公路隧道火災非穩態規律的模擬研究

石明楊,任 剛,崔興華,王 松,楊洪海

(1.東華大學 環境科學與工程學院，上海201620； 2.南方風機股份有限公司，廣東佛山528225)

隨著國民經濟的快速增長，公路交通事業取得飛速的發展，公路隧道里程不斷增加。然而隨著隧道長度和通行車輛的增加，火災事故發生的頻率也隨著增加。作為交通道路上的關鍵線路和控制性節點，隧道內頻繁發生的火災造成了巨大的社會影響和經濟損失。如1999年，法-意勃朗峰隧道 (11.6km)因卡車漏油引擎著火，隧道內燃燒超48h，死41人，燒毀36臺車，事故發生后，隧道不得不封閉，中斷交通達3年之久，經濟損失極為慘重[1]。我國公路近期統計的火災事故率為 0.104次 /(100萬車·km)，幾率是鐵路的 20～25倍[2]。大量的火災表明，火災產生的高溫濃煙不但危害人們的生命安全，還對火災救援產生不利影響，因此展開對隧道火災的研究就十分重要。

國外很早展開全尺寸隧道火災實驗研究，但其周期長、費用高，且不適用于新建或將建的隧道；縮小尺寸的模型試驗由于其局限性，數據并不可靠(難以滿足相似準則)[3-4]。而計算機數值模擬周期短、成本低、信息全。數值模擬時，很多人采用了穩態火源，但其只代表最嚴重的情況，顯然不符合實際。本文將對非穩態工況下火災發展前期的規律進行研究。

1 模型的建立

火災現象可分為兩個互相影響的過程，火源本身和煙氣流動，其數學模型為：火源模型和流動模型。

1.1 火源模型

火災發生是一個三維非定長且伴隨著傳熱傳質、多相流動以及化學反應相互作用的非常復雜物理化學過程。考慮直接模擬十分困難，故火災初期模擬時進行簡化：火源采用指數火源，排煙量和火源形狀不變[5-6]。

筆者選用VHS(體熱源)燃燒模型，不考慮具體的燃燒過程，簡化計算過程和計算量。考慮到研究火災初期，采用T2火源[參考(Ingason，2006)和其他學者的建議值]：

式中：Q為熱釋放率(MW)；α為系數0.05(MW/min2)。

由法國的Heselden等人通過大量的理論和試驗研究繪制的發煙量和熱釋放率關系可知，5MW時的發煙量為18kg/s。模擬時設定煙氣主要成分為空氣(CO2、CO)，前者占總質量的95 %，后者占5 %，其中CO占5 %中的1/20。

1.2 流動模型

(1)連續性方程：

(2)運動方程：

(3)能量方程：

(4)組分方程：

(5)扼流效應煙流阻力：

式中：mk1、mk2分別為火災斷面溫度和環境溫度比；D為隧道斷面水力直徑；α為隧道坡度。

(6)浮生效應煙流阻力：

hb=(ρ-ρ0)gLsinα=ρ0gLsinα(mk-1)

(7)

(7)煙流摩擦阻力：

(8)臨界速度：

式中：vcr為臨界風速；H 為隧道高度；Q 為火災時熱釋放速率；ρ0為空氣密度；cp為空氣定壓比熱；A 為隧道凈橫斷面面積；Tf為熱空氣溫度；T0為環境空氣溫度；κ為無量綱系數，κ= 0. 61； Kg為坡度修正系數。

2 計算模型及設置條件

計算隧道模型如圖1、圖2所示，長100m，寬6m；火源距上游30m，處于截面中央位置。火源尺寸為：2.5m×1.5m×1.5m(長×寬×高)；測點A、B 距地面分別為1.5m、3.5m。

圖1 隧道斷面尺寸圖(單位：mm)

圖2 隧道網格劃分模型

Fluent軟件的操作環境中，初始條件：入口平均風速為1m/s，相對壓力為0Pa；設置Boussinesq參數，即隧道空氣平均溫度和密度分別為300K和1.225kg/m3，浮升力加速度 -9.8m/s2；出口為壓力出口。邊界條件：壁面的表面粗糙系數設為0.02，壁面厚度0.5m處溫度恒為290K(考慮到地下恒溫)；隧道入口均設為速度入口，出口設為壓力出口。在溫度傳遞過程中，考慮輻射傳熱作用，采用DO輻射模型。本文采用SIMPLE算法來處理速度和壓力的耦合[7]。

3 模擬結果分析

通過模擬煙氣的流動規律，分析火源模型和流動模型的并結合經驗公式(可得臨界風速vcr=1.56m/s，熱煙氣溫度Tf=431K)分析如下。

3.1 速度場

圖3為火源中心橫斷面的速度矢量圖。根據模擬可知：盡管隧道進口風速為1m/s，但是火源中心斷面，火焰在熱浮升力的作用下，風速最最大可達5.5m/s。氣流的運動規律：隨著火源處氣流溫度升高，由于熱浮升力的作用，氣流逐漸向上擴散，當其到達拱頂時，受其限制，速度向兩側偏轉，當其沿著壁面兩側繼續下降遇到縱向的冷氣流時，在卷吸力作用下，在頂部兩側附近形成一定的漩渦(基本對稱)。此時隧道形狀和空間的限制，速度場因而變得復雜。

圖3 t=600 s時，y=-20的橫斷面速度矢量圖

3.2 溫度場

圖4是通風速度為1m/s時，火災發生300s時，隧道中的三維等溫面效果圖。可知在火災下游的溫度分布相對比較復雜，需要全面的了解火災發展的動態過程，才能把握其規律。

圖4 隧道200℃三維等溫面

3.2.1 縱斷面溫度分布

圖5為火災前期，隧道縱斷面不同時刻的溫度分布。

圖5 風速1 m/s時各個時刻隧道縱斷面溫度分布

T=100s時，火源所產生的煙氣在上游通風氣流的作用下，開始向下游蔓延，但擴散距離短，而且溫度低。因為此時產生的高溫煙氣較少，且火源處受到上游縱向氣流力的作用強于浮升力的作用，所以煙氣并未達到拱頂處。

T=200s時，火源產生的煙氣溫度緩緩上升，此時，煙流受到的浮升力作用逐漸變強，高溫煙氣逐漸向下游及拱頂處擴散，進而到達拱頂之后，煙層厚度逐漸變薄，隨后又逐漸變厚，這就是所謂的“魚躍現象”。“魚躍區”距火災距離火源較遠，且下游的煙霧溫度較低。

T=300s時，火源產生的煙氣溫度逐漸升高，此時，在浮升力作用顯著增強，高溫煙氣向上擴散，向下游擴散很短的距離后，便到達拱頂，此時，同樣有“魚躍現象”產生。“魚躍區”距火災距離火源非常近，煙氣分層現象明顯，煙層出現少許的波浪形。

T=400s時，火源產生的煙氣溫度繼續升高，開始有“回流”趨勢，火源下游的高溫煙氣分層增多，而且，“魚躍區”后拱頂處的溫度顯著升高。

T=500s時，煙氣出現“回流”現象，但此時回流長度短，回流區煙層厚度較薄。

T=600s時，煙氣回流長度逐漸變大，煙層逐漸變厚。

T=700s時，火災基本趨于穩定，此時高溫煙層波浪線波浪增多，且分層明顯，回流也趨于穩定，回流長度為15m。

3.2.2 橫斷面溫度分布

從橫斷面的溫度(圖6)來看，開始火災剛剛蔓延到拱頂，200s時可知在拱頂下方兩側有兩個對稱的高溫核心區，核心區向外溫度逐漸減小，但左右兩側溫度分布都保持對稱；400s時高溫核心區逐漸向左上方(拱頂及兩側)方向移動，溫度出現分層，呈現出中間溫度低、兩側溫度高的現象，此外還可知，在介于中央低溫區和兩側壁面的高溫區之間有一段溫度分布厚度大；600s溫度分層更為明顯，拱頂兩側溫度繼續升高而且顯著高于下層。

圖6 火源下游10 m的橫斷面不同時刻溫度分布

3.2.3 測點A、B的溫度非穩態變化

圖7、圖8為測點A、B不同時刻的縱向溫度分布，從圖中可以看出在火源處的溫度迅速升高，且拱頂處溫度高，隨著高溫煙氣的蔓延，測點A、B都反映出“魚躍現象”。隨著時間的推移魚躍區逐漸向火源靠近。

從測點A的溫度分布可知，沿著隧道方向，溫度到火源處溫度迅速飆升，在火源下游，出現溫度的波動，呈現出溫度先下降后又升高的規律；從測點B的溫度分布可知，在火源上方即拱頂處，溫度急劇升高，隨著縱向的距離的增大，溫度逐漸減小。不同于A測點，B測點的最高溫度出現“漂移”，出現在火源右上方位置。此外，從穩定后的溫度分布可知，煙氣回流長度為15m。

圖7 測點A不同時刻縱向溫度分布

4 結論

利用三維數值模擬對隧道火災的非穩態變化規律研究是可行的，通過模擬可以得出火災發展前期。隧道中速度場和溫度場的分布以及變化規律。

(1) 在隧道縱向通風速度為1m/s時，煙氣出現回流現象；通過計算得到臨界風速為1.56m/s，可以預測當V=2m/s時，回流現象可以得到有效地控制。

(2)火源下游，高溫煙氣有“魚躍現象”產生，隨著時間的推移，“魚躍區”逐漸靠近火源。

(3)靠近火源處下游附近，隧道拱腰附近有兩個對稱的高溫核心區，中心溫度高，周圍溫度低；遠離火災處，溫度分布規律呈拱頂及兩側壁面溫度高，拱頂下方溫度分層且依次下降。

①采用左向焊，焊槍與焊件間的夾角約為75°～80°，左向焊容易看清坡口，焊縫成型較好，不易出氣孔。

②焊接板厚為34mm，為得到一定的焊縫寬度，焊槍可作適當的橫向擺動，但焊絲不應插入對縫的間隙內。

③在起弧處提前送氣2～3s，排除待焊處的空氣。

④焊絲伸出長度6～8mm為宜。

⑤引弧位置應設在距焊道端頭5～10mm處，電弧引燃后，緩慢返回端頭。

⑥噴嘴末端與焊件的距離以10mm左右為宜，焊槍以直線運走或直線往復運走為好。

⑦采用短弧焊接，并使焊絲伸出長度的變化最小。

⑧焊接結束時，要填滿弧坑，焊縫熔池尚未凝固冷卻之前要繼續通氣保護熔池。

4.4 焊后處理

(1)焊后應及時進行緩冷熱處理，可采用電和火焰二種方式加熱，硅酸鋁纖維毯保溫，以保證焊接質量。這是減小焊接變形的有效措施，不可忽視。

(2)焊后及時進行焊縫外觀檢查和焊縫無損檢測，發現問題立即返修處理，返修處理時也應按照前述的工藝進行操作，否則可能會出現影響焊接質量的焊接變形。

5 結束語

回轉窯筒體安裝質量及焊接質量直接關系到球團礦熟料的生產能力，進而影響鋼廠的生產能力和設備壽命。冶金鋼廠球團礦回轉窯筒體的組對焊接質量，是回轉窯安裝的一個重要且關鍵的工序環節，如何快速、安全、高質、高效地進行施工，是我們施工單位致力于研究和實踐所追求的目標，希望我們的這個成果能夠對讀者有所參考和啟發，能夠推動這樣的研究和實踐往前再邁進一步。

[1]GB50551-2010球團機械設備安裝工程質量驗收規范[S]

[2]GB50236-2011現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范[S]