29终南山特长公路隧道火灾通风数值模拟分析.pdf

第 2 4卷第 4期 2 0 0 4年 1 2月 地 下 空 间 UN DE R GROUN D S P AC E Vo 1 2 4 No 4 Dc e 2 o(文 章 编 号：1 0 0 1 8 3 1 X(2 0 0 4)0 4 0 5 0 6 0 4 终南山特长公路隧道火灾通风数值模拟分析 张发 勇，冯 炼(西南交通 大学 机械工程学 院，四川 成都6 1 0 0 3 1)摘 要：采 用计算流体力 学方法，对秦岭终 南山特长公路 隧道进 行 了火 灾通风数值模拟研 究。通过 对不 同纵 向通风方案 下的气流流 动和 火灾下游 温度分 布分析，评估 了各 通风 方案 所 能达 到 的 效 果。比较 数 值 模 拟 结 果 和 相 关 的模 型 试 验，发 现 模 拟 计 算 结 果 取 得 了满 意 的 预 期 效 果。关键 词：特长公路 隧道；火灾；纵 向通风；数 值模拟 中图分类号：U 4 5 9 2 文献标 识码：A 1 概 述 隧道火 灾一直 是 隧道设 计者 和管理者 关注 的 重要环 节。对于长大隧道 发生的火灾，如果处理不 当，往 往造 成灾难 性事故。损失惨 重，因此 公众一 直对隧道 的防火安 全 给予 充分 的关 注。随着 我 国 公路建设 的发 展，长 隧道及 特 长隧道 会不 断增 多，对长大公路 隧道 的防火通风应给予充分 的研究。隧道火 灾通 风研究通 常采用 的方法 有 3种：模 型试验法、通过废弃隧道模 拟实际火灾和采用计算 流体力学 C F D(C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s)进行数 值模 拟。由于 C F D技 术 具 有 减 少 地 面 实 验 工 作 量、缩短 研制周期、节省实验费用等方 面的优点，目 前计算流体 力学 已广泛运用于隧道火灾通风研究。运用 C F D技术可以较直 观地模 拟 出隧道 内气 流 的 速度、温度、压力等 物理量，模 拟结果 可 以为隧道火 灾通风方案 的选 取 起到 一定 的参 考作 用。本研 究 就是在 这样 的背 景下，采 用 通用 计 算 流 体力 学 方 法，在 比较 了模 型试 验 与 计 算 结果 有 效 性 的基 础 上，对秦 岭终南山隧道在不 同通 风方 案下的气流流 动和火灾下游温度分 布进行分析。2 计 算模型简介 2 1 隧道模 型及计算工况 秦岭终南 山特 长 隧道 全 长 1 8 k m，双 洞单 向交 通，下行线通风 方 向为 从西 安 至安 康，设计 车 速为 V =4 0 k m h，隧道断 面 积为 A =7 0 4 4 3 l l 1 2，两 隧道 距 离 3 0 m，横 通道 间距 为 2 5 0 m，横通道 与隧道 中线 夹角 4 5。，沿 隧道 长度方 向坡 度为 1 1。上、下行 线 均采用竖井送排式纵 向通 风方式，洞内设 射流风 机产生纵 向气流，竖井 内设 轴流风 机向隧道 内送风 或排风，竖井分 隔为 四部分，使 上、下行 隧道 的送排 风各 自独立。隧道 发生火灾后，利用平 行隧道 间设 置的横通 道 进行 车流 的疏散工作。具体救 灾方案为：火灾发 生后，立 即停止 车辆进入隧道。火灾 隧道前 方车辆 向前继续 行驶 撤 出洞外，火场后 方 车辆及人 员应尽 量通过横通 道撤 离。另 一 个 隧道 暂 时变为 双 向交 通，组 织车辆 迅速驶 离 隧道。此 时，两隧道 内的风 机 均应 由正常通风转为 事故通风。为确 定隧道发生火 灾时 的临界 风速，首先 对单 线 隧道在 不同纵 向风速 条件下进行 数值模拟，求 出 临界风速。然后 选 取实 际 隧道 的一 个 防火 分 区为 数值模拟计算 对象，主要 模拟 实际救灾 和疏散情 况 下 的工况，整 个 过 程 只 开 启 火 区上 游 的两 个 横 通 道。如 图 1和 图 2所示，计算模 型将火灾 隧道分 别 为在下行线 和上行 线时 的两 种情形。模拟计算风速 的选取 和模 型试 验一致，如表 1 收稿 日期：2 0 0 4 0 4 1 9(修 改稿)作者简介：张发勇(1 9 7 9 一)，男，在读硕士研究生，主要从事隧道及地下工程通风空调研究。维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第 4期 周发勇，等：终南山特长公路隧道火灾通风数值模拟分析 5 0 7 图 1 模 型 示意 图(火 灾 隧道为 下行 线)图 2 模 型示 意 图(火灾 隧道 为 上行 线)图 3 计 算 网格 局部 示意 图 所示。假定 进人 隧道的 空气 均匀，位 置 1 与 位 置 2 表示该位 置隧道断面的平均速度，方 向与车 流方 向 一致。模 拟计 算工 况组 合 表 1 工 况 l 工 况 2 工 况 3 工 况 4 工 况 5 工 况 6 位 置 1 3 3 5 3 3 5 位 置 2 3 5 3 3 5 3 火 源 位置火源 1 火 源 1 火源 1 火 源 2 火源 2 火 源 2 火灾 隧道下 行线下行 线 下 行线上行线上行线上行 线 2 2火灾规模及 火区位 置确 定 一般而言，隧道火灾的消 防通风应 针对 中型火 灾(2 0 MW)，主要原 因是 如需 要针对 大型火 灾设 置 隧道 消防设备，必然 导致 隧道 造价 高 昂。而大型 火 灾 的频率却较低。考虑 到长大 隧道工程实际情况，为提 高隧道的安全 等级、达 到运 行 可靠性 要求，现 选取 介 于 P I A R C 规 定 的设 计 火 灾 规 模 2 0 MW、1 0 0 MW 之间的 4 0 MW 为模拟计算 的火灾规模。模型计算仿真过 程 中，为满足 火灾下游烟气充 分 发展的要求，取火灾隧道 出 口到最 近开启 的横通 道距 离为 5 0 0 m。火区距所在隧 道上游 最近横通 道 的距离 为 1 0 0 m，面积：5 3 m6 m。2 3 计算方法 与燃 烧模型 计算 采用三维紊流 高雷 诺数(KE H i g h R e y n o l d s N u m b e r)K 一 流动稳态模 型。模型采 用 S I MP L E 算法。主要考虑 因素有：火场、烟流、隧道 壁面 间辐 射效应；大温度差产生 的浮升力影 响；壁面传 热等。根 据文献 1 ，P P D F(P r e s u m e d P r o b a b i l i t y D e n s i t y F u n c t i o n)燃烧模 型用 于隧道火灾 时，其结 果 与实 验所得 吻合较 好。模拟 计 算时 采用 的是 局 部 瞬时 不混合 快速反应 P P D F湍 流模 型。其 中，局 部 瞬时 不混合 假设如下：反 应 足够快；燃料 与氧 化 剂在 同 一时间不共存(局部瞬 时不混合)，但在有 限反应 区 内其时均 值 可 在 同一 位 置 上共 存；层 流 扩 散 火焰 中，燃 料、氧及燃烧 产物 质 量分数 的空 间 分布 关 系 被 当作燃 料质量分数与燃料产物质 量分数，或 氧的 质量分数与燃烧 产物 质量 分数 之 间瞬态 的可 能实 现 的关系。运用 瞬时不混合假设，则所有 的瞬时变 量，包括 各组分质量分数、温度、密 度 均 可 以 用同一个守恒 标 量 混 合物 分数 厂来 表 示。它 们的时均值计算式 为：=I(f)P(f)d f 其中，可 以表示 为、变量 中的任何 一个，混 合物分数 厂可 由下 列关系得 到：1()+南 一(+)若 =。一S c h m i d t 数 对于用来 描述湍流、化学 反应之间相互关 系的混合 物分数脉 动均方值(=)计算式 为：(懦)+南 一(+)若 =2 g t(dO fx CD p gf 系数 与 c。分别取 0 7、2 0 3 模拟计 算结果及 分析 3 1通过单隧道确定 临界 风速 现行规范对火灾 时排 烟 风速 规定 为 23 m s，是按隧 道火 灾产生 2 0 MW 的热量控 制 的排 烟 风速 取值。因此，在此模 拟计算过程 中需要对 实 际单 一 隧道在 不 同纵 向通风 风速下进行分析求得。火灾 隧道临界风速 的大 小与火灾 规模 和 隧道 几何尺寸 有关。通 过对 实 际隧道 在 不 同纵 向通 风 风速下进行 数值模 拟，观察火源位 置处 隧道顶部 烟 流是否产 生 回流，得 出 临界 风速：V 2 5 m s。图 4与图 5表示 了烟气 产 生逆 流层 与 未 产 生逆 流层 维普资讯 http:/ 5 0 8 地 下 空 间 第 2 4卷，：，二=二=：图 4通风 风 速为 2 5 m s 火源 位置 隧道 顶部 速度 示 意 图 一一一一一、=一一一 一一 一 一一一一。一一 一 一一，一一 一一一一一，图 5 通 风 风 速 为 2 m s火 源 位 置 隧 道 顶 邵 速 度 不 惹 图 时 隧道顶部 速度 分布示 意 图。虽 然隧道 坡度 会 对 临界风速产 生影响，但 通过模拟计算发现：对上、下 行线 隧道，此风速均 可 以防止火灾烟气逆流层 的形 成。3 2气流流动情 况 隧道发 生火灾后，横通道 的开启使得原来各 自 独立运行 的两条隧道具有 了连接通道，横通道 内的 风流对两 条隧道 原有 的通 风 系统 产生 了影 响。由 于火 灾节 流效应和火风压等 的作用，火灾隧道 的通 风 阻力发 生 了改变，导致 了隧道 内风速的增加或 减 小。对 于位置 4、位 置 7所 在 的横 通道，假 定 风流 由火灾 隧道 流 向非火灾隧道 为正，反之为负。各速 度值都代表 该位置隧道断面 的平均速度。隧 道 中典型 位 置的 速度(m s)表 2 工况 l 工况 2工况 3工况 4 工况 5工况 6 位 置 1 位 置 2 位 置 3 位 置 4 位 置 5 位 置 6 位 置 7 位 置 8 由表 2可 以看 出，位置 3所在隧道 断面平 均风 速均大于 2 5 m s，因此，各 通风方 案均没 有烟 气逆 流层 的产生，各工况 的风速组合 都达 到了火灾通风 设计要求。观察 各通 风组 合条件 下 的横通 道气 流 方 向，可 以看 出，火 灾 上 游较 远 的横通 道(横 通 道 2)风流是 正 向的，近火 区横通 道(横通道 1)的风流 方向不 是固定 的，模拟计算结果和模 型试验所得一 致。对 于实 际发 生火灾 的隧道，纵 向通风 的增 大对 火灾 烟雾 的控制 表 现 在：增 加 空气 带 走 烟雾 的速 率，增 加 热量 释 放。工 况 1和 工 况 4的 风速 组 合 下，风流通过火 区时气 流速 度不 大，减少 了火 灾 向 隧道下游蔓延 的速度，为火 灾下游 车辆和人员 的救 援和疏散创造了有利条件。其余通风方案 的风速 组合，由于有较 大 的通风 风速 通过 火 区，因而具 有 较 高的可靠性。3 3隧道 温度分布 一1 m s&0 5 5 0 1 1 0,0 l 两 0 2 讯 0 2 0 S 3 0 0 3 8 5 0 I n 0 l 骶 0 5 5 0 0 ，q_ 图 6 单隧道拱顶正中温度分布示意图(下行线)图 7拱顶 正 中温度 沿行 车 方 向纵 向分 布示 意 图(下行 线)图 8 拱 顶正 中温度 沿行 车方 向纵 向分 布示 意图(上 行线)由以上 各 图可 以看 出，烟雾 扩散 速度 随着 通 风 风速的增加 而增 加；通风风速的增加在 于提 高了 ，、，彳 二，、二一二 孝；m 帆 弧 扎 5 3 3 0 3 4 3 3 8 3 5肼 m 劢 3 4 4 2 2 2 4 8 8 2 2 7 3 3 2 2 3 2 2 5 3 m 2 1 3 5 5 3 5 3 5 瑚 3 3 4 2 2 3 3 3崩 m 维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第 4期 周发勇，等：终南山特长公路隧道火灾通风数值模拟分析 5 0 9 气流带走火 区热量 的同 时降低 了隧 道 内烟雾 的平 均 温度。在火灾 下游，由于风 流 的扰 动，隧道整 个 断面 内很快 即充 满 烟雾。由于燃 烧 引起 的冷热 空 气对 流和隧道对高温 气流的冷却作用，随着到火区 距离 的增加，烟雾温度下 降的梯度逐 渐减小。对 于 隧道 横断面而言，如 图 9、图 1 0，经过 一段距离后 温 度逐 步达到分层均匀。图 9火 区下 游 1 0 0 m处 隧 道断 面温 图 1 0 火区下游 4 0 0 m处隧道断面温度分布示意图 参 考 文献 4 结论 及 建 议 通过 对不 同纵 向通 风方案 下的火灾通风模 拟，结合相应 的模型试验，发现所 采用 的计算 结果可 以 为实 际工 程方案 的选取起 到参考 作用。模拟计 算结果显示，各通 风方 案下 火灾上游较 远 的横通 道(横 通 道 2)的 风 流在 不 同风 速 组合 条 件下都是 由非火灾隧道 流 向火灾 隧道 的，近火 区横 通道(横通 道 1)的风 流 方 向则 是 不 定 的。所 有 风 速组合条件 下均没 有 烟气 逆 流现 象。火灾 隧道 与 非火灾隧 道通风 风速都采 用 3 m s的风 速组合可 以 达到较好通风 要求。如 果从 运行 的可靠 性 要求 出 发，选 用火灾 隧道 3 m s、非 火 灾 隧 道 5 m s的风速 组合较好。在火灾过程 中，由于 近火 区横 通道(横通道 1)的风流方 向是 可变 的。建 议 在该 横 通道 内加设射 流风机进行调节，使 其 风速 不 至 于过 大或 过小，以 利 于车辆和人群通过，保证 实际火 灾时 由于火源释 放率 的变化可能造 成 的烟 气 逆流 不会 对 非火 灾隧 道产 生危害。同时也 可 以保 证横 通 道 的气 流风速 不会 对两条 隧道 的风 速产生太 大的影 响。1 H X u e，J c H 0，Y M C h e n g C o m p a r i s o n o f d i ff e r e n t c o m b u s t i o n mo d e l s i n e n c l o s u r e fi r e s i m u l a t i o n J F i r e S a f e t y J o u r n a l 3 6 (2 o o 1)3 75 4 2 J o j o S M L i，W KC h o w N u m e r i c a l s t u d i e s O i l p e rf o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t mm e l v e n t i l a ti o n s a f e ty s y s t e m s J T u n n e l l i n g and U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y 1 8(2 0 0 3)4 3 5 4 5 2 3 王 明年 终 南 山特 长公 路 隧道 火灾 模式 下 网络 通风 研究 J 地下 空 间，2 0 0 2 3 4 曹 智 明 双 洞 长大 公路 隧道 火灾 模 式下 的通风 组织 研究 D 成 都：西 南交 通 大学 硕士 学位 论 文，2 0 0 3 5 王 明年 秦 岭 终南 山特 长公 路 隧道 防灾 方案研 究 J 公 路，2 0 0 0 1 l 6 周 力行 多 相湍 流 反应 流体 力 学 M 北 京：国防 工业 出版 社，2 0 0 2 1 i i 暮 i-l i 邕 诼 l i i 舅 目 昏 罾 目 国 维普资讯 http:/