陳溢彬 許秦坤

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，為了緩解城市交通問題，隧道被廣泛修筑于各大城市中。隧道屬于狹長(zhǎng)受限空間，一旦發(fā)生火災(zāi)則后果非常嚴(yán)重，這類火災(zāi)的特點(diǎn)是升溫快、煙氣多，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)破壞性極大，其火災(zāi)熱釋放速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它建筑，加大了消防救援的難度。基于對(duì)該問題的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了在隧道內(nèi)安裝噴淋滅火系統(tǒng)的建議。LIU S T[1]、李開源[2]通過實(shí)驗(yàn)研究表明：在隧道內(nèi)安裝水噴淋系統(tǒng)對(duì)煙氣冷卻具有一定效果，在噴淋系統(tǒng)的作用下火災(zāi)煙氣溫度明顯降低，熱輻射能力減弱，減小了火勢(shì)蔓延及轟燃的發(fā)生概率；王依晗等[3]通過模擬實(shí)驗(yàn)研究了單噴淋系統(tǒng)對(duì)建筑通道內(nèi)煙氣溫度的影響，在單噴淋系統(tǒng)的作用下火災(zāi)煙氣溫度逐漸降低，同時(shí)也能抑制煙氣的蔓延速度；HESKESTAD G[4]研究指出,在細(xì)水霧水流率的變化過程中理論上存在一個(gè)臨界量,能夠恰好破壞穩(wěn)態(tài)燃燒的平衡,從而熄滅火焰；SUN J等[5]利用1:10模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)體隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)證明水噴霧可以阻止煙氣及熱量向下游傳播；其他學(xué)者[6-10]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同類型的噴淋系統(tǒng)能降低火源熱釋放率、隧道溫度、防止火勢(shì)蔓延擴(kuò)散等。

目前大多數(shù)研究都集中在噴淋系統(tǒng)可以降低火場(chǎng)溫度、保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)以及給人員逃生提供必要時(shí)間，而對(duì)于噴淋系統(tǒng)作用下煙氣沉降研究相對(duì)較少，因此合理開展該理論研究對(duì)現(xiàn)實(shí)具有指導(dǎo)意義。本文采用火災(zāi)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)[11]，對(duì)33種工況進(jìn)行模擬，研究不同縱向風(fēng)速作用下隧道噴淋系統(tǒng)對(duì)溫度分布以及煙氣分層現(xiàn)象的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)研究需要建立長(zhǎng)為100 m，寬為5 m，高為5 m水平隧道模型，火源位置位于隧道中間，火源面積為4 m2。一般來說隧道火災(zāi)的消防系統(tǒng)也是針對(duì)中型火災(zāi)而設(shè)計(jì)[12]，因此火源功率選取2 000 KW。在隧道內(nèi)距離火源8 m間隔處設(shè)置一串熱電偶作為溫度測(cè)點(diǎn)，最高測(cè)點(diǎn)為隧道頂部5 m處，最低測(cè)點(diǎn)為隧道底部0 m位置，測(cè)點(diǎn)豎向間隔為0.5 m。噴淋型號(hào)選用K-25型噴頭，噴淋射流類型為橢圓，噴射錐角范圍為89°～180°，流量為80 L/min，噴淋工作壓力為0.13 MPa，噴頭的動(dòng)作溫度為74 ℃。依據(jù)火災(zāi)特征直徑(Characteristic fire diameter)公式[11]將網(wǎng)格劃分為0.25 m×0.25 m×0.25 m。臨界風(fēng)速是研究煙氣運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)。為了更好的研究臨界風(fēng)速下火源下風(fēng)向的煙氣熱分層情況，本文采用Heselden&Kennedy公式[13-14]計(jì)算臨界風(fēng)速，求得臨界風(fēng)速為V=2.3 m/s。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯吭诳v向風(fēng)條件的作用下噴淋數(shù)量以及噴淋設(shè)置位置變化對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，主要通過層化曲線以及層化強(qiáng)度變化來表示火場(chǎng)煙氣的運(yùn)動(dòng)情況。層化曲線以及層化強(qiáng)度是許秦坤[15]在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上提出的概念，層化曲線定義為隧道內(nèi)某位置所對(duì)應(yīng)的無量綱化溫度豎向分布曲線，層化曲線的變化可以反映出煙氣層的變化趨勢(shì)。

火災(zāi)特征直徑：

(1)

式中，D*為火災(zāi)特征直徑，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Q為火源熱釋放速率，取2 000 kW；ρ0為空氣密度，取1.165 kg/m3；Cp為定壓比熱容，取1.005 kJ/(kg·K)；T0為環(huán)境空氣溫度，取303 K。

臨界風(fēng)速計(jì)算公式：

(2)

(3)

式中，vc為臨界風(fēng)速，m/s；kg為坡度修正系數(shù)，平坡和上坡取1.0，下坡取1+0.037 4ε0.8(ε為隧道坡度對(duì)應(yīng)的正切值)；k為無量綱系數(shù)，取0.61；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Q為火源熱釋放速率，取2 000 kW；H為隧道截面凈高，取5 m；ρ0為空氣密度，取1.165 kg/m3；Cp為定壓比熱容，取1.005 kJ/(kg·K)；A為隧道通風(fēng)面積，取25 m2；Tf為煙氣溫度，K；T0為環(huán)境空氣溫度，取303 K。

計(jì)算層化強(qiáng)度(Stratification intensity)，公式如下：

(4)

隧道模型如圖1所示。

(a)隧道示意

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M了33種工況，如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)工況匯總

2 結(jié)果與分析

2.1 火場(chǎng)溫度

根據(jù)所布置的測(cè)點(diǎn)繪制隧道溫度動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖(圖2)。通過選取隧道不同位置測(cè)點(diǎn)的平均溫度來描繪整個(gè)火場(chǎng)溫度分布情況。如圖2(a)，在自然通風(fēng)情況下(V=0 m/s)隧道內(nèi)溫度曲線呈,正態(tài)分布，由火源中心向兩端遞減，兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置上的溫度分布比較對(duì)稱。在無噴淋工況下，當(dāng)風(fēng)速為V=1.3 m/s時(shí)，其隧道頂棚下方最高溫度接近600 ℃。隨著隧道縱向風(fēng)速的加大，火羽流角度發(fā)生了偏移，導(dǎo)致最高溫度點(diǎn)向左偏移。風(fēng)速能帶走隧道內(nèi)的熱量，這是因?yàn)轱L(fēng)速大的時(shí)候熱空氣與冷空氣交換劇烈，冷空氣帶來的冷卻作用較大，煙氣運(yùn)動(dòng)過程中通過隧道壁傳遞熱量，導(dǎo)致煙氣熱量散失快。風(fēng)速加大的同時(shí)最高溫度也開始下降，當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速(V=2.3 m/s)和超過臨界風(fēng)速(V=2.5 m/s)時(shí)，隧道上游維持環(huán)境溫度20 ℃，說明風(fēng)速越大越能限制煙氣逆流，使上游不受高溫?zé)煔獾挠绊憽？芍簣D2(b)由隧道內(nèi)溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在V=0.8 m/s工況，溫度接近470 ℃，在水噴淋的作用下整個(gè)工況溫度都要低于圖2(a)無噴淋工況，噴淋對(duì)隧道的冷卻作用明顯，熱煙氣在風(fēng)速與噴淋系統(tǒng)共同作用下快速降溫，水顆粒吸收了大量煙氣溫度，風(fēng)速又加速了高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)，大大降低了隧道內(nèi)的溫度也為火場(chǎng)逃生提供了有利條件。圖2(c)顯示除了自然通風(fēng)情況下，其他工況溫度場(chǎng)基本與圖2(b)維持一致。而自然通風(fēng)情況下由于水顆粒與上升煙氣之間會(huì)產(chǎn)生拖拽作用，沒有風(fēng)速的熱交換高溫?zé)釤煔獠灰着抛邔?dǎo)致隧道煙氣積聚造成溫度上升。值得注意的是圖2(b)中噴淋位于隧道中間即火源上方附近，圖2(c)中噴淋位于隧道兩側(cè)，因此自然通風(fēng)情況下出現(xiàn)2種不同的溫度變化。由上述分析和圖2(d)可以看出：無論是單噴淋還是雙噴淋工況火場(chǎng)溫度都比無噴淋的低，說明噴淋系統(tǒng)降溫效果明顯。單噴淋與雙噴淋的溫度交界點(diǎn)為風(fēng)速V=1 m/s時(shí)，在風(fēng)速低于該交界點(diǎn)時(shí)雙噴淋系統(tǒng)的降溫效果最佳，風(fēng)速超過該交界點(diǎn)時(shí)單噴淋系統(tǒng)的降溫效果要高于雙噴淋。

(a)無噴淋

2.2 煙氣分層情況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化，橫坐標(biāo)表示無量綱豎向高度，縱坐標(biāo)表示無量綱溫度。圖中無量綱溫度值T/Taver=1的水平虛線代表平均溫度標(biāo)尺線，表示在這一高度測(cè)點(diǎn)的溫度為平均溫度，在一定情況下可以將無量綱溫度值等于1所對(duì)應(yīng)的高度作為煙氣層高度的判斷依據(jù)[15]。本文根據(jù)實(shí)際燃燒情況,選取火源燃燒相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段(150～250 s)來進(jìn)行分析，如圖3所示。

(a)V=0 m/s

由圖3(a)—圖3(c)可以看出：3種工況層化曲線最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在無量綱高度等于1處。由于風(fēng)速較小，火羽流偏移角度不大，在熱輻射作用下導(dǎo)致了隧道頂棚溫度最高。3種工況層化曲線在無量綱高度為0.7處出現(xiàn)交叉且交點(diǎn)都是位于T/Taver=1平均溫度標(biāo)尺線以上，此時(shí)熱煙氣與冷空氣發(fā)生了交匯并不斷達(dá)到無量綱溫度的極值點(diǎn)，煙氣層出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

由圖3(d)可以看出：?jiǎn)螄娏芄r層化強(qiáng)度Is開始下降(層化強(qiáng)度為隧道頂部最高點(diǎn)與隧道底部最低點(diǎn)的無量綱溫度之差，見公式(4))，說明煙氣熱分層不穩(wěn)定。無量綱高度0.6以下測(cè)點(diǎn)溫度相比其它工況(風(fēng)速V≤0.8 m/s)出現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樵趪娏芩w粒的作用下，高溫使得水顆粒霧化，行成霧化防煙幕對(duì)熱煙氣有一定的抑制作用，同時(shí)水顆粒在重力作用下會(huì)對(duì)熱煙氣有一定的拖拽作用，導(dǎo)致熱煙氣下降，使得隧道底部溫度上升。

圖3(e)—圖3(i)中，隨著風(fēng)速增大，無噴淋和單噴淋工況層化曲線出現(xiàn)了很明顯的變化，呈先上升后下降的趨勢(shì)，原因在于風(fēng)速增大的同時(shí)，火羽流角度發(fā)生傾斜，在縱向風(fēng)的作用下上游煙氣向下游運(yùn)動(dòng)，縱向風(fēng)速改變了煙氣溫度最高點(diǎn)的位置，隧道頂部溫度開始下降，底部由于風(fēng)力對(duì)煙氣的驅(qū)動(dòng)作用使煙氣層高度下降，底部開始升溫，從而造成層化曲線。上層曲線開始下降，而下層曲線上升(位于T/Taver=1線上的為上層曲線，位于該線下的為下層曲線)，出現(xiàn)類似順時(shí)針變化現(xiàn)象，熱煙氣與冷空氣之間的流態(tài)遭到破壞，使其層化強(qiáng)度下降，混亂的煙氣充滿整個(gè)隧道，對(duì)煙氣分層造成很大的影響。

圖3(f)—圖3(i)中，在無量綱高度為0.3的位置處，無噴淋和單噴淋的層化曲線開始與平均溫度標(biāo)尺線T/Taver=1出現(xiàn)交叉并隨著風(fēng)速的增大而逐漸超過，并有上升的趨勢(shì)。說明隧道底部溫度高，煙氣層下降嚴(yán)重，風(fēng)速使熱煙氣流動(dòng)變快，熱煙氣不斷的卷吸下層空氣進(jìn)行熱量交換，形成更多的煙氣量，造成下層溫度上升。

圖3(a)—圖3(d)中，雙噴淋工況在該區(qū)段無量綱高度(≤0.4)對(duì)應(yīng)實(shí)際隧道2 m以下位置基本平行于x軸，呈現(xiàn)水平分布，說明此時(shí)溫度為常溫(環(huán)境溫度)，溫度較低不受煙氣熱輻射影響，說明煙氣分層明顯。但是隨著風(fēng)速增大，圖3(f)—圖3(i)中曲線開始緩慢上升，說明隧道底部開始升溫，煙氣層有下降趨勢(shì)，但是基本還是能維持一定的分層現(xiàn)象，為了更好的說明該現(xiàn)象特將其層化曲線繪制于圖4，層化曲線在無量綱高度為0.6處發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此高度為熱煙氣與冷空氣的交界面。無量綱高度在0.6～0.9位置，低風(fēng)速(1.3 m/s

圖4 雙噴淋工況不同風(fēng)速層化曲線

當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速(V=2.3 m/s)和超過臨界風(fēng)速(V=2.5 m/s)時(shí)，煙氣與空氣充分混合，煙氣沿著縱向氣流向隧道下游擴(kuò)散，熱煙氣與冷空氣交界面下降，3種工況均出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，此時(shí)雖然能保證火源上游沒有煙氣回流，但是對(duì)下游的影響卻加大，下游煙氣分層極不穩(wěn)定，甚至無明顯的分層現(xiàn)象，煙氣在短時(shí)間內(nèi)沉降并向下游方向擴(kuò)散，導(dǎo)致下風(fēng)向可視度下降，這將對(duì)下游人員逃生帶來一定的影響。

圖5為3種工況在不同風(fēng)速下的層化強(qiáng)度對(duì)比，層化強(qiáng)度隨著風(fēng)速的加大逐漸減小，并在風(fēng)速V=2.5 m/s時(shí)，層化強(qiáng)度基本趨于一致。造成這種現(xiàn)象的原因是縱向風(fēng)速和噴淋系統(tǒng)使隧道內(nèi)頂部與底部溫度趨于一致，2者無量綱溫度差縮小，其溫度分布曲線的層化強(qiáng)度也隨之減小?？傮w來說雙噴淋系統(tǒng)下層化強(qiáng)度要高于其它2種，在風(fēng)速V≤0.5 m/s時(shí)3者層化強(qiáng)度相差不大，當(dāng)風(fēng)速V≥0.8 m/s時(shí)雙噴淋層化強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大與其他2種。隨著縱向風(fēng)速的增大(0 m/s

圖5 3種工況層化強(qiáng)度隨風(fēng)速變化曲線

3 結(jié)論

層化強(qiáng)度越大，煙氣分層就越明顯，因此層化強(qiáng)度可以很好的描繪整個(gè)火場(chǎng)的特征。通過研究不同縱向風(fēng)速下噴淋系統(tǒng)對(duì)層化曲線與層化強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論:

(1)縱向風(fēng)速是影響煙氣層穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，風(fēng)速越大，對(duì)層化曲線的影響越大。當(dāng)風(fēng)速較低(0 m/s

(2)隨著風(fēng)速增大，煙氣層和空氣層充分混合，呈現(xiàn)出單一混合流動(dòng)，使得層化強(qiáng)度逐漸降低，雙噴淋層化強(qiáng)度降幅最少，在臨界風(fēng)速內(nèi)還能維持很好的分層情況，說明隧道內(nèi)加裝噴淋系統(tǒng)是可行的。

(3)噴淋系統(tǒng)給隧道帶來的降溫效果非常明顯，2種噴淋工況的溫度交界點(diǎn)為風(fēng)速V=1 m/s。在風(fēng)速V<1 m/s時(shí)，雙噴淋模式的降溫效果最佳；風(fēng)速V>1 m/s時(shí)，單噴淋模式的降溫效果要高于雙噴淋，但總體來說單噴淋模式由于位置特殊(位于火源上方附近)在某個(gè)風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)(如V=0 m/s)降溫效果要稍微好于雙噴淋工況，但在其它的風(fēng)速段內(nèi)優(yōu)勢(shì)卻不明顯。

(4)通過平均溫度變化曲線可以看出除了自然通風(fēng)外(V=0 m/s)，其它工況(0 m/s