逆向坡度隧道內(nèi)羽流觸頂區(qū)溫度的研究

田　洋，李俊梅，趙宇航，張　仁，黃宗浩

（北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京１００１２４）

摘　要：建立城市地下隧道模型，利用火災羽流模型及FDS研究不同的通風方式、不同坡度對火災羽流觸頂區(qū)溫度變化的影響?；鹪垂β嗜?/span>5MW，隧道坡度為2.0%、3.0%、5.0%，通風方式為自然通風、縱向風速2m/s通風。對比計算值與模擬值的差異。結(jié)果表明，當隧道頂棚受到燃燒羽流火焰影響時，隨著坡度的增加，頂部下方的最高溫度略有降低，火源區(qū)上游的溫度降低，火源區(qū)下游的溫度則變化很小，火源區(qū)上游的安全范圍隨之擴大。在坡度隧道內(nèi)，相比較自然通風方式，縱向通風的形式能有效降低觸頂區(qū)溫度，防止棚頂襯砌結(jié)構(gòu)破壞。

關(guān)鍵詞：隧道火災；坡度；羽流觸頂區(qū)；羽流模型；數(shù)值模擬；自然通風；縱向通風

中圖分類號：X913.4，U459.2，TK121　文獻標志碼：Ａ

文章編號：1009-0029（2017）01-0041-03

有坡度隧道在城市隧道占據(jù)一定的比重，隧道內(nèi)發(fā)生火災時，煙囪效應明顯，對下游的破壞性加大。雖然提供一定的縱向風速可以隧道內(nèi)不發(fā)生煙氣回流，但不能十分有效地降低隧頂射流煙氣層的溫度?；炷恋牧W性能會隨溫度升高而改變，達到一定溫度時抗壓強度會大大減弱。研究隧道頂棚以及羽流觸頂區(qū)的溫度對于隧道火災安全有著重要的意義。

筆者采用數(shù)值模擬的方法，建立有坡度的隧道的物理模型并分析坡度以及通風條件對火災羽流觸頂區(qū)的溫度變化影響，得出羽流觸頂區(qū)域溫度變化的相關(guān)結(jié)論。

1　羽流觸頂溫升的計算

縱向通風作用下的火災羽流模型，如圖１所示。根據(jù)參考文獻［８］，觸頂區(qū)溫度按式（１）推導。

式中：Q為對流熱損失，W:p為空氣密度，kg/m3；為空氣定壓比熱容；為縱向風的影響寬度，m；V為縱向通風速度，m/s；H為隧道凈高，為環(huán)境溫度，Ｋ；的大小與隧道凈高H和縱向通風速度V有關(guān)，在空氣密度保持不變的情況下，將影響寬度考慮為隧道高度和風速的函數(shù)，根據(jù)量綱分析和歸一化理論，有式（２）、式（３）。

式中：為影響寬度、隧道高度、風速的特征值。

2　數(shù)值模擬計算

2.1　數(shù)值模擬工具由于隧道火災的實驗研究過程受限，進行全尺寸實驗或縮小尺寸的模型實驗都需要消耗大量的人力和物力，數(shù)值模擬技術(shù)在隧道火災方面的應用越來越廣。目前，主要的火災計算模型有區(qū)域模擬、網(wǎng)絡模擬和場模擬。采用FDS6.0實現(xiàn)對隧道火災的模擬。

2.2　物理模型

為研究坡度對羽流觸頂區(qū)的影響，建立了三個不同坡度的隧道模型，坡度分別為2%、3%、5%。三個隧道的長度均為200m，橫截面為寬10m、高5m的矩形?；鹪锤鶕?jù)小轎車尺寸簡化為長、寬、高分別為4.0m、2.0m和1.5m的長方體，火源中心與低端隧道口的水平距離85m，如圖２所示。

2.3　網(wǎng)格系統(tǒng)

 為了確定計算時的網(wǎng)格尺寸的大小，需進行網(wǎng)格獨立性分析。相應的網(wǎng)格獨立性測試實驗得出，火源特征直徑與算網(wǎng)格尺寸δχ的比例為4~16時，可以得到一個合理的求解結(jié)果。其中，火源特征直徑可由式（４）給出。

式中：ＨＲＲ為火源熱釋放速率；g為重力加速度。

  結(jié)合計算采用的物理模型，分別采用0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m的網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格獨立性測試。對比煙氣回流長度后，考慮到模擬的精確性以及計算機的性能狀況，模型最終采用均勻網(wǎng)格分布，其尺寸在３個方向上均為0.25m。

2.4　邊界條件

假設隧道襯砌的外表面是恒溫的，并假設襯砌內(nèi)為一維熱傳導，通過計算可以得到襯砌內(nèi)表面的溫度。由于混凝土是熱的不良傳導體，實際襯砌厚度一般都比較大，通過傳熱計算得到的結(jié)果與此較接近，襯砌外表面溫度變化幅度較小，這樣的處理是比較符合實際情況的。在自然通風模式下，模型兩端開口均設置為自然開口；在縱向通風模式下，模型入口保持通風速度不變，另一端開口設置為自然開口。環(huán)境溫度設置為25℃。墻體邊界設置為熱厚性邊界，火災采用快速火災，火源功率取為5MW。

2.5　計算工況

根據(jù)隧道坡度和通風形式的改變設計６個工況，對于坡度分別為2%、3%、5%的隧道，模擬了其在自然通風、縱向通風速度為2m/s時的羽流觸頂區(qū)溫度分布，歸納溫度變化規(guī)律。

3　模擬結(jié)果分析與比較

3.1　不同坡度對隧道頂部中心溫度的影響

   圖３為火源功率穩(wěn)定后不同坡度的隧道頂部中心溫度在隧道長度方向上的變化趨勢?？梢钥闯?，自然排煙工況下，不同坡度的隧道，其拱頂處最高溫度均出現(xiàn)在火源上方。隨著坡度的增加，拱頂下方的最高溫度略有降低，這是由于火源上表面與隧道頂部的垂直距離隨著坡度的增加而增加。火源區(qū)上游的溫度隨著坡度的增加而降低，火源區(qū)下游的溫度則變化很小，說明隧道坡度的增加對火源區(qū)上游的影響較大，這是由于熱壓效應，火羽流不再對稱分布，煙氣具有主要流向，即向位置較高的隧道口流動。

圖3　不同坡度的隧道頂部中心溫度在隧道長度方向上的變化趨勢

圖4為火源功率穩(wěn)定后，隨著通風方式的不同，不同坡度的隧道頂部中心溫度在隧道長度方向上的變化趨勢?？梢钥闯觯v向通風可以有效降低羽流觸頂區(qū)溫度。對于坡度為2%的隧道，隧道頂部中心溫度從500℃以上降低到約150℃，說明縱向風流抑制住了火羽流的上升趨勢，使火羽流不能對隧道頂板形成沖擊。對于坡度為3%的隧道，隧道頂部中心溫度從500℃以上降低到約180℃。對于坡度為5%的隧道，隧道頂部中心溫度從500℃以上降低到約200℃。這是由于縱向風流方向垂直于隧道口而不平行于隧道地面，隨著坡度的增加，縱向風流不能在整個隧道橫截面上作用于火羽流，使縱向風流對火羽流觸頂?shù)囊种谱饔秒S坡度增大而減小。

從圖４還可以看出，對于坡度為2%的隧道，火源區(qū)上游距低端隧道口約65m以內(nèi)溫度基本未發(fā)生變化；對于坡度為3%的隧道，火源區(qū)上游距低端隧道口約75m以內(nèi)溫度基本未發(fā)生變化；對于坡度為5%的隧道，火源區(qū)上游距低端隧道口約80m以內(nèi)溫度基本上未發(fā)生變化。由此得出，在縱向風流的作用下，火羽流向下風側(cè)傾斜，火源區(qū)上游的安全范圍隨之擴大，火源區(qū)下游的溫度變化不大。

3.2　模擬值與計算值的對比及分析

以計算的方法驗證縱向通風模式下模擬結(jié)果的可靠性。將數(shù)值模擬結(jié)果代入式（１）進行計算，其中環(huán)境溫度=25℃，縱向風速V=2m/s，隧道高度H=5m。查取相應的空氣密度以及定壓比熱容，計算觸頂區(qū)溫度，結(jié)果如表１所示。

如表１所示，當坡度為2%時，誤差保持在5%以內(nèi)；當坡度為3%或5%時，誤差較大，達到了10%以上。引起誤差的主要原因可能是由于坡度的影響，煙氣的煙囪效應加劇，高溫煙氣向下游流動，導致羽流的觸頂區(qū)域溫度下降?？梢?，小坡度隧道或水平隧道計算結(jié)果有一定的可靠性。坡度較大時，計算時需要將坡度考慮在內(nèi)，或計算完成后加以修正，以使結(jié)果更加可靠。所以式（1）適用的范圍是水平隧道或坡度相對較小的隧道。

1　結(jié)　論

  （1）隨著坡度的增加，頂部下方的最高溫度略有降低，這是由于火源上表面與隧道頂部的垂直距離隨著坡度的增加而增加。由于縱向風流方向垂直于隧道口而不平行于隧道地面，縱向風流對火羽流觸頂?shù)囊种谱饔秒S著坡度增大而減小。

（2）隨著坡度的增加，火源區(qū)上游的溫度降低，火源區(qū)下游的溫度則變化很小，說明隧道坡度的增加對火源區(qū)上游的影響較大。

（3）模擬值與計算值的對比及分析可以看出，隨著坡度的增加，誤差增大，計算值在坡度較小時更為可靠。