火源長寬比對隧道內(nèi)矩形火燃燒特性的影響研究

葉美娟，紀 杰*，高子鶴，蔣 勇，周 揚，周 帆

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州，450001;3.合肥科大立安安全技術(shù)有限責(zé)任公司，合肥，230088)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，城市化進程逐步加快，為了降低區(qū)域人口增長帶來的交通壓力，地下空間的開發(fā)和使用正如火如荼地進行，隧道建設(shè)規(guī)模逐年增大。然而，隨著隧道數(shù)量和長度的不斷增加，隧道火災(zāi)事故發(fā)生的頻率也越來越大。隧道空間狹長且安全出口少，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，高溫?zé)煔怆y以有效排出，將對人員生命和隧道結(jié)構(gòu)造成嚴重威脅[1,2]。

前人已經(jīng)對軸對稱火源(方形和圓形火源)在長隧道或廊道結(jié)構(gòu)中的燃燒特性開展了較為廣泛的研究。Gao等[1]通過分析火焰的幾何尺寸，建立了無量綱火焰高度、無量綱頂棚火焰長度與無量綱火源功率的關(guān)系。Li等[2]根據(jù)軸對稱火焰羽流理論進行了理論分析和小尺寸實驗，研究了隧道火災(zāi)中頂棚下方最高氣體溫度。Fan等[3]通過小尺寸實驗研究了采用豎井自然通風(fēng)的公路隧道中正方形正庚烷池火的空氣卷吸模式。

然而在實際的隧道車輛火災(zāi)案例中，火源往往具有一定的長寬比，如普通的公共汽車其長寬比在3到4之間，而貨車、油罐車以及拖車的長寬比通常大于3。在極為嚴重的連環(huán)相撞事故導(dǎo)致多輛汽車起火的隧道火災(zāi)事故中，其火源長寬比則更大。在這些情況下，隧道火災(zāi)的蔓延發(fā)展過程很可能將不能用軸對稱火災(zāi)實驗得到的結(jié)果來闡述。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，火焰上升撞擊頂棚會形成沿頂棚水平徑向擴散的頂棚射流火焰，將顯著增加火焰區(qū)域?qū)ν獾妮椛錈崃鳎黾铀淼阑馂?zāi)傳播的風(fēng)險。對于非軸對稱的隧道火災(zāi)，隧道側(cè)壁和頂棚對卷吸的限制作用同時受到火源長寬比和火源功率的影響。矩形火源的火焰高度和功率之間的關(guān)系介于軸對稱火源和線性火源之間[4]，關(guān)于矩形火源的長寬比、火源功率和空氣卷吸受限程度之間的關(guān)系仍需進一步研究[5]。

本研究通過開展小尺寸隧道火災(zāi)實驗，以丙烷氣體為燃料，研究了不同長寬比的矩形氣體火在隧道中的燃燒行為，同時還考慮了矩形燃燒器貼壁時不同擺放形式的影響，以揭示受限空氣卷吸對火焰高度的影響規(guī)律，并建立頂棚火焰蔓延長度的經(jīng)驗公式。

1 實驗介紹

本文的實驗共考慮兩種環(huán)境條件：(1)開放空間。1～3系列的實驗在一個內(nèi)部尺寸為8.0 m(長)×8.0 m(寬)×3.5 m(高)的房間里開展，燃燒器分別被放置在實驗房間地板中心點上(火源面距離地板的高度是0.24 m)以及緊貼實驗房間一側(cè)墻壁處。(2)隧道內(nèi)。4～7系列的實驗在小尺寸隧道模型試驗臺上開展，氣體燃燒器分別被放置在隧道模型中心線上以及緊貼隧道側(cè)壁處。該隧道試驗臺的主體尺寸為長6 m，寬2 m，高0.88 m。試驗臺主體框架為鋼結(jié)構(gòu)。隧道頂棚、地面及一邊側(cè)壁由0.2 m厚的防火板組成。為了方便觀察實驗進程和記錄火焰圖像，靠近操作臺的隧道側(cè)壁采用10 mm厚度的防火玻璃。同時考慮了矩形燃燒器貼壁時不同的擺放形式，分別為長邊貼壁和短邊貼壁。1～7系列燃燒器的詳細擺放位置如圖2所示。

圖1 1/6尺寸隧道模型實驗臺Fig. 1 1/6 Scale tunnel model

圖2 實驗布置圖Fig. 2 Placement of gas burners

采用丙烷氣體作為燃料來模擬火源，丙烷的燃燒熱值為46.45 kJ/g?；鹪疵娣e均為400 cm2，長寬比(n=L/W)分別設(shè)置為1、2、4、8，在4種長寬比下，火源尺寸分別為：20 cm×20 cm、14 cm×28 cm、10 cm×40 cm和7 cm×56 cm。實驗過程中燃燒器始終保持水平狀態(tài)。在進氣管路安裝精度為0.1 m3/h的氣體流量計用來調(diào)節(jié)丙烷氣的流量大小，從而控制改變不同的火源功率。每組實驗設(shè)置了六個氣體流量，認為丙烷的燃燒效率為1，其對應(yīng)的火源熱釋放速率分別為：10.37 kW，16.59 kW，24.88 kW，35.94 kW，49.76 kW和66.35 kW。最大的火源功率66.35 kW對應(yīng)的正方形火源的Froude數(shù)是2.4，在該條件下火源的初始動量可以忽略，可燃氣體主要受浮力驅(qū)動向上流動[6]。實驗采用正交實驗的方法，改變火源長寬比、燃燒器放置位置和朝向以及火源功率，總共進行了150組實驗。

火焰的形態(tài)特征由放置在隧道側(cè)面和正面的數(shù)碼相機以25幀/秒的頻率拍攝，實驗視頻采用Yan等[7]開發(fā)的圖像處理軟件進行處理?；鹧娴母叨群退介L度選用穩(wěn)定階段的每幀圖像處理得到的數(shù)據(jù)的中位值[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰形態(tài)

圖3展示火源功率24.88 kW不同長寬比的丙烷氣體火的火焰圖像。在一定的功率下，火羽流卷吸空氣的受限制程度對火焰高度有顯著的影響。對開放空間火(圖3(a))來說，隨著矩形火源長寬比的增大，其火焰高度不斷減小?？紤]到本文的實驗條件，火焰區(qū)域的空氣卷吸是受火源周長的影響的,火焰長度一定時，卷吸直接跟火源周長相關(guān)[8]。在相同的火源面積下，長寬比的增大會導(dǎo)致火源周長的增大，火源從周圍卷吸的空氣增多，導(dǎo)致了火焰高度的降低。長寬比為1和2的矩形火源的火焰高度基本相同，遠高于其余兩個火源。這說明在長寬比較小的情況下，形狀效應(yīng)對火焰高度的影響不是很明顯。對于長寬比大于4的火源來說，火源形狀對火焰形態(tài)和火焰高度的影響非常明顯。對于貼壁火，當(dāng)矩形燃燒器的長邊貼壁時(圖3(b))，隨著矩形火源長寬比的增大，其火焰高度仍不斷減小，但總體火焰高度明顯高于開放空間條件下火源的火焰高度。此時，由于卷吸不對稱，火焰形態(tài)表現(xiàn)為貼著墻壁向上方蔓延。相比開放空間來說，空氣卷吸受到限制，火焰蔓延至更高的位置以保證可燃氣體充分燃燒。當(dāng)燃燒器的短邊貼壁時(圖3(c))，火源的火焰高度仍隨著燃燒器長寬比的增大而減小，火焰高度與開放空間相近，說明此時卷吸受限程度不大，火焰蔓延沒有受到墻壁明顯的影響。

圖3 不同長寬比條件下丙烷氣體火的典型火焰圖像Fig. 3 Typical flame images of propane gas fire

當(dāng)火源位于隧道中心線上時(見圖3(d)和圖3(e))，隨著火源長寬比的增大，火焰高度同樣不斷減小，此時不同朝向的矩形火源的火焰高度基本相同。由于隧道頂棚的限制，當(dāng)火焰撞擊頂棚之后，沿頂棚下方徑向蔓延，形成頂棚射流火焰。當(dāng)火源貼壁時(見圖3(f)和圖3(g))，火焰撞擊隧道頂棚并沿頂棚向隧道縱向和橫向蔓延。當(dāng)矩形燃燒器長邊貼壁時，由于火源卷吸空氣受限明顯，火焰蔓延距離較長，所有長寬比條件下都能夠形成頂棚射流火焰。

而當(dāng)矩形燃燒器短邊貼壁時，隧道側(cè)壁對火源的空氣卷吸影響有限，此時矩形燃燒器長寬比的增大會導(dǎo)致火焰高度的減小，當(dāng)火源長寬比較大時，火焰高度低于頂棚，則無頂棚射流火焰形成。對于隧道內(nèi)的貼壁火，在隧道側(cè)壁與頂棚的夾角處，熱羽流向下流動，而浮力方向卻是向上的，會形成反浮力羽流[9]，進而在墻角形成漩渦。墻角渦旋的存在帶來了更多的空氣卷吸，這一機制與火源功率、火源長寬比和墻角對空氣卷吸的抑制作用共同影響了頂棚射流的縱向火焰長度。

圖4給出了不同條件下垂直和水平火焰長度的定義。Hf是垂直火焰長度(即火焰高度)，rf,l和rf,t分別是頂棚下的縱向和橫向頂棚射流火焰長度?？偦鹧骈L度Lf為垂直火焰長度和水平火焰長度的總和。當(dāng)平均火焰長度小于0.62 m(燃燒器表面到隧道頂棚之間的距離)時，表明此時火焰未撞擊頂棚。對放置在隧道中心線上的火源，水平火焰長度是火焰尖端到火源中心線的距離。對于貼壁火，rf,l是指從縱向火焰尖端到火焰中心線的水平距離，rf,t是從橫向火焰尖端到側(cè)壁的水平距離。

圖4 頂棚射流火焰長度示意圖Fig. 4 Schematic diagram of ceiling jet flame lengths

為了量化實驗結(jié)果，我們使用火焰圖像識別軟件[7]對實驗中記錄的火焰視頻進行處理，得到火焰的平均長度數(shù)據(jù)，如圖5所示。N1、N2、N4和N8分別代表長寬比為1、2、4和8的火源，燃燒器編號后面的“T”表示燃燒器的長軸垂直于墻壁或隧道中心線，燃燒器編號后面不帶“T”代表了燃燒器長軸與隧道中心線平行的工況。

由圖5可以看出當(dāng)長寬比小于等于2時，開放空間火焰的長度會高于位于隧道中心線的火焰長度；當(dāng)長寬比大于4時，開放空間火焰的長度與位于隧道中心線的火焰長度相近，此時隧道環(huán)境對火焰長度的影響不大。當(dāng)燃燒器的長軸與墻壁或隧道平行時，長寬比大于等于4時的貼壁火的火焰長度要大于隧道內(nèi)貼壁火的火焰長度；當(dāng)燃燒器的長軸與墻壁或隧道垂直時，貼壁火的火焰長度與隧道內(nèi)貼壁火的火焰長度相差不大，此時隧道環(huán)境對貼壁火的火焰長度的影響不大。

圖5 不同受限情況下的總火焰長度Fig. 5 Total flame lengths under different confinement conditions

2.2 開放空間及隧道中心線火的火焰長度

(1)

其中ρ∞是空氣密度，cp是空氣的定壓熱容，T∞是環(huán)境溫度，g是重力加速度，W和L分別是矩形火源的寬度和長度。

對于方形池火(長寬比為1)，火焰高度和火源功率之間的關(guān)系可以由下面的公式來表達[1]：

(2)

其中，對于開放空間的軸對稱火，m=0.4，對于開放空間的貼壁火，m=0.5[1]。

(3)

(4)

Sugawa等[9]從空氣卷吸的角度研究了矩形火的火焰高度和火源功率之間的關(guān)系，并推導(dǎo)出系數(shù)k等于表觀混合分數(shù)的1/(2n+3)次方，表觀混合分數(shù)是跟火源形狀和火源面積相關(guān)的參數(shù)。且對于線型火，m=0.67，對于方形火，m=0.4。矩形火的m值介于軸對稱火和線型火之間。前人得到的指數(shù)與該研究中的結(jié)果有所不同，而導(dǎo)致這種差異的原因可能主要是實驗中采用的燃燒器的長寬比不同。Sugawa所使用的是長寬比更大的線型火。我們還在圖6中給出了來自Hasemi[4]的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)點均分布在曲線附近。這說明公式(3)和公式(4)能較好地表征本文的實驗和前人的工作。

圖7是當(dāng)火源位于隧道中心線時火焰的總長度?？梢钥闯?，對于所有的火源長寬比和火源功率，無論燃燒器垂直還是平行于隧道，rf,l和rf,t幾乎相等。這意味著天花板下的頂棚射流都是呈現(xiàn)圓形擴展的，如圖4(a)所示。這表明，在本文的實驗工況下，由于橫向火焰長度小于隧道半寬，火焰水平蔓延階段隧道側(cè)壁對側(cè)向擴展沒有影響。但是，如果火源功率繼續(xù)增加，橫向火焰?zhèn)鞑タ赡軐⑹艿絺?cè)壁的影響。對于長寬比為8的燃燒器，即使燃燒功率達到最大值，火焰也未撞擊頂棚。

(實心符號：本文實驗數(shù)據(jù)，空心符號：Hasemi[4]的實驗數(shù)據(jù))圖6 無量綱火焰高度與無量綱火源功率之間的關(guān)系Fig. 6 The relationship between dimensionless flame height and dimensionless heat release rate

(實心符號：縱向長度，空心符號：橫向長度)圖7 火源位于隧道中心線的火焰總長度Fig. 7 Total lengths of the flame with the fire source at the center line of the tunnel

(5)

公式(5)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.97，該式計算得到的特征火焰長度與圖8所示兩個方向所有寬高比下的火焰長度數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。

(實心符號：縱向長度，空心符號：橫向長度)圖8 火源位于隧道中心線的火焰總長度與無量綱火源功率的關(guān)系Fig. 8 The relationship between the total length of the flame and the dimensionless power of the fire source with the fire source at the center line of the tunnel

2.3 貼壁火及隧道內(nèi)貼壁火的火焰長度

對于矩形氣火貼壁燃燒時，我們認為火焰是主要受浮力控制的準穩(wěn)態(tài)火焰，墻的存在只是會對空氣卷吸造成影響，而不對雷諾數(shù)造成影響，在本研究中，火焰被認為是充分發(fā)展的湍流擴散火焰。Hasemi將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于矩形火研究，提出了虛點源的概念[10，11]，該方法不考慮由于壁面摩擦和壁面導(dǎo)熱引起的熱損失。Sugawa認為如果火源位于靠墻的位置，火焰高度和羽流溫度往往比非受限火高出許多，并將其歸因于空氣卷吸量的減少[10]。他們提出了一個混合分數(shù)的比例系數(shù)km(open)/km(wall)=2，即認為墻壁屏蔽了一半火焰空氣卷吸。因此，火焰高度增長系數(shù)為22/3。

(6)

(7)

圖9 貼壁火的火焰高度Fig. 9 Flame height of wall fire

考慮燃燒器的長寬比n對火焰長度的影響，引入一個無量綱特征參量(n+1)/n。綜合考慮火源功率、火源尺寸和貼壁方向，得出了如下表達式：

(8)

公式(8)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.94。貼壁火的無量綱火焰總長度如圖10所示，特征火焰長度在兩種貼壁方向條件下的預(yù)測值和實驗值之間具有良好相關(guān)性。

圖10 貼壁火的無量綱火焰高度Fig. 10 Dimensionless flame height of wall fire

而對于隧道內(nèi)火源貼壁時，如圖4(b)所示，頂棚下的火焰應(yīng)為半橢圓形。半橢圓的長軸是否垂直于壁面，與燃燒器的長寬比、放置方向和火源功率有關(guān)。圖11顯示了不同長寬比條件下燃燒器緊貼隧道側(cè)壁時的火焰總長度。同時在圖11中增加了火源隧道中心線上的數(shù)據(jù)以方便對比。對于火源位于隧道中心線上的情況，由于火焰總長度不受放置方向的影響，選擇兩個方向上的算術(shù)平均值來代表隧道中心線情況下火焰的總長度。

(實心點：縱向長度；空心點：橫向長度)圖11 隧道內(nèi)貼壁火的火焰總長度Fig. 11 Total flame length of wall fire in the tunnel

對于隧道內(nèi)貼壁燃燒，長寬比為1時，縱向和橫向火焰長度都比燃燒器位于隧道中心線上的情況更短。火焰撞擊隧道頂棚后在頂棚下方形成半橢圓形火焰，其長軸垂直于隧道側(cè)壁。在這種情況下，由于側(cè)壁和隧道頂棚拐角處存在渦旋，會卷吸更多的空氣進入燃燒區(qū)，使得rf,l比rf,t更短。隨著火源功率的增加，火源需要更多的空氣來支持燃燒。而此時，渦旋的卷吸所帶來的新鮮空氣不足，使得橢圓形長軸和短軸之間的差異越來越小。墻角的渦旋提高了卷吸空氣的效率，這與高子鶴的實驗結(jié)果是一致的[1]。對于長寬比為2的火源來說，當(dāng)長邊貼壁時，縱向和橫向的火焰長度是相等的。當(dāng)短邊貼壁時，橫向火焰長度大于縱向火焰長度，而且這個差值會隨著火源功率的增長而增大，這取決于燃燒器和隧道壁的相對方向。對于長寬比為4的火源來說，縱向和橫向火焰長度都比火源位于隧道中心的情況下長，這與前文所描述的是一致的，當(dāng)隧道內(nèi)火源貼壁燃燒時，火焰會沿側(cè)壁蔓延，導(dǎo)致其火焰長度更長。當(dāng)火源長寬比為8時，由于長寬比較大，隧道側(cè)壁對空氣卷吸限制程度更高，此時其縱向和橫向火焰長度相等，比隧道中心線位置長約40%。而短邊貼壁對空氣卷吸的影響很小，火焰長度與隧道中心線的情況下幾乎相等。

3 結(jié)論

本文采用1/6小尺寸隧道實驗臺進行了一系列實驗，采用不同火源功率和長寬比的矩形燃燒器作為火源，并改變?nèi)紵鲾[放位置和貼壁方向，對開放空間和隧道內(nèi)不同受限情況的矩形氣體火的火焰形狀和火焰長度進行研究。主要結(jié)論是：

1. 當(dāng)火源位于開放空間時，隨著火源的長寬比的增大，火源卷吸空氣周長增大，導(dǎo)致火焰高度不斷減小。

2. 對于矩形火貼壁燃燒，當(dāng)燃燒器的長邊靠墻時，火焰可以從另一個不靠墻的長邊和兩個短邊卷吸空氣。因此，火源的相當(dāng)部分被隧道側(cè)壁遮擋，無法卷吸到空氣?；鹪吹拈L寬比越大，遮擋度越大。側(cè)視圖上，火焰在更集中地向后貼在側(cè)壁上。當(dāng)燃燒器的短邊靠墻時，空氣卷吸的受限程度比燃燒器長邊靠墻時要弱。矩形火源貼壁燃燒時，貼壁一側(cè)的火焰傾向于側(cè)壁，而另一側(cè)不受側(cè)壁影響。