李智勝，蔣浩鍇，高云驥，靳開顏，張玉春，李 濤

(西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著經濟的快速發(fā)展及社會需求的不斷增加，我國城市基礎建設規(guī)模逐年增大。截止到2019年底，我國公路隧道19 067處，全長1 896.66萬m[1]。然而，由于隧道結構的狹長性及密閉性限制滅火和救援的機動性，且隧道火災可能產生高溫和有毒有害氣體，嚴重威脅著隧道結構及人員生命安全。因此，近年來隧道火災煙氣流動特性備受國內外學者關注。

研究隧道頂棚溫度分布規(guī)律作為研究煙氣流動特性的重要手段已被廣泛應用。頂棚最大溫度是隧道火災研究中的重要內容之一，有關研究表明大規(guī)模隧道火災可能導致頂棚溫度超過1 350 ℃[2]。Alpert[3]基于大尺寸非受限室內火災實驗，提出頂棚射流最大煙氣溫升預測模型，然而該模型僅適用于火源與側壁間距大于1.8倍頂棚高度的火災場景；Kurioka等[4]建立縱向通風條件下最大煙氣溫升經驗模型，然而該模型不適用于風速趨近于0的條件；Li等[5]根據(jù)能量守恒及火羽流理論，提出頂棚下最大煙氣溫升預測模型，該模型準確性已被眾多學者所證實?？v向溫度分布是隧道火災中另一重要研究內容，其可反映頂棚下方煙氣的流動特性。Delichatsios[6]以豎直頂梁結構火災為研究對象，提出頂棚下煙氣溫度縱向衰減經驗模型。近年來，Hu等[7]基于全尺寸實驗及理論分析，建立隧道火災煙氣單指數(shù)溫度縱向衰減預測模型；Gong等[8]通過考慮熱平衡方程，提出雙指數(shù)溫度縱向衰減預測模型。上述文獻針對隧道火災頂棚溫度進行大量研究，然而大多假設的火災場景發(fā)生在單洞隧道內。因此針對單洞隧道火災煙氣流動特性研究較多，然而關于分岔隧道火災的報道較少[9-14]，Huang等[9]基于1∶20縮尺模型，通過考慮岔道角度對頂棚溫度的影響，提出1個頂棚下最大煙氣溫升預測模型；Chen等[10]分析縱向通風對有無岔道工況下煙氣流動特性的分布規(guī)律，結果表明岔道的存在對縱向溫度的分布具有一定的影響。但上述研究大多假設火源發(fā)生在隧道中心位置。事實上，隧道火災具有較大的隨機性，可能發(fā)生在隧道內的任何位置[12]。

鑒于此，本文通過設置不同火災場景，模擬火源位置及熱釋放速率對分岔隧道內煙氣流動特性的影響規(guī)律，以期為隧道火災研究提供數(shù)據(jù)支撐及指導建議。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 比尺模型

比尺模型仿真實驗在隧道火災研究中已成為1種重要的研究方法，該方法優(yōu)勢在于可降低實驗經濟成本，同時可針對模型進行有效預測。其中弗魯?shù)鲁叽鐪蕜t能夠對煙氣的流動特性進行較好的預測，且文獻[8-9]的研究也證實弗魯?shù)碌臏蚀_性。因此本次仿真實驗在1∶10縮尺分岔矩形頂棚隧道模型中進行。比尺模型與實際模型的關系可用式(1)～(4)表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Tm為模型中的溫度，K；Qm為模型中的熱釋放速率，kW；tm為模型中的燃燒時間，s；Tf為全尺寸中的溫度，K；Qf為全尺寸中的熱釋放速率，kW；tf為全尺寸中的燃燒時間，s；Fr為弗魯?shù)聰?shù)；V為縱向風速，m/s；g為重力加速度，m/s2，取值9.8 m/s2；H為隧道有效高度，m。

1.2 模型設置

以分岔隧道火災為研究對象建立物理模型，其中主隧道長10 m，寬1 m，高0.6 m，岔道長度為5 m，岔道與主隧道水平夾角為45°，模型設置及熱電偶布置如圖1所示。

圖1 分岔隧道結構示意

采用FDS軟件進行仿真實驗，網格大小為0.025 m，網格數(shù)量共計777 600個，其設置依據(jù)如式(5)～(6)所示[15]：

(5)

(6)

式中：Q為熱釋放速率，kW；D*為火源當量直徑，m；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為比熱容，J /(kg·℃)；T0為溫度，℃；δx為網格尺寸大小；g為重力加速度。

為研究分岔隧道火源位置對煙氣流動特性的影響，本文仿真實驗在自然通風條件下進行，選取3個火源位置，分別布置在主隧道、分岔口及岔道內(如圖1所示)?；鹪幢砻嬖O置為burner，燃燒表面大小為0.2 m×0.2 m，熱釋放速率分別設置為7.9，15.9，23.9，31.9，39.9 kW。

2 結果與討論

2.1 最大頂棚溫度

為驗證FDS在分岔隧道模擬煙氣流動的有效性，選取2組實驗工況進行對比，如圖2所示。由圖2可知，模擬值略高于實驗值，但最大誤差低于10%，因此此次仿真獲取的煙氣溫度數(shù)據(jù)較為準確。不同火源位置下熱釋放速率對隧道頂棚最大溫度的分布規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，自然通風條件下3個火源位置對隧道頂棚最大溫度影響較小，最大溫差約為34 ℃。

圖2 實驗測試與模擬對比

圖3 最大頂棚溫度

2.2 岔道縱向溫度分布規(guī)律

不同火源功率下火源位置對岔道內溫度分布的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，火源上游一側的溫度明顯低于下游一側的溫度，表明煙氣傾向于岔道出口方向運移，同時也說明沿岔道縱向溫度衰減速率存在一定的差異。此外，溫度越高其衰減速率越快，且隨著距離火源距離的增加，二者之間的差異逐漸減小，在距火源遠處的區(qū)域內，溫度分布差異較低，表明煙氣流進入一維擴散階段。

圖4 岔道頂棚溫度分布

選取火源下游側0.5 m遠處為參考點，對比不同火源位置下岔道頂棚溫度分布規(guī)律，如圖5所示。由圖5可知，隨著燃燒器遠離岔道，其頂棚下最大溫度明顯降低，最大差值約為110 ℃。由此可見火源位置對分岔隧道縱向溫度分布具有重要的影響，因此，有必要對岔道內溫度縱向衰減系數(shù)進行修正。

圖5 不同火源位置岔道頂棚溫度對比

分別采用Hu等[7]和Gong等[8]提出的溫度縱向衰減預測模型對岔道內頂棚下無量綱溫升與縱向距離的關系進行擬合，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)Gong等[8]的雙指數(shù)預測模型顯然更適合此次的模擬效果，且其相應的R2值分別為0.98，0.98和0.97，高于采用Hu等[7]的單指數(shù)模型擬合結果(R2值為0.89，0.92和0.92)。原因在于Hu等[7]忽略了空氣橫向卷吸對溫度的影響。因此，后面的擬合公式將采用Gong提出的預測關系式。

圖6 無量綱岔道頂棚溫升

2.3 主隧道縱向溫度分布規(guī)律

不同火源位置下主隧道上下游溫度的對比情況如圖7所示。由圖7可知，火源位置位于主隧道及分岔口，距參考點距離D<1 m時，沿著隧道頂棚縱向的上游溫度均大于下游溫度，而D>1 m時，下游溫度逐漸反超；隨著煙氣轉變?yōu)橐痪S蔓延模式時，這種差距逐漸降低。而當火源位置位于岔道時，D為3.75 m時，下游溫度才逐漸反超上游溫度，原因在于不同位置下分岔隧道結構對煙氣的流動影響。由此可以看出，火源位置對縱向溫度的衰減具有一定的影響。因此，需要對岔道內頂棚下溫度衰減系數(shù)進行修正。

圖7 主隧道頂棚溫度縱向分布

為進一步了解分岔隧道上下游的煙氣流動特性，需要對頂棚溫度進行無量綱分析。Gong等[8]通過分析煙氣的縱向蔓延流動特性，提出單洞隧道下雙指數(shù)溫升理論預測模型，其表達式如(7)所示：

(7)

式中：T0是環(huán)境溫度，℃；ΔTx是距參考點x米處的溫升，℃；w是隧道寬度，m；A，B，c，d是經驗系數(shù)。

由于岔道的存在造成主隧道內上下游空氣卷吸不對稱，故導致其衰減速率有所不同。主隧道上下游無量綱溫升與縱向距離的擬合關系如圖8所示。以圖8(c)為例，火源在岔道時，距離參考點0.5 m時，部分下游頂棚溫度開始“反超”，隨著煙氣蔓延至3.25 m(距火源3.75 m)以上時，下游溫度基本完全“反超”。這種情況與圖7中變化規(guī)律較為一致。

圖8 主隧道無量綱頂棚溫升

3 結論

1)通過實驗對比驗證FDS模擬分岔隧道火災煙氣流動的準確性，其最大誤差低于10%。

2)火源位置對火源上方最大溫度影響較小，最大溫差為34 ℃，然而火源位置對火源附近溫度影響較大，其中距火源0.5 m處最大溫差約為110 ℃。通過對比Gong等和Hu等提出的頂棚下溫度縱向衰減預測模型擬合效果，發(fā)現(xiàn)Gong等提出的雙指數(shù)模型準確性更高。

3)火源位置對煙氣在主隧道流動過程具有一定的影響。通過對比主隧道內上下游溫度的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同程度的“反超現(xiàn)象”?；鹪次恢迷谥魉淼兰安淼揽跁r，距離火源1 m后基本全部出現(xiàn)“反超現(xiàn)象”，而對于火源位置在岔道時，“反超現(xiàn)象”出現(xiàn)在距火源約3.75 m處。