基于數值模擬的隧道火災臨界風速分析

郭曉杰， 方春平

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031; 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-06-22

隧道作為一種特殊的構筑物，有其獨特的工程優勢，但是在發生火災時，隧道結構的封閉性使得人員逃生較為困難，同時還會造成很大程度的附屬結構設施損傷，從而帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。以1999年的勃朗峰隧道火災為例[1]，大火持續了48h，導致38人死亡，此外還有一名消防員殉職。而2014年發生在貴州賈托坡隧道的火災則導致了上百萬元的經濟損失。這些火災事故帶來了慘重的損失，同時也說明了研究隧道火災的重要性。

隧道結構較為特殊，發生火災時，煙氣會在風的作用下向四處擴散，如果風速設置不合理，會導致隧道內的煙氣向火災上游回流或者向下游快速大量擴散，從而加大了救援工作的難度，同時也不利于人員逃生。因此，火災時的風速至關重要。火災時恰好不會導致煙氣向上回流的風速被稱為臨界風速，臨界風速的研究和確定對于隧道火災安全救援有著極為重要的意義。

本文基于CFD軟件FLUENT進行數值模擬，建立了隧道三維模型，設定了不同的風速來計算煙氣的回流情況，通過對比分析得出了該隧道在火災下的臨界風速。

1 CFD控制方程

燃燒是一個復雜的非定常的化學過程，涉及到物質的轉變和能量的傳導。因此如果按照實際燃燒來建立模型會使得計算工作的難度大大增加，必須對燃燒過程進行適度的簡化，使得最終建立的模型既能在很大程度上反映出真實的燃燒情況又不會太過于復雜[2]。綜合考慮之后，本論文采用面熱源法來模擬隧道的火災，即將火源等效為一個面，通過該火源面不斷釋放與火災規模等效的氣體來模擬火源的燃燒。同時，考慮到隧道內發生火災時，高溫環境下會存在浮升力效應，故而在數值模擬中采用Boussinesq模型[3]。

在CFD數值模擬中，計算模型選擇RNGk-ε湍流模型，控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Cμ=0.0845，C1=1.42，C2=1.68，αk=αε=1.393，η0=4.38，β=0.012。

2 模型建立

考慮到計算規模和計算機的配置，隧道計算模型選擇長度為300 m，隧道模型的斷面如圖1所示，斷面半徑為6 m。數值模擬中考慮一輛小轎車在隧道中間位置發生火災，火災規模設為5 MW。

圖1 隧道斷面示意(單位：mm)

本論文采用ICEM CFD軟件劃分網格，網格選擇六面體。由于在火源附近溫度場和流場都會發生較為劇烈的變化，因此對火源處的網格進行加密處理。具體建模過程中，將模型分為三個流域，分別建模并對中間部分即火源附近網格進行加密。最終得到的網格總數約13萬，其中中間部分約4.5萬。

對于邊界條件的設置，在隧道入口處采用進口速度邊界，出口處則采用自由壓力邊界，隧道內的著火面為質量出流邊界，隧道拱頂拱底均為絕熱壁面，其他邊界則設置為質量增強邊界。固體材料設定為混凝土，各個流域之間通過INTERFACE連接，環境溫度為15 ℃。

3 計算結果

ICEM CFD中網格劃分結束之后，導入FLEUNT進行求解，分別求解了在隧道風速為1.8 m/s、1.9 m/s、2.0 m/s、2.1 m/s、2.2 m/s、2.3 m/s的情況下的壁面溫度分布，監測了拱頂、間距為15 m、30 m、50 m、75 m、90 m斷面及縱截面的溫度分布，對計算結果進行分析得出相應結論。

3.1 臨界風速分析

(1)當風速為1.8 m/s時，計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 風速為1.8 m/s時拱頂溫度云圖

圖3 風速為1.8 m/s時各斷面溫度云圖

(2) 當風速為2.0 m/s時，計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 風速為2.0 m/s時拱頂溫度云圖

圖5 風速為2.0 m/s時各斷面溫度云圖

(3)當風速為2.3 m/s時，計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 風速為2.3 m/s時拱頂溫度云圖

圖7 風速為2.3 m/s時各斷面溫度云圖

不同速度工況下的溫度分布圖總結如圖8所示。計算結果表明，風速的不同對煙氣的回流有著極大的影響。當風速為1.8 m/s時，煙氣回流較大，幾乎遍布隧道內火災上下游，這對于救援工作的開展和隧道內人員的逃生都是極為不利的。隨著風速的提高，煙氣的回流開始減小；當風速設定為2.3 m/s煙氣幾乎不會向上游擴散，這表明在設定條件下，該隧道的火災臨界風速是2.3 m/s。

圖8 不同速度工況下隧道壁面的溫度分布云圖

不同風速下的煙氣回流長度如表1所示。從表中分析可知，煙氣回流層長度隨著通風速度的降低呈現出非線性增長的趨勢。此外，下游的煙氣層厚度隨著風速的增大而增大。

表1 隧道煙氣回流長度

3.2 速度矢量分析

選取兩種風速作用下隧道內氣流的速度矢量圖見圖9、圖10。

圖9 風速2.1 m/s時回流速度矢量

圖10 風速2.2 m/s時回流速度矢量

由圖9、圖10可以看出，發生火災時，火源面上方的氣流速度最大，當氣流到達拱頂時沿進風方向出現回流，回流的末端氣流較為紊亂，且回流底端多處都有渦流出現。此外，計算結果表明，隧道內的通風速度越大，火源附近的煙氣層厚度就越大。

4 結論

(1)當隧道內發生規模約為 5 MW 火災時，火災煙氣控制的臨界風速為 2.3 m/s。

(2)隨著通風速度的提高，拱頂最高溫度升高，煙氣回流現象減少，回流層長度和厚度減小，回流底部的渦流也減少。

(3)在火災下游，火源附近的斷面煙氣紊亂，之后隨著斷面與火源距離的增加，煙氣分層愈加明顯。

[1] 周勇, 楊林松. 公路隧道災害事故分析及其風險評價[J]. 現代隧道技術, 2013,50(5): 18-28.

[2] 袁建平，方正，黃海峰，等. 水平隧道火災通風縱向臨界風速模型[J]. 土木建筑與環境工程, 2009, 31(6): 66-70.

[3] 王峰，董國海，王明年. 曲線隧道火災煙氣控制臨界風速的研究[J]. 現代隧道技術, 2015, 52(5): 84-89.