縱向通風作用下隧道火災特性實驗研究

趙利宏 方 萍

（1、中國建筑科學研究院有限公司建筑防火研究所，北京 100013 2、建研防火科技有限公司，北京 100013）

我國是目前世界上擁有最長里程和最大規模交通隧道的國家。隨著隧道里程的增加，隧道事故的發生頻率和數量也不斷增多，其中火災是隧道事故的頭號殺手。統計結果表明，隧道火災的頻率大約為2 次/億車·公里，即1km 長的隧道每4～7 年就會發生一次火災，而2km 長的隧發生火災的頻率為2～3 年/次，越是大長隧道其發生火災的頻率越高。隧道發生火災后的通風方式分為縱向通風、半橫向通風和橫向通風，由于縱向通風具有需風量小、工程費用低、維護成本低等特點，已經在我國隧道通風中成為主流形式。縱向通風一般利用射流風機的高速氣流形成沿隧道長度方向的斷面風速，阻止火災煙氣從著火點位置逆著隧道行車方向流動，從而保障火源上游人員安全疏散。

因此，縱向通風的斷面風速不宜過小也不宜過大，斷面風速過小時不能阻止煙氣逆流，斷面風速過大時易造成火源下游煙氣層紊亂，不利于下游車輛疏散。不同斷面風速對隧道內火災特性的影響不同，主要表現在煙氣流動、火災規模、溫度分布及火源形態等方面。

針對隧道火災特性問題，徐志勝等進行了1:9 的隧道縮尺模型實驗，確定了理論模型中的待定系數，驗證了理論模型的可靠性。唐偉等研究了障礙物對隧道火災煙氣最高溫度的影響，指出在縱向通風情況下，當障礙物在火源上游時，隨著障礙物與火源之間的距離逐漸變大，煙氣溫度先下降，后趨于一個穩定值。鐘委等采用小尺寸模型模擬地鐵隧道火災，研究了不同縱向風速和不同火源功率下隧道內的煙氣層形態特征和煙氣溫度分布。胡嘉偉運用FDS 軟件對縱向通風作用下隧道火災火源下游頂棚溫度、煙氣層縱向傳播及豎直沉降進行了模擬研究。

截止目前，國內對于隧道火災特性研究還處于小尺寸模型實驗和數值模擬研究階段，大尺寸的隧道火災特性仍待進一步研究。鑒于此，本文通過1:4 大尺寸縮尺模型進行隧道火災實驗，對不同縱向風速下隧道內火災熱釋放速率、溫度分布及火源形態進行研究，以期為隧道火災防治及隧道消防設計提供實驗依據。

1 實驗設置

1.1 幾何模型

本文以某海底隧道為原型，建立了1:4 的縮尺模型，模型隧道長86 m、寬3.3 m、高1.8 m，為了能夠在隧道外部觀察火災燃燒情況，隧道左側布置了5 個由8 mm厚耐高溫玻璃組成的觀察窗。縮尺實驗模型如圖1 所示。

圖1 縮尺實驗模型

1.2 縱向通風系統

在長86 m 的模型隧道中布置兩組射流風機，每組兩臺，兩組射流風機分別命名為西側射流風機組和東側射流風機組。東側風機組為可移動式風機組，可以改變其在隧道中的位置調節兩組風機的間距，從而實現0～4.6 m/s 斷面風速的縱向通風效果。射流風機縱向布置如圖2 所示。

圖2 射流風機縱向布置圖

1.3 數據采集系統及實驗工況設置

1.3.1 溫度采集系統

沿隧道縱向共布置21 個溫度測點，從模型隧道西側入口開始每隔4m 布置一個溫度測點，火區周圍則將溫度測點加密至2m，T1～T8 和T14～T21 為T 型型熱電偶，T9～T13 為K 型熱電偶。沿隧道垂直方向布置兩個熱電偶樹分布在火源上游和下游2m 處，每一個熱電偶樹均由8 個間隔10cm 的T 型熱電偶組成。溫度采集系統如圖3 所示。

圖3 隧道空間溫度測點布置圖

1.3.2 熱釋放速率測量系統

本研究采用失重法測量火災熱釋放速率。這種方法是通過稱重設備測量燃料在燃燒時的重量變化，通過數據采集器直接測定其質量隨時間的變化規律，并換算為質量損失速率，從而計算熱釋放速率。稱重設備為電子秤，通過與電腦連接，電腦能夠讀取每秒鐘燃燒物質量的變化，從而得出質量損失速率，將質量損失速率乘上可燃物的熱值就能求出熱釋放速率。

其中，χ-可燃物的燃燒效率；m˙- 質量損失速率（kg/s）；ΔHc-可燃物的熱值（kJ/kg）。

對于混合可燃物的熱值可以采用平均熱值。

其中，Hi-第i 種可燃物的熱值（kJ/kg）；Pi-第i 種可燃物所占比例（%）；n——混合物中可燃物的種類。

1.3.3 實驗工況設置

在模型隧道中采用油池火對實體隧道火災的火源進行模擬，采用相同重量和尺寸的廢舊輪胎作為燃料，正庚烷作為助燃劑，具體的實驗工況設置如表1 所示。

表1 隧道火災實驗工況表

2 實驗結果與分析

2.1 不同縱向風速對隧道溫度場的影響分析

不同縱向風速下隧道內溫度沿隧道縱向分布曲線如圖4 所示。由圖可知，不同縱向風速下隧道內拱頂溫度沿隧道縱向分布的規律基本相同。在點火開始，溫度有明顯的升高，這是因為引燃所用的正庚烷油立即燃燒所導致的結果。

圖4 不同風速下隧道內溫度沿隧道縱向分布曲線

隨著正庚烷的燃盡，輪胎也被引燃，溫度呈現規律性的先升高后降低。低縱向風速條件下（0 m/s、1 m/s），隧道內高溫集中分布在近火源區域，且該區域溫度隨火災不斷發展逐漸增大，并以火源處為中點近似呈現對稱分布。高縱向風速條件下（2 m/s、3 m/s、4 m/s），隧道內高溫集中分布在近火源區域，且向火源下游偏移，隨著風速增大高溫區逐漸朝下游延伸。

圖5 和圖6 分別是不同縱向風速下火源正上方溫度分布曲線及火源正上方最高溫度。由圖可知，隨著縱向風速的增加火源正上方溫度不斷降低，且縱向風速越大，火災達到最高溫度的時間越短。經數據分析知，0m/s縱向風速下，火災發生828s 時火源正上方溫度達到極值1061℃；1m/s 縱向風速下，火災發生229s 時火源正上方溫度達到極值1012℃；2m/s 縱向風速下，火災發生134s時火源正上方溫度達到極值257℃；3m/s 縱向風速下，火災發生187s 時火源正上方溫度達到極值248℃；4m/s 縱向風速下，火災發生206s 時火源正上方溫度達到極值172℃。

圖5 不同風速下火源正上方溫度分布曲線

圖6 不同風速下火源正上方處最高溫度

圖7 不同風速下火災熱釋放速率

圖8 不同風速下最大火災熱釋放速率

2.2 不同縱向風速對火災熱釋放速率的影響分析

不同縱向風速下隧道內火災熱釋放速率如圖7、8所示。由圖7、8 可知，隨著燃燒時間的不斷增加，熱釋放速率先緩慢增加，而后快速達到最大值，符合火災發生發展的一般燃燒規律，不同縱向風速對火災最大熱釋放速率的影響不大。五組實驗工況的最大熱釋放速率值分別為476.8kw、408kw、439kw、414kw、438.4kw，達到最大熱釋放速率的時間為326s、286s、316s、316s、336s。

2.3 不同縱向風速對火焰形態的影響分析

不同縱向風速下對火焰形態的影響如圖9、圖10 所示。由圖9、10 可知，風速為0m/s 時，在火災充分發展階段其火焰高度為1.7m 左右，火源幾乎不發生傾斜，有微小偏轉是因為自然環境風的影響；風速為1m/s 時，火災充分發展階段火焰高度為1.65m 左右，火焰發生明顯傾斜，約為25°左右；風速為2m/s 時，災充分發展階段火焰高度為1.1m，火焰偏轉明顯，為55°；風速為3m/s 時，火災充分發展階段火焰高度為1m，火焰傾角為70°；風速為4m/s 時，火災充分發展階段火焰高度為0.6m，火焰傾角為最大，火焰幾乎貼近地面，傾角為78°。

圖9 不同風速下火焰高度

圖10 不同風速下火焰傾角

3 結論

3.1 隧道內縱向風速越大溫度場極值越低，這是因為高風速帶走了大量的熱量，使整個高溫區不再積聚在火源周圍。不同縱向風速下，火區的溫度極值出現的位置不同，當速度大于2m/s 時，溫度極值不再在拱頂下方，而是在火源下游。

3.2 火災熱釋放速率是火災中可燃物所包含能量釋放強度的表征，決定了火場內溫度的高低及產煙量的多少。隧道內不同縱向風速對火災最大熱釋放速率的影響不大，這是由于隧道設置縱向通風后，雖通風會加快火災燃燒速率，但使隧道內火災燃燒類型由通風控制型火災變為燃料控制型火災，火災最大熱釋放速率主要又可燃物數量確定。

3.3 隧道內縱向風速越大，火焰高度越小，由0m/s時1.7m 降低到4m/s 時0.6m，對火焰上方拱頂的直接沖燒作用越小。同樣，隧道內縱向風速越大，火焰傾角越大，由0m/s 時0°增大到4m/s 時78°，對隧道中下部熱作用越大。因此，不同縱向風速下，對隧道內壁的結構防火保護應采取不同的策略方法。