坡度隧道火灾烟气自由蔓延特性数值模拟研究

坡度隧道火灾烟气自由蔓延特性数值模拟研究
发布时间：2022-09-01T05:20:22.903Z 来源：《科学与技术》2022年8期（下）作者：许鹏，杨致远
[导读] 本文运用数值模拟的手段研究坡度隧道发生火灾时，烟气沿隧道纵向流动的规律。

许鹏，杨致远
天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300000
摘要：本文运用数值模拟的手段研究坡度隧道发生火灾时，烟气沿隧道纵向流动的规律。

通过控制火源功率及坡度值这两个变量，分析不同工况下烟气的温度、速度、、等特性，得到烟气沿隧道纵向温度分布规律、烟气流速纵向分布规律、烟气流动规律。

为坡度隧道的烟气蔓延及控制的研究提供参考依据。

关键词：坡度隧道；烟气扩散；数值模拟；FDS
近些年城市中出现了越来越多的地下隧道，由于受到空间的限制，形成了较多的大坡度道路。

坡度隧道发生火灾时，因为存在一定的高度差，在浮升力的推动下，热烟气将沿着隧道顶部自低向高流动，形成一个附加的动力效应，也称之为烟囱效应。

烟囱效应的出现对隧道上下行线烟气流动影响不同，实际上即使是同一线路，当着火点位置变化时，其对烟气运动的影响也不尽相同，即烟囱效应是火灾烟气运动控制中一个极不确定因素。

这对于消防设计中烟气的控制难度加大。

而对于坡度隧道的模拟研究，陶刚等利用 FDS 模拟隧道坡度对火灾烟气流动的影响，认为坡度的存在导致隧道内烟气向上坡方向发生偏移，温度沿纵向上坡方向高于下坡方向，但没有分析不同坡度之间隧道同一处温度差异[1]。

本文从前人的研究基础上运用FDS模拟软件对更多的工况进行模拟分析研究。

1 FDS简介
FDS是目前非常通用的火灾烟气运动场模型之一，它包括两种数值模拟方法：大涡数值模拟和直接数值模拟。

直接数值模拟主要是适用于小尺寸的火焰结构分析；大涡数值模拟对亚网格尺寸下的损耗过程进行模拟并对大尺度漩涡运动进行计算。

由于实际情况下烟气的湍流输运主要由这些大尺度的漩涡运动所决定，因此，在实际的工程流体计算中，大涡数值模拟是经常被采用的方法。

FDS中的辐射换热采用了有限容积模型，它类似于流体力学计算对流输运过程中通常采用的有限容积法，不仅能够计算固体壁面间的辐射换热，同时还考虑了烟气层内多原子气体对辐射的吸收作用。

燃烧模型是基于Huggett提出的“状态关联”思想定量给出反应物与生成物之间的关系，根据湍流模型的不同，分别采用混合分数模型(用于LES)及有限反应模型(用于DNS)，它采用数值方法求解一组描述热驱动的低速流动的Navier-Stokes方程，重点计算火灾中的烟气流动和热传递过程。

2 FDS模拟计算
2.1物理模型的建立
本文的研究对象为典型的单向矩形隧道，隧道长200m，宽8.5m，高5.0m，隧道两个口设置为自由边界。

坡度隧道三维模型如图2-1所示。

隧道坡度分别为0、3%、5%、7%、9%，不同坡度的隧道示意图如图5-2所示。

2.2火源形式的选取
国内的《道路隧道设计规范》（DG/TG 08-2033-2008）对火灾的热释放率也做出了相关规定，认为小轿车的火灾热释放功率为
3~5MW，货车10~15MW，集装箱车、长途汽车、公共汽车20~30MW，重型车30~100MW，并且建议进入隧道的重型车在有监护措施的情况下，火灾热释放功率可按降低一档考虑。

通过对现有多条城市地下道路通行车辆类型资料的查阅，城市地下道路中典型的车辆类型为小客车，也有一些城市允许公交通行，少数隧道可以走货车，根据这些车辆种类来定义的面火源的面积。

为了研究不同火源功率的坡度隧道烟气蔓延特性，本模型将采用多个不同的
火源功率，分别是5MW、10MW、20MW、30MW，火源距下坡侧洞口80m。

2.3 计算工况
隧道模型的坡度为3%、5%、7%、9%，火源功率为5MW、10MW、20MW、30MW，模拟的工况如表5-4所示，共16种工况。

表2-1 数值模拟工况表
组别
坡度
%火源功率
(MW)
组别
坡度
%
火源功率
(MW)
第1组35第9组75第2组310第10组710第3组320第11组720第4组330第12组730第5组55第13组95第6组510第14组910第7组520第15组920第8组530第16组930 2.4 模拟结果分析
（1）烟气流动规律分析从模拟结果可以看出，在某一功率下，坡度为3%时，烟气的回流蔓延到整个下坡侧，且随着功率的增大，断面烟气充满度越来越大，烟气浓度也越来越大。

当坡度达到5%及以上时，无论火源功率大小，烟气回流只有一段距离，且没有充满整个下坡侧，回流的长度变化不是很大。

说明坡度从3%增大到5%时，“烟囱效应”对烟气的流动影响变最大；而随着坡度从5%往上增长，“烟囱效应”的作用仍然在增
强，但增强的速度缓慢。

（2）拱顶温度沿隧道纵分布规律分析通过数值模拟得出了不同坡度及不同火源功率下隧道内纵向温度分布规律。

在同一火源功率下，随着坡度的逐渐增大，隧道内拱顶处温度分布逐渐向上坡侧偏移，且坡度越大，偏移量越大；在火源的下坡侧，随着坡度的增大，隧道拱顶的温度分布逐渐降低，隧道内的温度趋于平均；随着坡度的增大，隧道内的最高温度在逐渐减低，但坡度在3%和5%之间的最高温度差值比坡度在5%、7%和9%之间的温度差值大，说明随着坡度的增加，温度降低的越来越慢。

（3）烟气流速纵向分布规律分析从模拟结果可以看出，在某一功率下，随着坡度的增大，随度内上坡侧断面流速逐渐升高，这是由于隧道坡度增大使得两端存在较大的高差，在浮力的作用下形成了“烟囱效应”，且坡度越大，高差越大，所形成的浮力就越大，“烟囱效应”越明显，则隧道内烟气流动越强烈。

在坡度的影响下，隧道内上坡侧形成较大的流速，隧道内的烟气层分层被破坏，隧道内烟气层厚度增大。

若沿着上坡方向排烟，“烟囱效应”其促进作用，人员向相反方向疏散，且随着坡度的增大，促进作用越强，需要的排风风速越小，疏散越安全。

而火源下坡侧，随着坡度的增大，补风越来越强烈，当坡度达到9%时，整个隧道断面都充满了新鲜空气。

3、结论 3.1 随着隧道坡度的增大，火源功率对于温度分布曲线的偏移影响越来越小，而坡度对拱顶温度分布曲线的偏移起主要作用.
3.2 随着隧道坡度的增大，隧道内的最高温度在逐渐减低，但温度会降低的越来越慢。

3.3随着隧道坡度的增大，火灾烟气向下坡方向蔓延的距离越来越短。

说明“烟囱效应”产生的影响随着坡度的增大而变大。

而火源功率对于烟气向下坡侧的回流长度的影响较小。

参考文献 [1] 陶刚，刘方，陈飞，等. 坡度对地铁区间隧道火灾烟气流动影响的数值模拟[J]. 制冷与空调,2011, 25(B10): 202?206. 作者简介许鹏（1989—），男，硕士，工程师，工作单位：天津市政工程设计研究总院有限公司，从事城市轨道交通、隧道通风空调及防排烟设计工作。