基于數值模擬的大型隧道火災拱頂最高溫度研究

周 凱

(保定市消防支隊，河北 保定 071000)

基于數值模擬的大型隧道火災拱頂最高溫度研究

周 凱

(保定市消防支隊，河北 保定 071000)

對國內外有關大型隧道火災拱頂最高溫度的理論與試驗研究進行總結，并根據兩個全尺寸隧道火災試驗建立了FDS數值模擬模型，模型盡可能還原試驗現場情況。模擬結果表明在隧道縱向通風的前提下數值模擬的結果與試驗結果有較好的吻合度，但整體溫度較試驗情況偏低。

大型隧道；拱頂；最高溫度；數值模擬

火災時，隧道結構能夠保持其穩定性是隧道設計十分重要的問題，一場火勢較大、持續時間較長的火災極有可能破壞隧道內的建筑結構導致隧道坍塌。因此，火災中隧道將受到怎樣的影響以及如何確定隧道結構穩定性等問題始終是火災科學領域研究的焦點。隧道發生火災時，由于高溫作用，隧道中未經保護的混凝土在火災起始的5～30 min會產生爆裂。隧道整體結構在長時間高溫作用下可能會引起坍塌[1]。目前，國內外已有相當一部分研究是圍繞這一問題展開的，這些研究中以理論結合小尺寸或全尺寸試驗為主，使得隧道拱頂最高溫度的理論模型建立和試驗研究都達到了較高的水平。然而，在對實際隧道進行設計或是火災風險評估時，并不是所有的研究都能有足夠的條件采用試驗的方式進行。因此，本文將利用火災數值模擬軟件FDS5.4(Fire Dynamics Simulator)，基于前人對隧道拱頂最高溫度的理論研究和試驗研究成果，探討FDS在模擬隧道火災中的適用性。

1 火災時隧道拱頂最高溫度理論研究

許多國家的學者都對火災時隧道拱頂最高溫度這一問題的理論研究和模型建立做出了較大貢獻。日本學者Kurioka[2]通過對不同縱向通風速率下小尺寸和大尺寸模型開展火災試驗，提出了預測隧道火源上方拱頂處最高溫度的理論模型，但他的經驗公式并不能很好地對較小通風速度下的拱頂溫度進行預測。2006年，學者胡隆華[3]采取全尺寸試驗的方法驗證了Kurioka模型的有效性，然而，胡的全尺寸試驗中火源的熱釋放速率過小。

李穎臻等學者[4]首先通過軸對稱羽流理論建立了火災時隧道內拱頂處最高溫度的計算模型，即：

式中，Hd為火源表面到隧道頂部的高度，m；Q為熱釋放速率，kW；D為隧道當量直徑，m；u為縱向風速，m·s-1。

方程式(1)適用于連續火焰高度低于隧道高度的小火。然而對于隧道中的大火，李穎臻等[5]考慮到連續火焰區直接撞擊隧道頂部，隧道頂部下的最高溫度應為連續火焰區的溫度后，通過理論分析和前人的全尺寸隧道試驗數據，得到了隧道火災中拱頂的最高溫度方程式。該方程式分為兩個部分：

當u′≤0.19時：

當u′>0.19時：

從上述公式可以看出，李穎臻等學者的研究認為隧道內拱頂的最高溫度為1 350 ℃，許多試驗也都驗證了這一溫度的可靠性。李思成等學者認為李穎臻和Ingason等人所建立的隧道火災最高溫度模型和大型火災試驗數據比較接近，代表了目前隧道火災最高溫度研究的最高水平。

2 火災時隧道拱頂最高溫度試驗研究

國內外眾多學者及機構都對隧道拱頂最高溫度進行了全尺寸的試驗研究，現將各全尺寸試驗的隧道尺寸、火源等相關情況總結如表1[6]。雖然試驗具有較大的不確定與波動性，但上述試驗數據與理論模型基本上能相互印證，具體情況如圖1、圖2所示。

表1 全尺寸隧道試驗簡要介紹

圖1 全尺寸試驗中u′≤0.19時拱頂最高溫度

3 基于FDS的火災時隧道拱頂最高溫度模擬研究

3.1 隧道模型的選擇及建立

在對大量的全尺寸試驗進行分析后，最終確定根據Memorial及Runehamar隧道試驗(縱向通風)的相關參數建立FDS隧道模型，并根據這兩個試驗的火源情況等設置燃燒條件，這兩個試驗的相關參數分別如表2[7]、表3[8]所示。

圖2 全尺寸試驗中u′>0.19時拱頂最高溫度

Memorial隧道全長853m，雙向車道；Runehamar隧道全長1 600m，且有0.5%～1%的傾斜度。兩個隧道內均設有多處數據采集裝置用以測量風速、溫度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度及碳氫化合物濃度等數據。由于本文將針對拱頂最高溫度的模擬進行研究，因此在FDS建模中將主要設置熱電偶以探測拱頂溫度。同時FDS模型還對文獻中的其他設置條件進行了充分考慮，例如可燃物堆積方式、隧道壁面材料、厚度等細節，力求還原真實的試驗場景。

表2 美國Memorial全尺寸隧道火災試驗相關參數

表3 挪威Runehamar全尺寸隧道火災試驗相關參數

根據所選兩個試驗中的15個具體試驗場景，本文共設置模擬場景45個，針對每個試驗場景，模擬中主要改變感溫探測點的間距，以探討不同間距對探測精度的影響。據文獻知，長853m的Memorial隧道內共設置探測點12處，即每隔71m設置一處探測點，以此為依據，模擬場景中探測點間距分別為25m、50m、71m，模擬時間為3 000s。

3.2 模擬結果分析

圖3 Memorial全尺寸隧道試驗與模擬數據

圖4 Runehamar全尺寸隧道試驗與模擬數據

同時，通過觀察還可發現模擬數據普遍比試驗所得最高拱頂溫度低，究其原因主要有以下幾點：一是此次模擬并未將燃燒產生的大量煙粒子納入考慮，而這些煙粒子的存在會對熱量的傳遞起到極大的阻礙作用，因此實際試驗中得到的最高溫度更高；二是模擬中對燃料的設置較為簡略，無法模擬出真實試驗場景中可燃物之間熱輻射相互作用等效果，因而導致所測溫度較低；三是由于所查閱文獻中并未對隧道壁的厚度、材料等做詳細說明，因此場景設計時僅簡單地將隧道壁面設置為240mm混凝土，導致模擬溫度與實測溫度有所偏差。

4 結論與展望

國內外隧道拱頂的最新理論研究情況表明發生火災時隧道拱頂的溫度上升情況會因隧道內通風速度不同而有所區別，當火勢進一步增大后由于火焰區將與隧道拱頂相互接觸，因而此后拱頂溫度即為火焰溫度。通過考察多個全尺寸隧道試驗的數據，確定火災時隧道拱頂可能會達到的最高溫度為1 350 ℃。選擇了兩個數據較為詳盡的全尺寸試驗進行FDS模擬，模擬場景盡可能還原真實試驗場景，模擬結果顯示加大溫度探測點的密度能夠提高所得數據與試驗數據的吻合度，另外，模擬結果整體較試驗結果偏低，這是由于模擬的簡化假設與實測間復雜多變的情況不同導致的，因此，在利用FDS模擬結果進行隧道結構設計、火災風險評估等工作時應當根據具體情況在模擬所得數據上適當增大其溫度值以增加安全性。

文中所選取的實體試驗與數值模擬都僅針對隧道縱向通風這一前提開展，而實際隧道中的通風存在更復雜的情況，FDS這一工具在多向通風的隧道火災模擬中能否同樣取得較好的結果仍有待驗證。

[1] 王彥富，蔣軍成，龔延風，等.隧道火災拱頂附近煙氣最高溫度的研究[J].中國安全科學學報,2007,(10):39-44.

[2]KURIOKAH,OKAY,SATOHH,etal. Fire Properties in Near Field of Square Fire Source with Longitudinal Ventilation in Tunnels [J]. Fire Safety Journal,2003,38(4):319-340.

[3] 胡隆華.隧道火災煙氣蔓延的熱物理特性研究[D].合肥:中國科學技術大學,2006.

[4] LI Y Z, LEI B, INGASON H. The Maximum Temperature of Buoyancy-driven Smoke Flow below the Ceiling in Tunnel Fires [J]. Fire Safety Journal,2011,46:204-210.

[5] LI Y Z, INGASON H. The Maximum Ceiling Gas Temperature in a Large Tunnel Fire [J]. Fire Safety Journal,2012,47:38-48.

[6] LI Y Z, INGASON H. Maximum Ceiling Temperature in a Tunnel Fire [R]. SP Swedish National Testing and Research Institute Fire Technology,2010.

[7] Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program [R]. Massachusetts Highway Department and Federal Highway Administration,1995.

[8] INGASON H, L?NNERMARK A. Heat Release Rates from Heavy Goods Vehicle Trailers in Tunnels [J]. Fire Safety Journal,2005,40:646-668.

(責任編輯 馬 龍)

A Research on the Maximum Temperature of a Vault in a Large Tunnel Fire Based on Numerical Simulation

ZHOU Kai

(BaodingMunicipalFireBrigade，HebeiProvince071000，China)

The latest achievements with the maximum temperature of a vault in a large tunnel fire were concluded and two large experiments about this were chosen to be simulated by the Fire Dynamics Software (FDS). The simulation scenes were built close to the real ones. Data from the software shows that there is a coincidence between the simulation and experiments although the temperatures are lower than those from experiments.

large tunnel; vault; maximum temperature; numerical simulation

2015-07-10

周凱(1978— )，男，河北元氏人。

U458.1

A

1008-2077(2015)10-0009-04