王亞瓊，李培軍，任 銳，李 勇，宋 曉

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，我國平均新增公路隧道1 100 km/年，2019年全國公路隧道共增加了1 329處、1 730.5 km[1-2]；特別是長大公路隧道的增長尤為突出。長大隧道空間狹長，半封閉的結(jié)構(gòu)不利于人員逃生[3]，且隧道的防災(zāi)救援是一個(gè)多因素的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題[4]。隨著隧道里程的增長和數(shù)量的增多、公民安全意識(shí)的不斷提高，隧道運(yùn)營安全與防災(zāi)救援日漸得到學(xué)界的重視。

細(xì)水霧作為一種有效的滅火手段，在隧道及城市地鐵火災(zāi)中被廣泛應(yīng)用[5-6]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)細(xì)水霧在隧道滅火中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。陳新文等[7]在云南省芹菜塘1號(hào)隧道內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了細(xì)水霧的降溫效果，結(jié)果表明：在通風(fēng)良好的情況下，開啟低壓細(xì)水霧后可有效降低隧道內(nèi)的環(huán)境溫度及火源周圍的CO濃度；李浩等[8]通過試驗(yàn)得出：當(dāng)發(fā)生20 MW火災(zāi)時(shí)，在細(xì)水霧作用下，能保證火災(zāi)救援、人員逃生和隧道結(jié)構(gòu)不受影響；LI Qi等[9]在1:3的隧道模型中進(jìn)行了試驗(yàn)，基于火源強(qiáng)度、噴嘴數(shù)量、水壓力及縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)細(xì)水霧封堵火災(zāi)煙氣擴(kuò)散和熱量傳播效果的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：火源強(qiáng)度越大、噴嘴數(shù)量越多、水壓力越大，封堵效果越好；王潔等[10]使用FDS軟件研究了基于不同霧化角的隧道火災(zāi)最高煙氣溫度和縱向溫度分布規(guī)律，結(jié)果表明：最高煙氣溫度隨著霧化角的增大而變高；張玉春等[11]采用1：10模型試驗(yàn)得出：細(xì)水霧能有效降低發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道上部空間溫度，但對(duì)下部較低溫度作用有限；LIANG Qiang等[12]提出了一種同時(shí)控制細(xì)水霧幕和橫向通風(fēng)的系統(tǒng)裝置，通過細(xì)水霧幕來抑制煙氣擴(kuò)散，有助于橫向通風(fēng)系統(tǒng)的排煙過程，并能為人員逃生提供一個(gè)安全空間；YANG Peizhong等[13]對(duì)盾構(gòu)施工隧道中的水幕系統(tǒng)進(jìn)行了研究，討論了不同水幕條件下的不同斷面溫度、煙塵濃度和可見度，發(fā)現(xiàn)水幕能阻止部分煙氣向外擴(kuò)散，并能明顯冷卻煙氣；YANG Yongbin等[14]研究了細(xì)水霧粒徑對(duì)縱向通風(fēng)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的溫度、厚度及CO濃度的影響，結(jié)果表明：粒徑對(duì)煙層厚度和溫度分布影響較大，但對(duì)CO濃度影響較小。

關(guān)于縱向通風(fēng)的研究，彭偉等[15]在某省公路隧道內(nèi)進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)模擬試驗(yàn)，對(duì)不同縱向風(fēng)速下火源上方典型位置的煙氣溫度值進(jìn)行了測(cè)量和分析，結(jié)果表明：試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)非常吻合，可用于今后的工程計(jì)算中；曹正卯等[16]在羊鹿山隧道進(jìn)行了全射流縱向排煙試驗(yàn)，證明了全射流縱向排煙在該隧道中的可行性；陽東等[17]研究了縱向通風(fēng)對(duì)通道火災(zāi)熱分層和煙顆粒分層特性的影響，得到了當(dāng)出現(xiàn)K-H流動(dòng)不穩(wěn)定和熱分層不穩(wěn)定時(shí)的臨界條件；徐琳等[18]利用CFD技術(shù)研究了環(huán)境溫度、火災(zāi)熱釋放強(qiáng)度、斷面形狀對(duì)臨界風(fēng)速影響，發(fā)現(xiàn)Kennedy公式并不適用于大型火災(zāi)的臨界風(fēng)速計(jì)算；TAO Haowen等[19]提出了縱向通風(fēng)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流上升時(shí)間的預(yù)測(cè)公式；TANG Fei等[20]研究了洞頂集中機(jī)械排煙與縱向通風(fēng)耦合作用下隧道臨界速度的演變特征，結(jié)果表明：隨著機(jī)械排煙流量增加，臨界風(fēng)速變??；LI Liming等[21]利用前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論推導(dǎo)，得出火災(zāi)放熱率與縱向空氣體積流量及火源質(zhì)量損失率的關(guān)系。

學(xué)者們主要是針對(duì)細(xì)水霧或縱向通風(fēng)進(jìn)行了研究，但對(duì)細(xì)水霧和縱向通風(fēng)耦合的分析尚不深入。作為一種降溫控?zé)煹挠辛κ侄?，?xì)水霧因其用水量少、無實(shí)體水流等優(yōu)點(diǎn)而在隧道及地下工程中被廣泛應(yīng)用；縱向通風(fēng)是目前應(yīng)用最多的通風(fēng)方式，因此對(duì)細(xì)水霧和縱向通風(fēng)耦合作用的研究顯得非常有必要。筆者以云南省某隧道工程為依托，基于細(xì)水霧和縱向通風(fēng)的耦合作用對(duì)隧道火災(zāi)影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 模型建立

1.1 FDS計(jì)算原理

綜合考慮計(jì)算成本和計(jì)算精度，F(xiàn)DS數(shù)值模擬一般采用大渦模擬；大渦模擬過程中需要引入相應(yīng)的湍流模型，其基本思想是通過某種濾波函數(shù)將流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分成大尺度運(yùn)動(dòng)和小尺度運(yùn)動(dòng)，對(duì)于大尺度量直接解N-S方程，對(duì)小尺度量則通過建立亞格子應(yīng)力模型進(jìn)行模擬[22]。

1)質(zhì)量守恒方程如式(1)：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；u為速度矢量，m/s。

2)動(dòng)量守恒方程如式(2)：

(2)

式中：p為內(nèi)部壓力，Pa；f為外部壓力，N；τij為燃料黏性，Pa·s。

3)能量守恒方程如式(3)：

(3)

式中：h為燃燒組分的焓值，kJ/kg；q?為燃料熱釋放率，kW/m3；q為輻射熱量，kW/m2；φ為燃料耗散率，kW/m3。

4)組分方程如式(4)：

(4)

式中：Yi為燃料的第i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為燃料的第i組分的擴(kuò)散分?jǐn)?shù)，m2/s；m″為單位體積生成率，kg/(m3·s)。

在細(xì)水霧作用下，細(xì)水霧液滴與煙氣顆粒相互作用，發(fā)生吸熱、凝聚、沉降等物理反應(yīng)[23-24]。

5)液滴運(yùn)動(dòng)方程如式(5)：

(5)

式中：FD為拖拽力產(chǎn)生的加速度分量系數(shù)，1/s；gr為重力加速度，m/s2；ρd、ρ分別為液滴密度、煙氣密度，kg/m3；vd、v分別為液滴速度、煙氣速度，m/s。

FD可由式(6)計(jì)算：

(6)

式中：d為液滴粒徑；CD為阻尼系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

6)液滴質(zhì)量與能量方程如式(7)、式(8)：

(7)

(8)

1.2 參數(shù)設(shè)置

1.2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

模擬隧道模型長度為150 m，寬和高分別為11、7.1 m。對(duì)于網(wǎng)格劃分，D*/δx值應(yīng)在4～16之間，其中：D*表示火源特征尺寸；δx表示網(wǎng)格單元大小。FDS用戶指導(dǎo)手冊(cè)中給出的火源特征尺寸D*[25]的計(jì)算如式(9)：

(9)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

經(jīng)計(jì)算可知，D*=3.175，δx=0.198～0.794 m。綜合考慮計(jì)算結(jié)果精度，筆者采用火源局部網(wǎng)格加密方式，取火源附近網(wǎng)格為(0.3×0.3×0.3)m；距離火源較遠(yuǎn)處網(wǎng)格為(0.6×0.6×0.6)m，如圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分示意Fig. 1 Grid division diagram

為保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，分別選取0.5、0.4、0.3、0.2 m網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，如圖2。

圖2 不同位置的溫度對(duì)比Fig. 2 Temperature comparison at different locations

由圖2可知：0.2、 0.3 m處網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果十分接近，故采用0.3 m網(wǎng)格進(jìn)行火源附近溫度計(jì)算。

1.2.2 工況設(shè)置

隧道內(nèi)空間狹小，可燃物通常會(huì)發(fā)生不充分燃燒，產(chǎn)生大量有毒有害氣體和不完全燃燒產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物會(huì)與氣流發(fā)生復(fù)雜的相互作用而產(chǎn)生紊流，在細(xì)水霧和縱向風(fēng)共同作用下，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣流動(dòng)發(fā)生巨大改變。為研究細(xì)水霧和不同風(fēng)速耦合作用下煙霧蔓延與溫度變化情況，設(shè)置工況如表1。

表1 工況設(shè)置Table 1 Working condition setting

1.2.3 火源與輻射模型

1)火源設(shè)計(jì)

火源模型分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)。為更好地模擬隧道火災(zāi)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，筆者采用非穩(wěn)態(tài)火源模型(圖1)?；鹪次恢梦挥诰W(wǎng)格加密段的中間位置且位于隧道中心線上，火源采用FDS反應(yīng)庫中的聚氨酯燃燒，為更好地模擬火災(zāi)熱釋放率變化[26]，火源熱釋放率如圖3。

圖3 火源熱釋放率Fig. 3 Heat release rate of fire source

2)輻射模型

輻射模型采用點(diǎn)源輻射模型[27]，如式(10)：

(10)

式中：χr為輻射分?jǐn)?shù)，χr=0.12～0.16；r為與火源的距離，m。

1.2.4 細(xì)水霧噴頭參數(shù)設(shè)計(jì)及布置

隧道內(nèi)噴頭布置如圖4。根據(jù)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[28]，在隧道中心線上方布置一排噴頭，間距為4 m；噴頭流量為10 L/min，液滴粒徑200 μm。

圖4 縱斷面噴頭布置(單位：m)Fig. 4 Nozzle arrangement on vertical section

1.2.5 邊界條件與測(cè)點(diǎn)布置

1)邊界條件

設(shè)置初始環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，初始環(huán)境溫度為298 K，隧道出口設(shè)置為自由邊界，即煙氣可自由地出入計(jì)算區(qū)域。為更好地模擬火災(zāi)作用下襯砌的換熱，設(shè)置混凝土襯砌厚度為0.5 m，傳導(dǎo)率為1.8 W/(m·K)；比熱容為1.04 kJ/(kg·K)；密度為2 280 kg/m3。

2)測(cè)點(diǎn)布置

為了檢測(cè)環(huán)境中溫度及可見度變化，在數(shù)值模型中設(shè)置了溫度測(cè)點(diǎn)、溫度測(cè)面和可見度測(cè)面，如圖5。在隧道中心線上設(shè)置了5組溫度測(cè)點(diǎn)，分別在火源上方和兩側(cè)，每組測(cè)點(diǎn)間距10 m，每組4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別距離地面1.5、 4、 6、 7 m。

1.3 模型驗(yàn)證

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，筆者使用K型鎧裝熱電偶用于現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)測(cè)試。設(shè)置縱向風(fēng)速為2 m/s，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。隧道內(nèi)火源上方7 m處的溫度對(duì)比如圖6。由圖6可知：隧道內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)和溫度值較為接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖6 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparison of simulation results and experimental results

2 結(jié)果分析

2.1 溫度變化

2.1.1 火源上方溫度變化

圖7為不同風(fēng)速時(shí)火源上方的溫度變化曲線。由圖7可知：無論是否開啟無細(xì)水霧，風(fēng)速的加快使得火源上方最高溫度大幅下降；細(xì)水霧開啟后，由于縱向風(fēng)的存在，加強(qiáng)了細(xì)水霧對(duì)火源上方不同位置處的降溫效果。

圖7 不同風(fēng)速時(shí)火源上方溫度變化情況Fig. 7 Temperature changes above the fire source at different wind speeds

無細(xì)水霧時(shí)，火源上方最高溫度隨風(fēng)速加快而降低；風(fēng)速為3 m/s時(shí)，隨著火勢(shì)的變化，火源上方6 m處的溫度逐漸高于1.5、 4 m處的溫度，之后再逐漸降低，這說明隧道頂部煙氣在回流到火源上方后又被吹向下游。

有細(xì)水霧時(shí)，不同風(fēng)速下細(xì)水霧降溫效果存在差別。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時(shí)，細(xì)水霧對(duì)火源上方溫度降低效果不明顯，但開啟細(xì)水霧后溫度波動(dòng)變大；當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，隨著火勢(shì)的變化，火源上方1.5 m處的溫度逐漸高于6 m處的，細(xì)水霧對(duì)1.5 m處降溫效果最為明顯；當(dāng)風(fēng)速為2、3 m/s時(shí)，細(xì)水霧對(duì)火源上方6 m處降溫效果較好。

2.1.2 火源下游5 m處溫度變化

圖8為不同風(fēng)速下火源下游5 m處溫度變化曲線。由圖8可知：當(dāng)開啟細(xì)水霧后，不同風(fēng)速下的溫度相對(duì)無細(xì)水霧情況出現(xiàn)明顯降低，但不同風(fēng)速下開啟細(xì)水霧后的效果存在著一定差別。當(dāng)風(fēng)速為0、 3 m/s時(shí)，開啟細(xì)水霧時(shí)的溫度即為最高溫度或與最高溫度接近；當(dāng)風(fēng)速為1、 2 m/s時(shí)，溫度先小幅降低再大幅升高。

圖8 不同縱向風(fēng)速下火源下游5 m處溫度變化Fig. 8 Temperature changes at 5 m downstream of fire source under different longitudinal wind speeds

無細(xì)水霧時(shí)，該處不同高度位置的溫度基本呈現(xiàn)出隨風(fēng)速加快而升高的趨勢(shì)，但不同風(fēng)速下的情況有所區(qū)別。當(dāng)風(fēng)速不大于2 m/s時(shí)，斷面上溫度呈現(xiàn)出測(cè)點(diǎn)越高溫度越高的趨勢(shì)；當(dāng)風(fēng)速增長至3 m/s時(shí)，4 m處的溫度升至最高。

有細(xì)水霧時(shí)，隨著風(fēng)速加快，該處溫度總體呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，6 m處的溫度低于無細(xì)水霧時(shí)，但1.5、 4 m處的溫度高于無細(xì)水霧的情況。值得注意的是，無論有無細(xì)水霧，縱向風(fēng)的存在會(huì)導(dǎo)致溫度波動(dòng)變大。

2.1.3 火源下游10 m處溫度變化

圖9為不同風(fēng)速下火源下游10 m處溫度變化曲線。由圖9可知：開啟細(xì)水霧后，溫度短暫下降而后出現(xiàn)小幅波動(dòng)升高，但不同風(fēng)速下的總體溫度相對(duì)無細(xì)水霧情況出現(xiàn)明顯降低。

圖9 不同縱向風(fēng)速下火源下游10 m處溫度變化Fig. 9 Temperature changes at 10m downstream of fire source under different longitudinal wind speeds

無細(xì)水霧時(shí)，6 m處的溫度隨著風(fēng)速的加快而降低； 4 m處的溫度隨風(fēng)速加快先升高后降低；1.5 m處的溫度隨風(fēng)速加快而變化不大。

有細(xì)水霧時(shí)，隨著風(fēng)速加快，6、 4 m處的溫度先升高后降低，但不同風(fēng)速下最高溫度相對(duì)無細(xì)水霧時(shí)降低；1.5 m處的溫度僅在較高風(fēng)速時(shí)出現(xiàn)小幅波動(dòng)和上升。

2.1.4 考慮火焰形態(tài)的細(xì)水霧降溫效果分析

圖10為不同風(fēng)速下火源附近的溫度云圖。雖然不同風(fēng)速下溫度絕對(duì)值不盡相同，但同一風(fēng)速下的相對(duì)溫度分布可以用于表征火焰形態(tài)。

圖10 不同風(fēng)速下的火源形態(tài)Fig. 10 Fire source morphology under different wind speeds

結(jié)合圖7～圖9來看，無細(xì)水霧時(shí)，風(fēng)速對(duì)火源上方溫度有著顯著的降溫作用；火源下游5 m處的最高溫度隨著風(fēng)速加快而升高；火源下游10 m處的最高溫度隨著風(fēng)速加快而降低。因?yàn)樵诃h(huán)境風(fēng)的作用下，火羽流形態(tài)發(fā)生改變，使得火源下游5 m處溫度升高；而對(duì)火源下游10 m處而言，被吹向火源下游的熱量小于被環(huán)境風(fēng)帶走的熱量，從而使得火源下游10 m處溫度隨風(fēng)速加快而降低。

開啟細(xì)水霧之后，火源上方、下游5 m和下游10 m處的最高溫度均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但局部位置處的溫度變化有所差別。對(duì)于火源上方，風(fēng)速為1m/s時(shí)，開啟細(xì)水霧后使得1.5 m處的溫度出現(xiàn)明顯下降，如圖7(c)、圖7(d)；結(jié)合圖10分析，在細(xì)水霧作用下的火焰進(jìn)一步被壓低和偏向火源下游，從而導(dǎo)致1.5 m處的溫度出現(xiàn)明顯下降。對(duì)于火源下游5 m處，風(fēng)速為2 m/s時(shí)，開啟細(xì)水霧后使得4、 1.5 m處的溫度出現(xiàn)明顯上升，如圖8(e)、圖8(f)。細(xì)水霧有吸熱、黏附、凝聚的作用[23]，其會(huì)將煙霧顆粒凝聚并在重力作用下發(fā)生沉降。結(jié)合圖11，在風(fēng)速作用下，細(xì)水霧會(huì)使得煙氣發(fā)生降溫并下沉到火源下游5 m附近較低的位置。

此外由圖7～圖9可看出：在縱向風(fēng)和細(xì)水霧共同作用下，能顯著降低隧道內(nèi)的溫度。其中：風(fēng)速為3 m/s時(shí)，在隧道縱向風(fēng)和細(xì)水霧共同作用可以起到最佳控溫效果。

2.2 可見度

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生250 s后，不同工況下的隧道內(nèi)可見度如圖11。無細(xì)水霧時(shí)，當(dāng)風(fēng)速為0，整條隧道內(nèi)上部可見度降到最低，隨著風(fēng)速加快，隧道內(nèi)煙氣逐漸被控制在火源的一側(cè)；當(dāng)風(fēng)速為2.5 m/s，火源上游可見度出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)；當(dāng)風(fēng)速為3 m/s，火源上游煙氣基本上得到控制，無回流煙氣。有細(xì)水霧時(shí)，低風(fēng)速下控?zé)熜Ч幻黠@；當(dāng)風(fēng)速為2 m/s，火源上游可見度出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)；當(dāng)風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，風(fēng)速完全可控制煙氣不發(fā)生回流，即在有細(xì)水霧控制隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的臨界風(fēng)速變小。

圖11 不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)可見度云圖Fig. 11 Visibility nephogram in tunnel under different longitudinal wind speeds

對(duì)比圖11(a)、圖11(b)可知：有細(xì)水霧時(shí)，不同工況下隧道下部可見度較無細(xì)水霧時(shí)更低。這主要是細(xì)水霧將隧道內(nèi)煙氣層帶到了較低位置，從而降低了隧道內(nèi)下部可見度。由于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣溫度較高，這與2.1.4節(jié)中分析結(jié)果(細(xì)水霧把隧道內(nèi)較高處的熱量吸收并帶到了較低處)是一致的。

3 結(jié) 論

筆者對(duì)通風(fēng)條件下隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。設(shè)置環(huán)境風(fēng)速為0、 1、 2、 3 m/s，在每個(gè)風(fēng)速工況中添加了細(xì)水霧，并研究了不同風(fēng)速和細(xì)水霧耦合作用的效果。

1)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，縱向風(fēng)將火源上方的熱量帶至火源下游部分區(qū)域，使得火源下游部分區(qū)域溫度升高。具體表現(xiàn)為：無細(xì)水霧時(shí)，隨著風(fēng)速加快，火源上、下游10 m處溫度降低，下游5 m處溫度升高。

2)開啟細(xì)水霧后，火源上方、下游5 m和下游10 m處的最高溫度均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但局部位置處的溫度變化有所差別，主要表現(xiàn)為在縱向風(fēng)和細(xì)水霧共同作用下的火源下游局部溫度升高。

3)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，細(xì)水霧使得煙氣發(fā)生降溫并下沉到火源下游5 m位置較低處；同時(shí)有細(xì)水霧時(shí)隧道下部可見度小于無細(xì)水霧時(shí)，說明開啟細(xì)水霧后使得隧道頂部煙氣下沉并向火源下游運(yùn)動(dòng)。

4)在縱向風(fēng)和細(xì)水霧共同作用下，隧道內(nèi)流場(chǎng)變化趨于復(fù)雜，不同工況下的變化規(guī)律有所區(qū)別，且細(xì)水霧使得臨界風(fēng)速變小。但總體而言，當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，在縱向風(fēng)和細(xì)水霧共同作用可起到最佳控?zé)熃禍匦Ч?/p>