隧道纵向通风对火灾规模和火灾蔓延的影响_谢宝超

2 纵向通风对车辆间火灾蔓延影响的 数值模拟
虽然纵向通风能较大地增大单个货车火灾的规 模, 产生较多的热量, 增大火灾蔓延至邻近车辆的可 能性, 但纵向通风本身也会带走隧道内的部分热量, 降低火灾蔓延的可能性。 本文将利用计算流体力学 的方法, 对这两种影响的相对重要性进行数值模拟 研究。
由于客车火灾为燃料控制型火灾, 通风速率对 火灾规模的影响很小, 且通风又可以带走部分热量, 因此可以判定增大通风速率会降低客车火灾蔓延的 可能性。 因此, 关于通风对车辆间火灾蔓延的影响, 本文只对货车火灾进行数值模拟研究。
452
防灾减灾工程学报
第 29 卷
1 纵向通风对隧道火灾热释放速率 的影响
火灾热释放速率被认为是影响火灾严重性的最
重要的因素[4]。 纵向通风速率对火灾热释放速率的
影响可用式 (1) 表示:
Q vent = kQ nat
(1)
式中 Q vent为纵向通风条件下隧道内火源的热释放 速率;
Q nat为自然通风条件下隧道内火源的热释放 速率;
第 29 卷第 4 期 2009 年 8 月
防灾减灾工程学报
Jou rna l of D isa ster P reven t ion and M it iga t ion Eng ineering
V o l. 29 N o. 4 A ug. 2009
隧道纵向通风对火灾规模和火灾蔓延的影响Ξ
谢宝超, 徐志胜
验都是在小于 2 m s 的纵向通风速率条件下开展的, 因此没有办法更新较高速率通风条件下k 的概率估 计, 而只研究了 115 m s 的纵向通风速率对客车火 灾热释放速率的影响。
专家组基于一双线隧道 (图4) , 给出了客车火灾 在纵向通风速率为115 m s 时k 的先验概率, 然后根 据 EU R EKA 、CETU 、FOA 等项目的客车火灾试验 数据, 由贝叶斯公式得到了 k 的后验概率, 如图 5 所 示。从图中可以看出, 115 m s 的纵向通风速率对隧 道客车火灾的热释放速率影响很小。
Ξ 收稿日期: 2008211205; 修回日期: 2009201205 基金项目: 铁道部科技司重点课题—— 狮子洋水下隧道综合防灾与运营管理技术研究 (2006G007- C) 资助 作者简介: 谢宝超 (19822) , 男, 博士研究生。 主要从事建筑火灾蔓延和烟气流动、建筑结构火灾反应行为及风险评估方 法的研究。 Em a il: x iebaochao @ ho tm a il. com
的辐射热通量, 在火源中心线上、下游车道地面高度 处, 各取若干个目标点, 分别考察目标点在火灾过程 中受到的最大辐射热通量。 离火区最近的目标点距 火区边缘 2 m , 相邻目标点间距为 2 m , 如图 6 所示。
211 车辆间火灾蔓延机理
与着火车辆相邻近的车辆的受热来源有三种基
本形式, 即热传导、热对流和热辐射。 传递给邻近车 辆的热量主要来源于着火车辆的热辐射 (I flam e) 和热 烟气的辐射 ( I smoke)。 当车辆受到的辐射热通量超过 车辆着火的临界辐射热通量 ( I c) 时, 车辆将被引 燃[7]。 因此车辆引燃的临界条件为
(中南大学土木建筑学院防灾科学与安全技术研究所, 长沙 410075)
摘要: 隧道纵向通风一方面会给火源提供大量氧气, 扩大火灾规模, 增加火灾蔓延的可能性; 另一方面又可以带走 大量热量, 减小火灾蔓延的可能性。目前, 这两方面影响的相对重要性还没有被很好地研究。本文对纵向通风对隧 道火灾蔓延的影响进行了研究, 首先分析了纵向通风对隧道火灾规模的影响, 然后利用火灾动力学模拟程序 FD S, 对不同通风速率及相应火灾规模条件下隧道内车辆间的火灾蔓延进行了数值模拟, 得出了不同通风速率条件下火 灾蔓延的规律, 并提出了控制隧道火灾蔓延的措施。 结果表明, 增加通风速率能较大地增加货车火灾的热释放速 率, 当通风速率小于 2 m s 时, 火灾蔓延的距离随通风速率的增加而增大, 当通风速率大于 2 m s 时, 火灾蔓延的距 离受通风速率的影响很小; 对于客车火灾, 通风对火灾的热释放速率影响较小, 并且火灾蔓延的距离随通风速率的 增大而减小。
图5 纵向通风速率为115 m s 的隧道内客车火灾时k 的 先验概率和后验概率
F ig. 5 P rio r and po sterio r p robab ility of a ca r fire in a tunnel under 115 m s longitudina l ven tila tion
I flam e + I smoke < I c
(2)
客车着火的临界辐射热通量与客车表面材料有
关, 货车着火的临界辐射热通量与其所装载的货物 有关。对于特定的可燃物, 它被引燃的辐射热通量可 以通过试验手段测定, 也可以查相关的试验数据获
454
防灾减灾工程学报
第 29 卷
得, 但在工程计算中, 通常根据被引燃的难易程度将
和载重货车火灾的情况不同, 隧道客车火灾试
第 4 期
谢宝超等: 隧道纵向通风对火灾规模和火灾蔓延的影响
453
因此通风对火灾热释放速率的影响较小。
图 3 最新的与英—法海峡隧道形状相同的隧道内载重 货车火灾时 k 的后验概率
F ig. 3 T he up da ted po sterio r p robab ility fo r a H GV fire in a tunnel sim ila r to the Channel T unnel
图 1 载重货车火灾的理论试验隧道 F ig. 1 T heo retica l test tunnel fo r H GV ca se
图 2 专家估计的与英—法海峡隧道形状相同的隧道内 载重货车火灾时 k 的先验概率
F ig. 2 P rio r P robab ility distribu tion given by exp erts fo r a H GV fire in a tunnel sim ila r to the Channel tunnel
强制通风对隧道火灾蔓延的影响有两方面: 一 方面强制通风带来了大量的氧气, 可能会加快燃烧 速率, 扩大火灾规模, 使火灾蔓延至邻近车辆而引发 更大规模的火灾; 另一方面, 强制通风可以带走隧道 内火灾释放的热量, 降低隧道内温度, 阻止车辆间的 火灾蔓延, 甚至将火熄灭。这两方面影响的相对重要 性到目前为止还没有被充分研究。因此, 本文首先介 绍了前人关于纵向通风对隧道单个火源火灾热释放 速率影响的研究成果, 然后利用流体动力学模拟程 序 FD S 对不同通风速率条件下隧道内车辆间的火 灾蔓延进行了数值模拟, 希望以此得到纵向通风对 隧道内火灾蔓延的影响规律。
图 4 客车火灾的理论试验隧道 F ig. 4 T heo retica l test tunnel fo r ca r ca se
113 讨论 从上面的研究结果可以看出, 纵向通风对货车
的热释放速率影响较大, 而对客车的热释放速率影 响较小。 其主要原因为: 货车携带的可燃物较多, 自 然通风条件下氧气供应不足, 在隧道内的燃烧为通 风控制型燃烧, 因此通风对火灾热释放速率的影响 较大; 客车携带的可燃物较少, 自然通风条件下氧气 供应相对充足, 在隧道内的燃烧为燃料控制型燃烧,
从 1998 年开始, 英国的R O Ca rvel 等[5]根据专 家估计和一系列隧道火灾的试验数据, 利用贝叶斯
理论 (B ayes′theo rem ) [6] 研究了不同通风速率条件
下k 的概率分布。其研究过程为: 首先组织专家估计
k 的概率分布, 并以此作为 k 的先验概率; 然后利用 试验数据, 根据贝叶斯公式, 得到 k 的后验概率, 它 是根据试验数据对先验概率的更新; 随着新试验的
关键词: 隧道; 纵向通风; 火灾规模; 火灾蔓延; 热释放速率; 数值模拟 中图分类号: U 453. 5 文献标识码: A 文章编号: 167222132 (2009) 0420451206
0 引言
随着经济的发展, 人们对更好和更有效的交通 运输系统的需求不断增加。但在许多地方, 特别是欧 洲的一些地方和远东, 由于受地形和用地紧张的限 制, 交通运输系统只能向地下空间发展。在过去的十 年里, 修建了比以往任何一个十年都要多的隧道, 并 且隧道的长度持续增长。 虽然隧道火灾发生的概率 较小, 但 近 几 年 来 发 生 的 法 国—意 大 利 的 M on t B lanc 隧道火灾[1] (死亡41 人, 43 辆车烧毁)、奥地利 T auern 隧道火灾[2] (死亡 13 人, 34 辆车烧毁)、瑞士 St Go t tha rd 隧道火灾 (死亡 11 人, 23 辆车烧毁) , 都 造成了巨大的生命财产损失。 这些火灾事故的发展 过程有一个共同点, 即刚开始都是个别车辆发生火 灾, 而后蔓延至多辆车的大规模火灾, 使人员伤亡和 财产损失进一步扩大。显然, 如果能够预防或阻止火 灾在车辆间的蔓延, 将会很大程度地减小火灾损失。
可燃物分为 3 类[8], 见表 1。 隧道内的热辐射通量可
以通过CFD 软件模拟得出。
表 1 可燃物被引燃难易程度粗略分类
Fra Baidu bibliotek
Table 1 Rough cla ssif ica tion of ign itab il ity of com bustibles
可燃物类别
易引燃 一般引燃 难引燃
单位面积可燃物表面引燃所需要 的辐射热流 (kW ·m - 2) 10 20 40
开展, 之前计算的后验概率将作为新计算的先验概
率, 并被新的试验数据更新。随着试验研究的不断开
展, k 的概率分布将越来越接近其真实分布。而某一
通 风速率条件下, k 的期望被认为是 k 的最佳估计。
现将前人有关通风对火灾热释放速率的影响的研究
成果归纳如下。
111 载重货车火灾
英国的 8 名来自隧道火灾安全工程、火灾动力 学和消防灭火领域的专家, 基于英—法海峡隧道的 几何尺寸 (图1) , 给出了载重货车火灾在通风速率分 别 为 2、4、6、10 m s 时的 k 的先验概率, 并绘出了不 同分位数下 k 随通风速率的变化曲线, 如图 2 所示。
R O Ca rvel 等在研究初期, 根据1992 至1997 年 在挪威哈默菲斯特隧道、英国安全与健康试验室以 及瑞士一爆破岩石隧道内开展的 5 项相关的火灾试 验, 首先利用重力相似准则, 将试验数据转换成几何 形状和英—法海峡隧道相同的隧道的数据, 然后根 据贝叶斯公式, 计算出k 的后验概率。随着2002 年荷
在火灾情况下, 大多数隧道利用紧急通风系统 控制或排除烟气, 保证人员的安全疏散, 并为消防人 员接近火场灭火提供条件。 隧道通风主要有三种方
式: 全横向通风、半横向通风和纵向通风。其中, 分段 纵向通风方式已经在现代公路隧道中占据主导地 位。然而, 已有的隧道火灾事故通风系统都是根据假 定的“设计火灾”建造的, 这些“设计火灾”的火源热 释放速率一般在20～ 50 MW 之间, 并没有考虑通风 系统对单个火源热释放速率的影响[3], 也没有考虑 通风对火灾蔓延至邻近可燃物从而引起更大规模火 灾的影响。
k 为热释放速率的通风影响系数。 如研究热释放速率的通风影响系数k , 而不直接
研究火灾热释放速率的绝对值, 则诸如车辆可燃物
的多少等因素可以被绕过。 因此, 如果在某一隧道
内, 纵向通风速率V = 2 m s 时, k = 115, 那么自然通 风条件下 2 MW 的小客车火灾将会变成 3 MW 。
兰B enelux 隧道火灾试验及2003 年挪威R uneham a r 隧道火灾试验的开展, 初期研究的后验概率又作为 新计算的先验概率, 被新的试验数据更新。最新的后 验概率如图 3 所示。
从图 3 可以看出, 在纵向通风的作用下, 载重货 车的热释放速率有较大程度的提高。 在与英—法海 峡隧道形状相同的隧道内, 纵向通风速率为 2～ 4 m s 时, 载重货车的热释放速率大约是自然通风条 件下的3 倍时概率很高; 纵向通风速率为10 m s 时, 载重货车的热释放速率是自然通风条件下的 8 倍时 概率也很高。 112 客车火灾