連續(xù)隧道洞口間煙氣擴(kuò)散特性研究

邱 浩 曾仕豪 袁中原

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031；2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計研究院科技工程股份有限公司 成都 610056）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，公路和隧道建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1]。由于隧道空間相對封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)對于隧道運營和人員安全將造成極大威脅。目前公路隧道通風(fēng)已經(jīng)有多種系統(tǒng)[2]，其中縱向式通風(fēng)對整個火災(zāi)區(qū)域的煙霧控制能力較好，且建設(shè)成本低，控制方便[3]，是隧道通風(fēng)的重要方式[4]，大部分隧道多采用縱向通風(fēng)[5]。

在公路路段上可能出現(xiàn)兩座或兩座以上縱向間隔距離較短的隧道，被稱作連續(xù)毗鄰隧道[6]，下文簡稱連續(xù)隧道。對于洞口間距較短的連續(xù)隧道，當(dāng)上游隧道發(fā)生火災(zāi)時，煙氣在縱向通風(fēng)風(fēng)速的作用下可能竄流至下游隧道，對下游隧道造成影響。

大部分學(xué)者的研究都重點關(guān)注連續(xù)隧道的污染物竄流，彭建康[7]等人研究了連續(xù)隧道出口污染物擴(kuò)散對下游隧道的影響。張翛[8]等人研究了白家山毗鄰隧道無風(fēng)和有風(fēng)時的污染物擴(kuò)散情況。章立峰[9]等人研究了山谷風(fēng)速和風(fēng)向等不同因素對連續(xù)隧道污染物竄流量的影響。也有少數(shù)學(xué)者針對連續(xù)隧道煙氣竄流做過研究，董啟偉和李俊梅[10]等人運用理論分析和數(shù)值模擬的方法研究了連續(xù)隧道發(fā)生火災(zāi)時的安全間距，為連續(xù)隧道的間距設(shè)計提供了參考。王強(qiáng)[11]等人利用縮尺實驗研究了連續(xù)隧道發(fā)生火災(zāi)時的三種煙氣竄流模式，提出了臨界竄流風(fēng)速公式模型。

綜上所述，有關(guān)連續(xù)隧道煙氣竄流問題的研究還較少，已有的研究也未具體分析煙氣竄流的特性和影響因素。本文主要通過STAR-CCM+數(shù)值模擬的方法研究連續(xù)隧道洞口間煙氣擴(kuò)散的特性。

1 數(shù)值計算模型

1.1 模型建立

本文依據(jù)某連續(xù)隧道的結(jié)構(gòu)建立連續(xù)隧道火災(zāi)三維數(shù)值計算模型，隧道斷面由矩形和半圓組成，矩形長12m、寬1.4m，半圓半徑為6m，如圖1 所示。為考慮流動的充分發(fā)展，上游隧道長度及洞口間距根據(jù)模擬工況設(shè)定，下游隧道長度為120m，計算域取洞口兩側(cè)和上方60m，忽略山谷部分，建立的三維模型如圖2 所示。

圖1 隧道截面尺寸Fig.1 Tunnel section size

圖2 連續(xù)隧道模型Fig.2 Continuous tunnel model

火源熱釋放速率采用2t模型，如下所示：

式中，Q為火災(zāi)熱釋放速率；t為時間；α為火災(zāi)增長系數(shù)。

參照NFPA，公路火災(zāi)一般為超快速火災(zāi)類型，因此， 將α取作 0.1876 ， 火源尺寸取為4m×2m×1.5m，熱釋放率和火源位置根據(jù)工況設(shè)定。通過文獻(xiàn)[12]計算可知，5MW、20MW 和50MW下的臨界風(fēng)速分別為2.2m/s、3.5m/s 和3.7m/s。

本文設(shè)定的模擬計算工況如表1 所示。

表1 模擬工況表Table 1 Simulation condition table

1.2 網(wǎng)格劃分

本文采用STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值模擬，其具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，提供了多面體、切割體和棱柱層等網(wǎng)格生成器，本文采用多面體和棱柱層網(wǎng)格生成器。為了兼顧計算時間和精度，本文采用0.1D*的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Meshing Results

1.3 邊界條件

隧道壁面、山體壁面以及地面均設(shè)置為壁面邊界，初始環(huán)境溫度為20℃，上游隧道進(jìn)口設(shè)置為速度邊界，保持設(shè)定的縱向通風(fēng)風(fēng)速不變，下游隧道出口以及與大氣相接觸表面均設(shè)置為壓力出口邊界。當(dāng)研究橫向風(fēng)時根據(jù)需要將對應(yīng)界面設(shè)置為速度進(jìn)口邊界。

1.4 可靠性驗證

為了驗證數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性，本文搭建了1:20 的縮尺連續(xù)隧道模型進(jìn)行實驗驗證。實驗的上下游隧道尺寸一致，分別為2.5m×0.25m×0.25m，熱電偶布置如圖4 所示，火源燃燒所用燃料為甲烷，環(huán)境溫度為30℃。選取火源位于距隧道進(jìn)口0.65m 處，熱釋放率為2.54KW，臨界風(fēng)速為0.53m/s，洞口間距為0.3m 的工況，對比溫度分布如圖5 和圖6 所示，由圖可知模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差很小。因此，本文采用STAR-CCM+進(jìn)行模擬計算研究可行。

圖4 測點布置（單位：m）Fig.4 Measuring point layout(unit:m)

圖5 縱向溫度分布（上游隧道）Fig.5 Longitudinal temperature distribution(upstream tunnel)

圖6 縱向溫度分布（下游隧道）Fig.6 Longitudinal temperature distribution(downstream tunnel)

2 結(jié)果與討論

2.1 縱向風(fēng)速對煙氣竄流的影響

根據(jù)隧道溫度場穩(wěn)定前后的狀態(tài)，隧道火災(zāi)發(fā)展可分為火災(zāi)初始階段和火災(zāi)穩(wěn)定階段[10]。

不同縱向風(fēng)速下的計算工況為Z1 和Z2?；馂?zāi)發(fā)生至120s 時的煙氣濃度如圖7 所示，從圖中可以看出，由于火災(zāi)初始階段的煙氣溫度較低，上游隧道出口處煙氣在水平慣性力的作用下均會竄流至下游隧道，并且竄流量會隨著縱向風(fēng)速的增大而增大。

圖7 不同縱向風(fēng)速下火災(zāi)初始階段的煙氣擴(kuò)散情況Fig.7 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different longitudinal wind speeds

火災(zāi)溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖8 所示，從圖中可以看出，由于溫度場穩(wěn)定后的煙氣溫度較高，即使縱向風(fēng)速達(dá)到3.7m/s，煙氣在熱浮力的作用下仍然不會竄流至下游隧道，而是浮升至大氣環(huán)境。并且隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣往下游隧道方向水平擴(kuò)散的距離也會增大。

圖8 不同縱向風(fēng)速下溫度場穩(wěn)定后的煙氣擴(kuò)散情況Fig.8 Smoke diffusion after temperature field stabilization under different longitudinal wind speeds

2.2 火源位置對煙氣竄流的影響

不同火源位置下的計算工況為Z3、Z8、Z9 和Z10?；馂?zāi)初始階段的煙氣濃度如圖9 所示，從圖中可以看出，由于火災(zāi)初始階段的煙氣溫度較低，上游隧道煙氣在較強(qiáng)的水平慣性力作用下會竄流至下游隧道，并且竄流量會隨火源距上游隧道出口距離的增大而增大。這是因為火源距離上游隧道出口越遠(yuǎn)，上游隧道出口處煙氣溫度就越低，煙氣向下游水平擴(kuò)散獲得的慣性力就越大，竄流增強(qiáng)。

圖9 不同火源位置下火災(zāi)初始階段的煙氣擴(kuò)散情況Fig.9 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different fire source locations

火災(zāi)溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖10 所示，從圖中可以看出，由于火災(zāi)的充分燃燒，溫度場穩(wěn)定后的煙氣溫度大幅升高，熱浮力對煙氣流動的作用明顯增強(qiáng)，因此，火源距離上游隧道出口60m～1400m 工況下的洞口間煙氣均直接浮升至大氣環(huán)境，不會竄流至下游隧道。當(dāng)這個距離達(dá)到5000m 時，由于煙氣從火源處蔓延到出口處已經(jīng)進(jìn)行了比較充分的換熱降溫，導(dǎo)致出口處煙氣與環(huán)境的溫差很小，此時較大的水平慣性力會推動大量煙氣竄流至下游隧道。

圖10 不同火源位置下溫度場穩(wěn)定后的煙氣擴(kuò)散情況Fig.10 Smoke diffusion after temperature field is stabilized at different fire source locations

2.3 熱釋放率對煙氣竄流的影響

不同熱釋放率下的計算工況為Z2、Z6 和Z7?；馂?zāi)發(fā)生至120s 時的煙氣濃度如圖11 所示，從圖中可以看出，由于火災(zāi)初始階段的煙氣溫度較低，上游隧道煙氣在水平慣性力的作用下會擴(kuò)散至下游隧道。

圖11 不同熱釋放率下火災(zāi)初始階段的煙氣擴(kuò)散情況Fig.11 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different heat release rates

火災(zāi)溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖12 所示，由于熱釋放率的增大會使煙氣溫度升高，浮升力增強(qiáng)，從圖中可以看出，煙氣向下游蔓延的距離隨熱釋放率的增大而縮短。

圖12 不同熱釋放率下溫度場穩(wěn)定后的煙氣擴(kuò)散情況Fig.12 Smoke diffusion after temperature field stabilization under different heat release rates

2.4 洞口間距對煙氣竄流的影響

不同洞口間距下的計算工況為Z3、Z4 和Z5?；馂?zāi)初始階段的煙氣濃度如圖13 所示，由圖分析可知，隨著洞口間距增大，煙氣擴(kuò)散的區(qū)域范圍變大，煙氣與周圍環(huán)境中潔凈空氣不斷混合，被更加充分的稀釋，竄流減弱。

圖13 不同洞口間距下火災(zāi)初始階段的煙氣擴(kuò)散情況Fig.13 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different hole spacing

火災(zāi)溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖14 所示，從圖中可以看出，由于溫度場穩(wěn)定后的煙氣溫度升高，上游隧道出口處的煙氣在熱浮力的作用下會直接流向大氣環(huán)境。

2.5 橫向風(fēng)對煙氣竄流的影響

在工況Z8 模型的一側(cè)邊界設(shè)置不同風(fēng)速大小的橫向風(fēng)，進(jìn)行數(shù)值模擬研究橫向風(fēng)的影響。火災(zāi)初始階段的煙氣濃度如圖15 所示，由圖可知，存在橫向風(fēng)時，洞口間煙氣的流動軌跡會發(fā)生偏移，并且隨著橫向風(fēng)速增大，煙氣與下游隧道洞口的距離會增大，竄流減弱。

圖15 不同橫向風(fēng)速下火災(zāi)初始階段的煙氣擴(kuò)散情況Fig.15 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different transverse wind speeds

3 結(jié)論

本文采用三維數(shù)值計算方法，研究了連續(xù)隧道火災(zāi)的洞口間煙氣擴(kuò)散特性，得到如下結(jié)論：

（1）上游隧道縱向風(fēng)速的增大將導(dǎo)致煙氣往下游隧道方向水平擴(kuò)散的距離增大，因此，煙氣的竄流量增大。

（2）火源距離上游隧道出口越遠(yuǎn)，熱釋放率越小，上游隧道出口處煙氣溫度就越低，煙氣的水平慣性力上升，更容易竄流至下游隧道。

（3）煙氣竄流隨著洞口間距的增大而不斷減弱，當(dāng)洞口間距足夠大時，不會出現(xiàn)煙氣竄流的現(xiàn)象。

（4）當(dāng)存在橫向風(fēng)時，洞口間煙氣的流動軌跡會發(fā)生偏移，并且煙氣竄流會隨橫向風(fēng)速的增大而減弱。