超長公路隧道火災縱向排煙特性研究

陳現立

（中信建設有限責任公司 北京 100027）

0 引言

近年來，隨著我國交通強國和西部大開發戰略的進一步實施，在我國西部地區，修建了越來越多的長度大于5km 的超長公路隧道。由于隧道狹長和相對封閉的特點，一旦發生火災將嚴重危及人員生命安全。因此，當隧道內發生火災時，如何有效的控制煙氣是超長隧道建設和運營當中一個極為重要的問題。

縱向排煙一般是利用安裝在隧道頂部的射流風機產生足夠大的風速，將火災產生的煙氣吹向火災下游，從而保證火災上游是無煙環境，保障人員安全疏散。國內外大量學者對縱向通風進行了深入、細致的研究，主要集中在臨界風速[1-10]、煙氣回流長度[1,2,5,7,8,11]和煙氣溫度分布[12-15]等方面。臨界風速指的是煙氣不會蔓延到著火點上游的最小通風速度。在超長公路隧道火災全射流縱向通風方面，曹正卯[16,17]依托羊鹿山隧道開展全射流縱向排煙現場實體火災試驗，研究6km 長公路隧道全射流縱向排煙的可行性與有效性，研究表明，在保證人員安全的情況下，采用全射流縱向排煙是可行的。總的來說，縱向排煙技術已經很成熟。

本文采用STAR CCM+軟件對長度大于5km的超長隧道火災進行數值模擬，主要考慮隧道內溫度以及煙氣中有毒氣體濃度的變化，安全控制標準為頂棚下方溫度不高于180℃，人員高度處一氧化碳濃度不高于1150ppm。

1 數值計算模型

1.1 幾何模型

本文將隧道做一定簡化，斷面尺寸如圖1所示，隧道高7.1m，寬10.5m，全長5.8km，為了研究超長隧道火災全縱向排煙方案的可行性，火源分別位于距離隧道出口5km 以及距離隧道出口5.7km 處，建立幾何模型如圖2所示。

圖1 隧道截面尺寸Fig.1 Tunnel section size

圖2 超長隧道模型Fig.2 Model of super-long tunnel

1.2 計算方法

采用STAR-CCM+內嵌火災模塊進行數值模擬分析，基本控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、組分守恒方程和理想氣體狀態方程，燃燒模型采用體積熱源模型。

（1）連續性方程

根據質量守恒定律，控制體內流體質量的增加量應該等于其流入的質量和流出的質量的差值，由此可得出質量守恒方程為：

式中，t為時間，ρ為流體密度，為速度矢量，u、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向上的分量。

（2）動量守恒方程

x、y、z三個方向的動量守恒方程分別表示為：

式中，μ為動力粘度系數，Su、Sv、Sw為廣義源項，p為流體微元上的壓力。

（3）能量守恒方程

式中，T為溫度，k為流體傳熱系數，CP為流體比熱容，ST為流體內熱源及由于粘性作用流體機械能轉化為熱能的部分。

（4）組分守恒方程

式中，Yi為組分i的體積濃度，iYρ為組分i的質量濃度，Γi為組分i的擴散系數，Si為組分i的生成率。

（5）理想氣體狀態方程

式中，ρ為密度，R為摩爾氣體常數，T為溫度，P為氣體壓力。

1.3 火源設定

火源熱釋放速率變化規律可用時間的二次方程來描述，t2模型如下：

式中，Q為火災熱釋放速率；t為時間；α為火災增長系數。

參照NFPA 超快速火災類型將火災增長系數α取為0.1876，火源熱釋放率為30MW，火源尺寸為12.5m×2.4m×2.7m。

1.4 網格劃分

STAR-CCM+具有強大的網格劃分功能，其提供了多面體、切割體和棱柱層等網格生成器，多面體網格有許多相鄰單元，能準確預測流場運動，計算精度也較高，考慮到還需要捕捉邊界層運動，本文采用多面體和棱柱層網格生成器。由于STAR-CCM+軟件與FDS 設置存在一定差異，同時為了提高計算精度，靠近火源區域網格尺寸在0.05D*-0.06D*之間，其他區域網格尺寸在0.1D*-0.12D*之間。

1.5 初始條件及邊界條件

隧道壁面無滑移，初始環境溫度為20℃，隧道進口為速度邊界，保持3.5m/s 縱向通風風速不變，隧道出口為壓力出口邊界。

1.6 可靠性驗證

通過文獻[9]中的模型實驗進行隧道火災數值計算方法的驗證，按照實驗模型進行建模，并將模擬結果與實驗結果進行對比，圖3 給出了模型實驗與數值模擬回流長度-風速曲線的比較圖，其中，L為煙氣回流長度，V為縱向通風速度，通過擬合曲線得到實驗與數值計算的臨界風速分別為0.54m/s和0.59m/s，模擬值與實驗值誤差在10%以內。

圖3 回流長度-速度曲線結果對比Fig.3 Comparison of reflow length-velocity curve results

另外還通過文獻[18]中的隧道火災模型實驗進行了驗證。模型隧道縮尺比為1:20，尺寸為10.4m×0.4m×0.4m。火源位于距隧道左端出口3m 處，為邊長0.12m 的正方形油池，熱釋放率為5.63kW，燃料為乙醇，環境溫度為20℃，熱電偶以1m 的間隔安裝在隧道拱頂下0.02m 處。按照實驗模型進行建模，并將實驗與模擬結果進行對比，圖4 給出了模型實驗與數值模擬縱向溫度分布的比較圖，可見模擬值與實驗值誤差較小，因此，采用STARCCM+進行隧道火災數值計算研究可行。

圖4 溫度分布對比Fig.4 Temperature distribution comparison

2 計算結果分析

2.1 火源距離隧道出口5km

隧道頂壁下方溫度分布如圖5所示，從圖中得出，在臨界風速的縱向通風作用下，該隧道頂壁下方溫度均小于180℃，滿足火災安全控制標準。在臨界風速的作用下，火災煙氣僅影響到隧道下游，溫度在距離火源30m 處達到最大值，30m 之后溫度沿隧道長度呈指數下降趨勢。從圖6 可以看出人員高度處溫度在火源處最高。

圖5 隧道內頂壁下方溫度變化Fig.5 Temperature change under the top wall of the tunnel

圖6 隧道內人員高度處溫度變化Fig.6 Temperature change at the height of people in the tunnel

圖7 為隧道人員高度處CO 分布計算結果，在3.5m/s 的縱向通風風速下，隧道火災充分燃燒，隧道內人員高度處的CO 濃度低于火災安全控制標準，僅在火源處人員高度處CO 濃度略高。

圖7 隧道內人員高度處CO 濃度分布Fig.7 CO concentration distribution at the height of people in the tunnel

2.2 火源距離隧道出口5.7km

隧道頂壁下方溫度分布如圖8所示，從圖中得出，在臨界風速的縱向通風作用下，該隧道頂壁下方溫度均小于180℃，滿足火災安全控制標準。在臨界風速的作用下，火災煙氣僅影響到隧道下游，溫度在距離火源15m 處達到最大值，15m 之后溫度沿隧道長度呈指數下降趨勢。從圖9 可以看出人員高度處溫度在火源處最高。

圖8 隧道內頂壁下方溫度變化Fig.8 Temperature change under the top wall of the tunnel

圖9 隧道內人員高度處溫度變化Fig.9 Temperature change at the height of people in the tunnel

圖10 為隧道人員高度處一氧化碳分布的計算結果，在3.5m/s 的縱向通風風速下，隧道火災充分燃燒，隧道內人員高度處的CO 濃度低于火災安全控制標準，僅在火源處人員高度處CO濃度略高。

圖10 隧道內人員高度處CO 濃度分布Fig.10 CO concentration distribution at the height of people in the tunnel

2.3 參數對比

火源距離隧道出口5km 和火源距離隧道出口5.7km 模型計算結果對比如圖11-13所示，由圖可以看出隧道內溫度等參數變化基本一致。

圖11 隧道內頂壁下方溫度變化對比Fig.11 Comparison of temperature changes under the inner roof wall of the tunnel

圖12 隧道內人員高度處溫度變化對比Fig.12 Comparison of temperature changes at the height of people in the tunnel

圖13 隧道內人員高度處CO 濃度分布對比Fig.13 Comparison of CO concentration distribution at the height of people in the tunnel

3 結論

本文采用Star-CCM+軟件建立三維數值計算模型，研究了超長隧道火災全縱向排煙特性，得到如下結論：

（1）當火源位于距離隧道出口5km 處時，在3.5m/s 的縱向通風風速下，隧道內溫度和CO 濃度分布均能滿足隧道火災安全控制標準。

（2）當火源位于距離隧道出口5.7km 處時，在3.5m/s 的縱向通風風速下，隧道內溫度和CO 濃度分布均能滿足隧道火災安全控制標準。

（3）在3.5m/s 的縱向通風風速條件下，火源距離隧道出口5km 和火源距離隧道出口5.7km 模型計算結果參數變化基本一致，這意味著超長隧道火災可以采用全縱向通風排煙方案。

本文的研究，可以為超長隧道火災采用全縱向通風排煙方案提供依據，為了進一步確定隧道火災全縱向通風的適用性，需要通過研究確定全縱向通風方案時的隧道長度限制。