《1 引言》

1 引言

隧道是铁路、公路交通运输的重要设施之一, 是铁路公路运输的咽喉。随着我国交通运输事业的发展, 隧道建设将获得快速增长, 而且各种观光和海底交通隧道也越来越多。隧道为交通和旅游带来了方便, 但由于隧道内部狭窄, 加之其两侧封闭的独特结构, 车辆及车上人员疏散困难, 一旦发生火灾, 涉及范围往往很大, 所造成的经济、人员生命损失也就十分惨重。近30年来, 世界各地发生的隧道火灾屡见不鲜 [1,2], 如1993年6月12日发生在我国的西延线蔺家川隧道火灾, 造成8人死亡, 10人受伤, 直接经济损失561万元, 中断运行579.3 h的重大损失;2000年11月11日, 奥地利发生的火车隧道火灾造成了155人死亡, 18人受伤的惨剧。从火灾的案例和隧道本身的结构可以看出隧道火灾具有以下一些特点:火源较难发现, 燃烧状况复杂;空气流动畅通, 火势蔓延快;烟气难以排出, 易在隧道内积累;通道狭长, 能见度低, 人员疏散困难;火灾扑救困难, 一般采用封洞窒息法;火灾造成的损失大。

接连发生的隧道火灾已引起了研究人员的注意, 并进行了一些试验和模拟计算的研究 [3,4,5]。研究隧道火灾发生、发展规律, 以便加强隧道的防火安全设计是十分重要的。在当前的消防设计规范中有关隧道的火灾安全设计的参数、消防设施的配置等方面的问题还没有现成的条文可循, 大多采用专家论证等形式来进行设计。目前, 针对这些特殊建筑的防火安全设计, 普遍采用性能化方法。性能化消防设计是国际消防界的一个热点, 它是根据建筑的具体情况, 提出防火安全目标, 然后根据模拟计算结果确定具体要采取的防火措施和建筑要达到的性能目标, 最后对设计进行安全评估, 判断其是否达到了安全要求。在这一过程中, 模拟计算是其中的一个重要环节, 有了模拟计算结果才能有针对性地提出防火要求。在很多隧道的火灾安全设计中, 都需要利用计算机模拟来预测隧道内可能的火灾发展情况, 以设计相应的防治方案。

《2 模拟计算》

2 模拟计算

区域模拟是以受限空间中的火灾过程为研究对象的一种半物理模型 [6,7]。目前应用最广的是双区模型, 即根据室内火灾烟气的气体分层现象, 把整个空间分成热烟气层和冷空气层两部分, 每层内的状态参数均匀分布。冷热气层之间的质量交换仅通过羽流进行, 在2层的界面上忽略扩散和掺混。由于计算的是某区域的状态参数在某个时间的平均值, 因此区域模型不能得到某一具体位置的火灾发展的详细情况, 但它计算简单, 工程应用方便, 在实际分析中得到了广泛的应用。有时隧道太长, 空间太大, 如只把它划分成两层得到整个隧道的火灾烟气的平均状态, 其精度得不到保证, 特别是起火区域会存在很大的误差。因此在隧道较长时, 对于区域模拟, 可将整个隧道划分为若干小的区段, 每个区段相当于一个房间, 在区段结合部按照房间的大开口处理, 这样就可利用多室的火灾发展程序CFAST [8]进行模拟计算 [9]。

CFAST是目前国际上较为成熟的用于模拟单室和多室火灾烟气发展的工程工具之一。前人的研究结果表明, 在工程模拟计算所需要的精度内, CFAST的多室火灾模型对预测多室火灾的发展过程与全尺寸实验的结果比较一致。文中多单元区域模拟方法是通过CFAST4.1软件包中的多室火灾烟气发展模型来初步实现的。

图1为CFAST多室火灾烟气发展模拟的简图。在CFAST的多室火灾模拟中, 相邻房间竖直开口的水平流动描述如下:

《图1》

图1 CFAST 多室烟气运动模型简图

图1 CFAST 多室烟气运动模型简图  

Fig.1 Schematic of multi-room fire model of CFAST

根据流动的伯努利方程, 对竖直开口处的热烟气流动, 有

《图2》

 

各个房间内部的热烟气流速可近似为0, 即上式中的VU1等于0, 对于任意无穷小高度, 则有

《图3》

 

式中, 常数C为流通系数, ρ为流出烟气的密度, ΔP为竖直开口任意无穷小高度两侧烟气的平均压差。

在CFAST4.1中, 并没有将开口高度分隔为很多的无穷小高度之和, 而是根据开口上下缘、中性面和烟气层的位置将之划分为若干个有限高度之和, 对于每一个有限高度两侧烟气的流动, 是通过下面的式子进行计算的:

《图4》

 

式中, Ah为任意有限高度所占有的竖直开口面积, Pt和Pb则分别为该有限高度上缘和下缘处的压力差。将所划分的各有限高度两侧的烟气流量相加, 可得到总的通过该开口的烟气流量。

场模拟又称计算流体力学模型 (CFD) , 它主要利用质量守恒方程、动量方程和能量方程, 将空间划分为一系列网格, 在每个网格内求解方程, 得到速度、温度、烟气各组份浓度等火灾参数在空间的分布及随时间的变化。场模型能较准确地分析空间各处的火灾状态及随时间的变化。但其控制方程复杂, 网格划分细密, 需要较高的计算机要求和大量的计算时间, 有时在工程上并不很实用。作者主要采用美国NIST开发的FDS (Fire Dynamics Simulator) 程序 [10]进行模拟计算。FDS是主要针对火灾驱动下的流体流动进行计算模拟。它主要有2部分, 第一部分主要采用大涡模拟 (LES) 方法数值求解了低速的、热驱动下流动的Navier-Stokes方程, 重点在于火灾中的烟气和热量的传输计算。大涡模拟方法主要描述了气体燃料和燃烧产物与周围空气的湍流混合, 其基本思想是混合产生的烟气涡旋足够大, 可以对流体动力学方程给出足够精确的计算结果。第二部分称为Smokeview, 主要是用来显示计算结果的绘图程序。

《3 算例设计》

3 算例设计

现假定隧道为一长方体的公路隧道, 长为200 m, 宽8 m, 高5 m, 顶部和墙面都用混凝土材料砌成。对于区域模拟来说, 把隧道分成21段, 最外边2段长为5 m, 其它19段长为10 m, 最中间一段命名为sec.0, 其左侧各段依次命名为sec.-1至sec.-10段, 其右侧各段依次命名为sec.1至sec.10, 如图2所示。这样每一段相当于一个两边完全敞开的10 m×8 m×5 m的房间。当隧道内发生火灾时, 火源位置离出口越远, 越不易被发现, 人员越难以疏散, 因此火灾发生在隧道的中央对于人员的安全疏散来说是最危险的。作者考虑火源设在隧道最中间位置时的火灾发展情况。公路隧道中的火灾大多数为油类火灾, 如油罐车的爆炸, 汽车油箱的着火等。对于公路隧道的火灾设计, 世界公路协会推荐了一些不同情况下的公路隧道火灾的火源设计, 火源功率从4 MW (客车) 到100 MW (汽油油罐) [11,12]。作者设计火源功率时, 考虑的是一辆油罐车起火, 油罐面积为4 m×5 m, 取单位面积火源功率为1 MW/m2, 则总的火源功率为20 MW。由于油燃烧很快, 在此假定火源为定常火源。

通常情况下, 由于车辆的运行和环境风的影响, 在隧道内会存在一定的气体流动, 这会对烟气的发展产生一定的影响。为了比较风的影响, 设计了2种环境条件:一是没有风时火灾烟气在隧道内的发展;二是有一单向的风从隧道的一端吹入, 风速为1 m/s。隧道温度为20 ℃。在区域模拟中, 在隧道的-10段设一从外界向隧道内吹入的风, 在sec.10设一从隧道内向外界吹的风。在场模拟中, 风速是以定流量形式设置的, 即在隧道的一端按照风速和隧道的截面积得到流量, 然后按此流量来设计风从上风口进入隧道。

《图5》

图2 区域模拟计算时的隧道分段设计

图2 区域模拟计算时的隧道分段设计  

Fig.2 The multi-section design in zone model simulation

《4 计算结果与讨论》

4 计算结果与讨论

图3为CFAST计算得到的无风时烟气层高度随时间的变化情况。由于火源位于隧道的中央, 烟气向两边的发展是完全一样的, 因此图中只给出了火源一侧的烟气层高度变化图。图4为有风时计算得到的不同区段的烟气层高度随时间的变化结果。从两个图中可以看出, 有风和无风时得到的结果没有太大的差别。有风时, 上风段的烟气层高度要稍高于下风段的烟气层高度, 说明风对烟气层的蔓延起到了一定的抑制作用, 但这种作用并不明显。在整个过程中, 烟气层的高度在2.5 m以上, 整个烟气扩散到出口处的时间约为50 s, 烟气的蔓延速度约为2 m/s。起火段烟气层高度在起火后40 s左右时降到3 m以下, 300 s左右降到2.7 m。离火源20 m处, 烟气层高度在60 s左右降到3 m以下, 300 s时降到2.5 m。离火源60 m处 (sec.6和sec.-6段) 的烟气层在120 s左右降到3 m, 300 s左右降到2.7 m, 而在最远端2个区段的烟气层高度始终保持在3 m以上。从图中还可以看出, 在起火200 s以后, 起火区段的烟气层高度并不是最低的, 离它最近的几个区段的烟气层高度都要稍低于起火段的烟气层高度。这是因为在起火段温度较高, 烟气不容易沉降下来, 而在靠近出口处, 烟气直接流到外界, 也难以积累, 因此离火源较近区域的烟气层最低。

《图6》

图3 无风时各区段的烟气层高度随时间的发展情况

图3 无风时各区段的烟气层高度随时间的发展情况  

Fig.3 The development of smoke layer calculated by zone model without wind

《图7》

图4 有风时不同区段的烟气层高度随时间的发展情况

图4 有风时不同区段的烟气层高度随时间的发展情况  

Fig.4 The development of smoke layer calculated by zone model with wind

图5、图6分别为CFAST计算得到的无风和有风时隧道内不同区段的烟气温度随时间的变化情况。可以看到, 起火段温度最高, 达到500 ℃左右, 这一温度已对隧道结构构成危害 [13]。而离其最近的两侧2个区段的温度则降到350 ℃左右, 出口段的温度在75 ℃左右, 随着距离的增加, 烟气的温度逐渐下降。起火段在10 s的时间内就升到了450 ℃, 出口处的温度在50 s时有显著增加, 也说明烟气在50 s时已到达隧道出口处。而当烟气层温度达到180 ℃时, 对人的安全构成了危险 [14]。从图中可以看出, 离火源40 m以内的区域的烟气温度达到了180 ℃以上, 这一区段的人员是最危险的。另外, 风的设置对烟气层温度的影响也比较小, 距离火源相同距离处, 上风段的温度稍低于下风段的温度。

《图8》

图5 无风时不同区段的烟气层温度随时间的变化情况

图5 无风时不同区段的烟气层温度随时间的变化情况  

Fig.5 The smoke temperature variation calculated by zone model without wind

《图9》

图6 有风时不同区段的烟气层温度随时间的变化情况

图6 有风时不同区段的烟气层温度随时间的变化情况  

Fig.6 The smoke temperature variation calculated by zone model with wind

图7、图8分别为无风和有风时场模拟计算得到隧道内的温度分布情况。从图7中的温度发展可以看出, 无风时, 烟气前锋在40 s时到达了离火源大约80 m的位置, 而在60 s时已到达了隧道的出口, 这和区域模拟中得到的烟气层的发展速度是一致的。而在有风时, 火源的位置发生明显的偏移, 上风段和下风段的烟气层发展也产生显著的变化。下风段的烟气蔓延明显加快, 而上风段的烟气发展则受到抑制。40 s时下风段的烟气已到达隧道出口处, 而上风段的烟气才发展到离火源40 m左右的位置, 60 s时发展到60 m的位置。也就是说此时下风段烟气的发展速度大约为3 m/s, 而上风段的烟气发展速度大约为1 m/s。这和区域模拟的结果相差比较大, 也说明场模拟能够更好地考虑风的影响。另外, 图7、图8中的烟气温度分布表明, 整个烟气层的温度并不是一致的, 而是有明显的分层现象。隧道顶部 (4.5～5 m) 的烟气温度较高, 在4.5 m左右烟气的温度最高, 然后随着高度的下降, 烟气的温度也逐渐下降, 烟气层的上部和下部温度可相差200多℃。无风时, 火源上方的温度也可达到500 ℃左右, 离火源10 m处, 烟气的温度也在350 ℃左右, 而出口处顶部的烟气温度在100 ℃以上。有风时, 烟气的最高温度也在450～500 ℃之间, 但最高温度不在火源位置的正上方, 而是下风处距火源几米远的位置。在离开火源相同的距离时, 上风段的温度要比下风段的温度低得多。距离火源10 m的上风处的顶部温度只有240 ℃左右, 而下风处的顶部温度在450 ℃左右。50 m处的上风段的顶部温度为130 ℃左右, 而下风段的顶部温度为200 ℃左右。这说明上风段的烟气受风的影响, 温度大大降低。从图8可以看出, 没风时, 在同一距离处, 除火源位置外, 其它各段的温度基本都在2.5 m以上时才有显著增加, 2.5 m以下保持在初始温度20 ℃, 这说明场模拟得到的烟气层也都保持在2.5 m以上。有风时下风段1.5 m高的位置处温度已达到50 ℃, 烟气可以下降到2 m以下的高度, 说明由于风的存在, 使烟气和空气的混合加剧了, 导致烟气层的高度下降, 但同时也可以看到, 烟气的温度也相应下降了。除火源附近外, 其它各处的温度最高250 ℃左右, 比无风时低了50℃。

《图10》

图7 无风和有风情况下隧道内不同距离处的温度分布

图7 无风和有风情况下隧道内不同距离处的温度分布  

Fig.7 The smoke temperature distribution with the distance from fire

《图11》

图8 无风和有风时不同位置处的温度随高度的变化

图8 无风和有风时不同位置处的温度随高度的变化  

Fig.8 The temperature variation with height and distance

《5 结论》

5 结论

利用多单元的区域模拟方法和场模型对隧道内火灾烟气的发展进行了模拟研究, 结果表明, 对于区域模拟和场模拟来说, 在无风的条件下, 两者得到的结果比较一致, 区域模型对风的反应并不敏感, 而场模拟时风对整个烟气的发展具有较大的影响。

烟气在隧道内的发展速度很快, 在算例中无风时烟气的扩散速度约为2 m/s, 当有1 m/s的风吹向隧道时, 下风段烟气的速度增加到3 m/s, 而上风段的速度减为1 m/s。也就是说, 有风时, 下风段的烟气扩散速度为无风时的速度加上风速, 而上风段的扩散速度为无风时的速度减去风速。另外由于风的存在, 使隧道内的换热加快, 烟气的温度降低。因此, 在发生火灾以后, 对于相同的疏散距离, 人员应向上风段疏散。

隧道内的烟气层高度一般保持在2.5 m以上, 烟气温度是对人员和结构安全威胁最大的因素。离火源40 m以内距离的烟气温度在180 ℃以上, 对人员安全构成威胁。隧道的最高温度出现在离隧道顶部0.5～1 m的位置处。