纵向通风对长大隧道火灾烟流控制分析.pdf

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1、第6 卷第3 期2 0 1 0 年6 月中国安全生产科学技术J o u r n a lo fS a f e t yS c i e n c ea n dT e e h n o l o 型V 0 1 6N o 3J u n e2 0 1 0文章编号：1 6 7 3 1 9 3 X(2 0 1 0)一0 3-0 0 2 8 一0 5纵向通风对长大隧道火灾烟流控制分析王婉娣1，张靖岩1，冯炼2，赵纯刚3(1 中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京1 0 0 0 1 3)(2 西南交通大学机械工程学院，成都6 1 0 0 3 1)(3 中建二局建设二【：程股份有限公司(北京)第二经理部，北京1 0 0

2、0 6 8)摘要：基于我国在长大隧道火灾安全体系研究方面的需要，采用C F D 方法对长大隧道纵向式通风控制火灾烟流的f h J 题进行了数值模拟计算，研究不f 司通风条件对烟流的控制效果，得出了在满足控制烟气回流的基础上排烟风速的提高与所取得的降温效果对比，以及风流经过火区后的蔓延增长变化，同时总结 I 烟流温度分布特征及对隧道结构不M 部位的危害，可为隧道的防火与通风方案的制定，以及灾后检测评定工作提供相关的理论依据和参考。关键词：隧道火灾；数值模拟；烟流；温度；速度中图分类号：X 9 3文献标识码：AT h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t

3、 i o na n a l y s i so fs m o k ef l o wc o n t r o l l e db yl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o ni nl o n gt u n n e lf i r eW A N GW 粕一d i1，Z H A N GJ i n g y a h l，F E N GL i a n 2，Z H A OC h u n g a n 9 3(1 I n s t i t u t eo fB u i l d i n gF i r eR e s e a r c h，C h i n aA c a d e m yo

4、 fB u i l d i n gR e s e a r c h，B e i j i n g1 0 0 0 1 2，C h i n a)(2 S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g，S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y，C h e n g d u6 1 0 0 3 1，C h i n a)(3，N o 2C o n s t r u c t i o n&I n s t a l l a t i o n，C o r p o r a t i o no fC h i n aC o n s t r u

5、c t i o n-1 1 l i r dE n g i n e e r i n gB u r e a uC o L T D，B e i j i n g1 0 0 0 6 8，C h i n a)A b s t r a c t：T om e e tt h en e e do fr e s e a r c ho nf i r es a f e t ys y s t e mf o rt h el o n gh i g h w a yt u n n e l s，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo ft h el o n g i t

6、u d i n a lv e n t i l a t i o nc o n t r o lo nf i r es m o k ef l o wi nt h el o n gh i g h w a yt u n n e lw a sp r e s e n t e di nt h i sp a-p e r B a s e do nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t t I l ed i f f e r e n te f f e c t so ns m o k et e m p e r a t u r eu n d e rv a r i o u sv e n t

7、i l a t i o nc o n t r o l sw e r ec o m p a r e d 7 n l ev e l o c i t yc h a n g eo ft h ea i r f l o wp a s s i n gt h r o u g hf i r ez o n ew a sa l s oa n a l y z e d F r o mt h ea n a l y s i s，t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r sa n dd e v e l o p m e n to fs m o k ei nt u n n e l

8、f i r ew e r eg e n e r a l i z e d，w h i c hm a yp r o v i d et h er e f e r-e n c eb a c k g r o u n df o rf i r ep r e v e n t i o nd e s i g n K e yw o r d s：h i g h w a yt u n n e lf i r e；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n；s m o k ef l o w；t e m p e r a t u r e；v e l o c i t y收稿日期：2 0 1 0-0

9、4-0 1作者简介：王婉娣，女，硕士，工程师。基金项目：冈家高技术研究发展计划(8 6 3 计划)(编号：2 0 0 7 A A iI Z l 2 5)；中闻建筑科学研究院自筹基金科研项目(编号：2 0 0 7 0 1 1 1 3 3 0 7 3 0 0 0 2)1引言火灾是隧道的主要灾害之一，随着隧道长度的增加，隧道火灾风险增加。然而防火救灾却是目前隧道通风的难点2 1，因此深入研究通风对长大隧道火灾烟流的控制问题，对长大隧道的建设和安全运营有着重大意义。万方数据第3 期中国安全生产科学技术2 9 我国的相关规范中对于隧道火灾的排烟设计规定较为简单，只对火灾时通风所应满足的最小风速有明确规定

10、，如公路隧道通风照明设计规范1 3J中：通风设计时必须考虑火灾对策，长度大于1 5 0 0 m且交通量较大的隧道应考虑排烟措施；火灾时排烟风速可按2 m s 一3 m s 取值。地铁设计规范HJ中：区间隧道火灾的排烟量，按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2 m s 计算，但排烟流速不得大于1 1 m s。然而对于较长的隧道，火灾将是影响隧道安全运营的一个关键因素，火灾时的排烟对于安全疏散以及结构安全方面都有起着重要作用，一些重要或特长隧道的防火设计中不仅需要满足上游人员安全疏散的临界排烟风速，也需要在考虑火灾过程中提高排烟风速以降低火灾对隧道结构的破坏。而提高排烟风速设计在规范中尚没有相关的指

11、导或说明，所以防火设计中通风方案的制定往往不清楚是否需要考虑提高排烟风速以及提高的程度。当前对火灾的研究方法主要有隧道试验、实验室试验和计算机模拟。受条件限制，实体试验研究较难开展，所以借助计算机对实体隧道进行火灾数值模拟已成为一种有效的预测方法。特别是对于我国长大隧道在防灾方面的经验还较少的情况下，通过计算机模拟，能获得较全面的火灾时期风流状态数据，从而为消防决策提供依据。本文采用C F D(C o m p u t e rF l u i dD y n a m i c s)技术对长大隧道火灾时的紧急通风进行三维数值模拟，得到火灾中每一点烟气的详细情况，对复杂的火灾现象进行全方位分析，以探讨不同

12、的火灾排烟风速下烟气危害控制的效果，从而为隧道防灾设计提供依据和指导。2 数值计算模型和方法建立采用场模型进行隧道火灾烟气流动模拟。场模型以质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理为基础，给出火灾环境中受限空间内部状态参数的空间分布及其随时间的变化口，l。烟气流动及传热传质的控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程、状态方程以及化学组分方程。由于隧道火灾中烟流速度较高，加上燃烧等化学反应的影响，因此隧道内烟流一般都处于湍流工况。采用k-8 双方程湍流模型来封闭烟气流动时均方程组，则火灾烟气流动场模拟的运动微分方程组的通用形式-f 写成6 卅啬(p 9)+如(胪妒)=批(f，g r a d

13、 自o)+s 尹(1)式中，t p 代表某一通用物理量(如速度、温度、组分等)，L 是通用物理量9 的扩散系数，S 妒是源项。在火灾引起的空气流动中，浮力有重要影响，因此火灾过程的模拟需采用受浮力影响的湍流模型。k 和占的变化遵循下列方程8 I：必。9 t+掣O x=毒O x(瓮o r 差O x)崛煽叫fi E，o”(2)业盟+业堡盟O t酝i=立(瓮塑axjOxj)+盯等 c。(G +G B)(1+c 3 R r)一c 2 p 占(3)式中，(伉+G。)表示k 的产生率，其中G。集中体现浮力的作用，o r 为普朗特(P r a n d t l)数。其中，G t=以(誊+誊)(誊)(4)G。一

14、触iv,r=隗I i t,差(5)采用有限体积法推导控制方程组的离散方程，该法是求解微分方程的数值方法之一，其物理意义直接明晰，在最近十几年得到迅速的发展，成为一种应用广泛的数值计算方法 9“0 I。选取国内某长大隧道作为算例进行有关隧道火灾的分析研究。在长大隧道的防灾中，火灾模式下的通风是其关键技术，本文对不同通风风速所形成的烟流状况进行模拟，以分析通风风速对烟流的控制效果和分布影响，风速大小分别取2，3，4，5，6 m s。为了清晰反映隧道内不同位置的烟流状况，本文取了四个典型分析位置a、b、c 和d。位置a 取在距地面2 m 处的隧道中心，位置b 位于拱顶，位置C位于拱腰，位置d 位于隧

15、道底部墙角。3 火区上游烟气回流控制对于长大隧道采用的通风方式为纵向式，其火灾模式下的通风设计，目的在于利用通风系统控制隧道内火灾烟气流向，阻止回流的产生，及时排除烟万方数据3 0 中国安全生产科学技术第6 卷气，为人员和车辆疏散以及消防救援提供安全通道和便利，保证火区上游对乘用人员具有安全性。为此，要用高于临界风速的机械通风气流作用于着火隧道。计算结果表明：火灾时，若通风速度。2 m s，将有一部分烟气向火区上游回流，如图1。图中有明显的回流现象，回流速度1 m s 左右，回流长度约4 0 m，表明2 m s 的风速达不到火灾应急通风的要求，应适当提高通风速度。当提高到3 m s 后，结果显

16、示烟气回流现象消失，如图2。围1通风风速3 m s 下的轴线纵断面温度分布图2 通风风速3 m s 下的轴线纵断面温度分布4 火区下游烟气高温危害控制隧道发生火灾时，高温烟气是造成人员伤亡和设备、结构损坏的主要原因，研究烟气的温度分布对于人员逃生、隧道内设备的选型、结构的保护、以及火灾时救援和通风方案的制定都有着极其重要的意义。烟气温度受燃烧规模、强度、通风条件等因素的影响，在此分析改变通风条件引起的烟气温度分布变化，从而研究改善通风条件对烟流高温危害的控制效果。在3 m s 风速下，图3 给出了温度分布曲线。图中曲线为文中所取分析位置a,b、c、d 沿隧道纵向的温度变化。结果表明，拱顶最高温

17、度达4 3 0，拱腰最高温度也近4 3 0，墙角最高温度为3 4 0。从曲线来看，火区下游约1 5 0 m 的隧道内烟流温度分布不规则，温度曲线有波动，波幅沿隧道长度逐渐减小，随着烟气继续往下游蔓延，隧道内温度呈现上部高底部低的规则分布趋势，温度曲线平滑下降，且下降梯度随着远离火源而逐渐减小。z(m)图3 风速3 m s 下的烟流温度沿纵向的变化曲线由于火区下游约1 5 0 m 的区域温度分布不规则，这将导致下游约1 5 0 m 内的隧道结构损伤分布不规则，同一水平高度的隧道结构在纵向上的受损程度，并非简单的随火区的远离而减弱，而是伴随着受损程度高低交错的波动现象。本文各点温度曲线所反映出的波

18、动交错特征对于灾后隧道结构损伤检测评定分析有着重要的指导意义。当把风速增加到5 m s 后的温度分布曲线如图4。与3 m s 风速下的温度曲线比较可看出，由于纵向通风速度增大，各温度曲线值均有所降低，曲线波动也减弱了。拱顶最高温度降到2 3 0。C，拱腰最高温度降到2 6 0，墙角最高温度只有1 0 0。C，可见拱顶、拱腰及墙角的最高温度都下降2 0 0 左右，此外，风速加大后，由于火羽流被压低，拱腰的最高温度稍高于拱顶的最高温度。z m)图4 风速5 m s 下的烟流温度沿纵向的变化曲线万方数据第3 期中国安全生产科学技术3 l 以上可见，为了降低火灾时隧道内的温度，可考虑适当的提高通风风速

19、。此外，两种通风风速下的温度曲线图一致湿示，拱顶和拱腰的温度曲线始终都高于墙角处的温度曲线。可见，火灾中即使通风风速改变，墙角的温度都低于拱顶和拱腰温度。这一特征可作为隧道通信、动力电缆等的布设依据。同时，鉴于隧道上部的拱腰和拱顶温度较高，设计中应充分考虑相应部位建筑材料的耐火等级。另外，也要考虑对安设在顶部的通风设备进行耐火和高温的防护。为此，本文给出不同通风风速下的拱顶温度曲线，以便为隧道的相关防火设计提供参考，如图5。Tz C m)图5 拱顶温度沿纵向的变化曲线(注：7 -f(i=2，3，4，5，6)表示通风风速为i m s 下的温度分布)图5 中曲线表明：(1)由于强制通风而使火羽流朝

20、火区下游倾斜，并未对火区正上方的拱顶直接烘烤，从而拱顶受到高温严重破坏的区域是在火区下游，而且随着风速的增大，拱顶最高温度出现的位置偏离火区越远。对于各通风风速下的拱顶最高温度值及其偏离火源的距离见表l。表1拱顶最高温度值及其偏离火源的距离(2)随着通风风速的增大，拱顶最高温度的确得以降低。不过，应该看到，风速从5 m s 提高到6 m s，温度的下降幅度已经不大，而且6 m s 下拱顶的最高温度已降至2 0 0，再继续加大风速意义不大。所以从经济的角度来讲，建议火灾中所设定的最大通风速度有一个合理限度。5 火区下游烟气蔓延在改变通风条件对烟气危害进行有效控制的同时，也将导致烟气在隧道内的流动

21、随之变化。对于风速从2 m s 逐次增加到6 m s 所引起的烟流速度的变化如图6。由于当通风风速变化时，随着通风风速的增加，加快了下游烟气的蔓延。另一方面，由于风流经过火区受热膨胀，密度减小引起风速增加，因而各通风风速下，火区下游有较长区间的流速大于上游通风风速。计算结果表明速度增长值约3 m s，因此建议火灾通风方案的制定应考虑到火区下游流速的增长变化，以顾及到火灾若发生在交通行驶缓慢时，通风方案对下游车辆疏散的影响。6 结论图6 烟流速度沿纵向的变化曲线(注I t 一(江2，3，4，5，6)表示通风风速为im s 下的烟流速度分布)不同的隧道发生的火灾不尽相同，针对这些纷繁复杂的情况作一

22、一具体的实验和计算是不现实的，因而对于隧道火灾有关规律的研究和总结十分重要。本文就火灾模式下的紧急通风及相应的烟流流动和温度作了详细深入的分析，得到如下结论：(1)对于需要考虑在火灾过程中提高排烟风速的隧道防火通风设计，目前无规范可参照，文中万方数据3 2 中国安全生产科学技术第6 卷关于风速增加所取得的降温效果对比研究，可为设计中的火灾通风方案制定提供理论参考依据和指导。(2)火灾中，隧道上部的拱腰和拱顶温度较高，建议设计中加强相应部位建筑材料的耐火性能，并且对安设在顶部的通风设备进行耐火和高温防护；而底部墙角温度相比之下较低，适宜有关设施的布置和埋设。(3)强制通风下拱顶高温最严重的区域出

23、现在火区下游，而且随着风速的增大，拱顶最高温度的位置偏离火区越远；同时，火区下游一定区域内(约1 5 0 m 左右)隧道内温度分布不规则，同一水平高度的隧道结构在纵向上的高温受损程度，并非简单的随火区的远离而减弱，而是伴随着受损程度高低交错的波动现象。在灾后隧道结构损伤检测工作中应该结合本文提出的这些特征进行合理有效的检测和评定分析，以便对隧道的结构损伤和修复做出全面科学的判断。(4)从投入的风量增量所取得的烟流温度控制效果来看，随着通风风速逐次等量递增，烟流温度逐次降低的差值越来越小，即降温效果越来越不明显。火灾中所设定的最大通风速度应该有一个经济合理的限度，如本文研究对象的最大通风风速建议

24、为6 m s o(5)风流经过火区受热膨胀后流速的增长值约3 m s，建议火灾模式下通风预案的制定中考虑该效应在交通不良状况下对下游车辆疏散的影响，以便火灾发生时，根据现场的交通情况启动相应的通风预案。文中对隧道火灾烟流流动和温度所作的分析可为长大隧道的防火与通风方案的制定，以及灾后检测评定工作提供相关的理论依据和参考。参考文献 1 澳大利亚-亚洲防火理事会(A F A C)公路隧道火灾安全导则2 0 0 1A u s t r a l a s i a nF i r eA u t h o r i t i e sC o u n c i l(A F A C)F i r eS a f e t yG u

25、 i d e-l i n e sf o rR o a dT u n n e l s fR】I s s u el。2 0 0 1 2 夏永旭我国长大公路隧道通风中的几个问题 J 公路2 0 0 3(5)X I AY o n g-x u S e v e r a lP r o b i e l l M,dL o n gR o a dT u n n e lV e n t i l a t i o ni nC h i n a J R o a d 2 0 0 3(5)3 公路隧道通风照明设计规范邶2 6 1 1 9 9 9 中华人民共和国交通部，2 0 0 0S p e c i f i c a t i o n

26、 sf o rD e s i g no fV e n t i l a t i o na n dL i g h t i n go fH i g h w a yT u n n e lJ 7 I 2 6 1 1 9 9 9 M i n i s t r yo fC o m m u n i c a t i o n so ft h eP e o-p l e 自R e p u b l i co fC h i n a，2 0 0 0 4 地铁设计规范G B 5 0 1 5 7-2 0 0 3，中华人民共和国建设部，2 0 0 3C o d ef o rD e s i g no fM e t r oG B 5

27、0 1 5 7 2 0 0 3 M i n i s t r yo fC o n s t r u c t i o no ft h eP e o p l e bR e p u b l i co fC h i n a 2 0 0 3【5 庄磊，黎吕海，陆守香我囤建筑防火性能化设计的研究和应用现状 J 中国安全科学学报，2 0 0 7，1 7(3)Z H U A N GL e i，L IC h a n g-h a l，L US h o u x i a n g S t u d y i n ga n dA p-p l y i n gS t a t u so fP e d o r m a n c e-b a

28、 s e dF i r eP r o t e c t i o nD e s i g ni nC h i n a J C h i n aS a f e t yS c i e n c eJ o u r n a l，2 0 0 7。1 7(3)6】岑可法，樊建人燃烧流体力学北京：水利电力出版社，1 9 9 1C E NK e 也F A NJ a n-t e n B u r n i n gH y d r o d y n a m i c s H y d r a u l i ca n dE l e c t r i cP o w e rP r e s s，1 9 9 1【7 S V P A T A N K

29、A R 著，郭宽良泽传热和流体流动的数值方法合肥：安徽科学技术出版社，1 9 9 4S V P A T A N K A R N u m e r i c a lM e t h o do fH e a tT r a n s f e ra n dF l u i dF l o w H e f e i：A n h u iS c i e n c e T e c h n o l o g yP r e s s，1 9 9 4 8 范维澄，王清安，姜冯辉，周建军火灾学简明教程合肥：中国科学技术大学出版社，1 9 9 5F A NW e i c h e n g，W A N GQ i n g-a n，J A N G

30、F e n g-h u i，Z H O UJ i a n-j F i r eS a f e t yS c i e n c eT u t o r i a l P r e s so fU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a，1 9 9 5 9 陶文铨数值传热学两安：西安交通大学出版社，2 0 0 1 5T A OW e n q u a r t N u m e r i c a lT r a n 面e r X i a n：P r e s s0 fX i a nJ i a o-t o n gU n i

31、 v e r s i t y，2 0 0 1 5 1 0】H K V e r s t e c ga n dW M a l a l a a s k e r a 计算流体力学导论W o r l dB o o kP u b l i s h i n gC o m p a n y，B e i j i n gC o m p a n y，2 0 0 0H K V e r s t e e ga n dW M a l a l a s e k e c a A nI n t r o d u c t i o nt oC o m p u-r a t i o n a lF l u i dD y n a l n i c 8

32、 世界图书出版公司北京公司，2 0 0 0 1 1 张靖岩，王婉娣，彭伟，等纵向风速对隧道内烟气发展影响的实验研究【J】中国安全生产科学技术，2 0 1 0，6(1)：1 7 2 0Z l I A N GJ i n g-y a n，W A N GW 明-d i，P E N GW e i，e ta 1 E x P e r i-m e n t a ls t u d yO l lt h ee f f e c to fl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n0 1 1s m o k ed e-v e l o p m e n ti nt u n n e l

33、 s J J o u r n a lo fS a f e t yS c i e n c ea n dT e c h n o l-o 留。2 0 1 0，6(1)：1 7 2 0万方数据纵向通风对长大隧道火灾烟流控制分析纵向通风对长大隧道火灾烟流控制分析作者：王婉娣，张靖岩，冯炼，赵纯刚，WANG Wan-di，ZHANG Jing-yan，FENG Lian，ZHAO Chun-gang作者单位：王婉娣,张靖岩,WANG Wan-di,ZHANG Jing-yan(中国建筑科学研究院建筑防火研究所,北京,100013)，冯炼,FENG Lian(西南交通大学机械工程学院,成都,610031)，

34、赵纯刚,ZHAOChun-gang(中建三局建设工程股份有限公司(北京)第二经理部,北京,100068)刊名：中国安全生产科学技术英文刊名：JOURNAL OF SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：2010,06(3)参考文献(11条)参考文献(11条)1.澳大利亚-亚洲防火理事会 公路隧道火灾安全导则 20012.夏永旭 我国长大公路隧道通风中的几个问题期刊论文-公路 2003(05)3.JTJ 026.1-1999.公路隧道通风照明设计规范 20004.GB 50157-2003.地铁设计规范 20035.庄磊;黎昌海;陆守香 我国建筑防火性能化设计的研

35、究和应用现状期刊论文-中国安全科学学报 2007(03)6.岑可法;樊建人 燃烧流体力学 19917.SVPATANKAR;郭宽良 传热和流体流动的数值方法 19948.范维澄;王清安;姜冯辉;周建军 火灾学简明教程 19959.陶文铨 数值传热学 200110.H.K.Versteeg;W.Malalasekera 计算流体力学导论 200011.张靖岩;王婉娣;彭伟 纵向风速对隧道内烟气发展影响的实验研究期刊论文-中国安全生产科学技术 2010(01)本文读者也读过(3条)本文读者也读过(3条)1.吴德兴.李伟平.郑国平.WU De-xing.LI Wei-ping.ZHENG Guo-ping 公路隧道火灾排烟临界风速模型试验与数值解析研究期刊论文-公路2011(8)2.李欢欢.朱国庆.陈少松.张磊.张娟.LI Huan-huan.ZHU Guo-qing.CHEN Shao-song.ZHANG Lei.ZHANG Juan 公路隧道中临界风速数值模拟研究期刊论文-消防科学与技术2011,30(3)3.何凯明.HE Kai-ming 隧道火灾数值模拟及人员疏散安全性研究期刊论文-交通标准化2010(11)本文链接：http:/