對煙氣逆流長度的影響更大。

4 結(jié) 論

(1)V形坡隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，隧道兩側(cè)坡度對煙氣產(chǎn)生競爭，競爭的結(jié)果是當(dāng)火源位于隧道某一側(cè)時，系統(tǒng)將以近火源側(cè)端口為煙氣排煙口，另一側(cè)為空氣補(bǔ)風(fēng)口。

(2)火源位于V形坡隧道左側(cè)時，火源上游煙氣層與隧道頂板平行，火源下游與變坡點間的煙氣層與水平地面平行，當(dāng)煙氣經(jīng)過隧道變坡點時煙氣層不再與水平地面平行。

(3)在煙氣競爭效應(yīng)的作用下，火源下游的煙氣逆流長度與火源位置的變化曲線關(guān)系可分為3個階段：當(dāng)火源位于自變坡點到第1個臨界點之間時，煙氣逆流長度隨火源距變坡點距離的增大而減小；當(dāng)火源位于2個臨界點之間時，煙氣逆流長度不隨火源位置的改變而改變；當(dāng)火源位置超過第2個臨界點后，煙氣逆流長度隨火源距變坡點距離的增大而略有增大。隨著隧道坡度的增大，煙氣逆流長度呈減小趨勢， 2個臨界點之間的范圍逐漸增大；而火源功率對煙氣的蔓延影響較小。