基于FDS的公路隧道火灾仿真及风机联动控制研究

基于FDS的公路隧道火灾仿真及风机联
动控制研究
摘要：随着我国公路事业的发展，公路隧道的规模趋于长大化。

由于长达隧道发生火灾，救援困难，将会造成严重的后果，因此隧道防灾救灾始终作为我国高速公路安全研究的重点和难点。

本文采用FDS火灾动力学仿真软件建立隧道火灾模型，仿真隧道不同位置着火时，隧道风机运行方案，分析不同风机控制方案下隧道排烟的优劣，最终确定风机联动与着火点位置的关系，从而为实际隧道火灾情况下风机控制提供参考依据。

关键词：隧道模型构建，公路隧道火灾，FSD火灾仿真，风机联动
1 引言
公路隧道通常使用射流风机完成排烟任务。

在火灾情境下，隧道内着火点形成的烟雾，与射流风机的分布之间存在一定的联动关系。

在不同功率、不同位置情况下，多组射流风机之间如何展开联合工作，能够起到最佳排烟效果，是当前隧道安全研究的主要领域之一。

国内外研究人员，在相关领域展开了一系列工作。

梁园、许蔚昆研究了隧道宽度以及排烟口宽高比对大跨径隧道火灾侧向排烟系统排烟效率的影响[1]；郭洪雨、田伟等研究了带平行导洞的公路隧道合理排烟策略[2]；陈振伟、张昊等研究了基于多种火灾报警技术融合检测的隧道火灾联动控制系统设计[3]；韦存祥对地铁隧道非单一火源火灾时期排烟效果进行了模拟研究[4]；蒋琪对单洞双向公路隧道火巧灾排烟控制进行了研究[5]。

上述各项研究，针对隧道中火灾排烟的部分关键点进行了分析研究。

其中的联动控制研究，有的以大型系统监控为主，没有考虑风机之间的联动细节；有的以分析总结为主，没有重点针对着火点位置、功率大小、熄灭时长，以及风机分布等因素进行仿真分析。

本文通过使用FDS火灾动力学仿真软件，对隧道内着火点分布与风机联动进行仿真，得到了着火点位于隧道中不同区域时的风机控制基本规则，对今后的隧道机电控制系统研究有一定的参考效果。

2 火灾分析模型及排烟方案设置
2.1 隧道模型及风机分布
FDS（Fire Dynamics Simulator）软件是由美国标准与技术研究院（NIST）开发的一种计算机流体力学模拟程序，用于模拟火灾中流体运动的流体力学计算软件。

因其能够较好地模拟低速（低于0.3马赫）、热驱动流体的热量传输，因此经常被用于研究隧道火灾。

本文使用FDS软件搭建了全尺寸数值模拟实验，建立了长400m，宽15m，高8m的隧道模型。

除了隧道两侧端面外，隧道内部顶部以80m为间隔，共部署了4台射流风机。

风机均可双向送风。

4台射流风机位于隧道中轴线上方。

隧道模型整体结构如下图1所示：
图1 隧道模型示意图
2.2 着火点模型设置
根据 FDS 软件大涡模型中火焰特征长度D*，如式（1）：
-----------（1）
式中：是火源功率（kW），火灾热释放功率HRR（Heat Relese Rate）取为20MW（一辆公共汽车或卡车发生火灾），危化品等特种车辆由引导车定时引导通过，以避免大型火灾事故的发生；为空气密度，取1.293 kg /m3；是空气比热容，取1.0 kJ·k g-1·K-1；是环境温度，取值为298.16 K；g是自由落体加速度，取 9.8 m/s2。

为了防止烟雾回流并威胁上游人员，需要计算临界风速。

临界风速受多种因
素的影响，例如火灾规模、隧道坡度、火源大小、火灾发生的位置、通风情况、
隧道结构特征等。

采用Wu和Baker公式计算20MW火源的临界风速，代入相应数
据可得到公式（2）：
------（2）
其中，为隧道横截面面积（m2），为隧道断面周长（m），为隧道水
力高度（m）；为无量纲热释放速率。

当＜0.20时，υ* =0.40( 0.20)-
1/3Q*1/3；Q* ≥0.20时，υ*=0.40。

于是，可以得到隧道理论的理论临界风速，
并兼顾文献中对20 MW火灾功率相应的临界风速要求，本研究确定的临界风速为
3m/s。

2.3 风机控制方案
针对着火点位于隧道内不同位置，本文设定几种不同场景下的风机控制方案，并对每种场景进行了分析。

场景1:着火点位于隧道中间位置，所有风机向同一侧排烟。

在着火点上方、
左方10米处、右方10米处分别放置三个温度探测点和能见度探测点，探测点高
度为1.5米。

如下图2所示：
图2 场景1模型示意图
场景2:着火点位于隧道中间位置，着火点两侧风机分别向各自出口处排烟。

在着火点上方、左方10米处、右方10米处分别放置三个温度探测点和能见度探
测点，探测点高度为1.5米。

如下图3所示：
图3 场景2模型示意图
场景3:着火点接近某一出口处，所有风机向同一侧方向排烟。

在着火点上方、左方10米处、右方10米处分别放置三个温度探测点和能见度探测点，探测点高
度为1.5米。

如下图所示：
图4 场景3模型示意图
场景4:着火点接近某一出口处，着火点两侧风机分别向各自出口处排烟。

在
着火点上方、左方10米处、右方10米处分别放置三个温度探测点和能见度探测点，探测点高度为1.5米。

如下图所示：
图5 场景4模型示意图
3 模拟结果分析
根据常见隧道火灾模拟条件，设置着火时间为600秒，火源最大功率为
1000MW，火源功率在前300秒线性增加，在300秒时达到最大值，在后300秒线
性减小，至600秒时减小到0。

在FDS仿真环境中，需要对仿真区域进行线性化分割。

本文将隧道分割为
400*15*8的网格，进行模拟。

FDS仿真的结果，可使用smokeview观察其火焰、烟雾变化状况。

例如，场
景1-场景4，300秒（火焰强度最大）时刻火焰、烟雾状况，如下图6所示：
图6 场景1-场景4，300秒时刻火焰、烟雾状况图
仅根据smokeview显示的图像，难以对火灾状况以及射流风机的运行效果进
行充分描述。

因此，需要根据温度探测点的记录结果，对风机运行效果进行描述，才能有效判断何种方案较为合理。

不同场景下探测点时间与温度及时间与能见度
变化如下。

图7 (a)场景1三个探测点的时间-温
度变化图
图7 (b) 场景1三个探测点的时间-能见度变化图
图8 (a) 场景2三个探测点的时间-温度变化图
图8(b)场景2三个探测点的时间-能见度变化图
图9(a) 场景3三个探测点的时间-温度变化图
图9（b）场景3三个探测点的时间-能见度变化图
图10（a）场景4三个探测点的时间-温度变化图
图10（b）场景4三个探测点的时间-能见度变化图
根据上述探测点采集数据分析：
第一，不论着火点位于隧道中间区域，还是隧道接近某一端口处，不论是同相排风，还是两侧排风，当距离着火点10米之外的区域，温度已经降低较低。

因此温度并不是排风系统主要考虑的问题。

第二，当着火点位于隧道中间位置时，同相排烟时，烟气会向着隧道同一方向运动，两侧排烟时，烟气向着两侧运动。

此时，要根据隧道中车辆人员分布状
况确定具体排烟方向。

因此，当着火点位于隧道中间位置时，排烟控制要与隧道内的车辆检测装置联动。

如果车辆分布较为均匀，则采用两侧排烟；如果车辆集中在一部分区域，则向该区域的反方向排烟。

如果隧道中没有车辆位置检测，则认为车辆均匀分布，采取两侧排烟。

第三，当着火点位接近某一端口处时，同相排烟能够起到较好的效果。

4 结论
本文通过对两种着火点位置，四种排烟方案进行了FDS仿真，通过探测点传感器曲线，以及smokeview的展示，得到了着火点位于不同位置时的风机控制方案。

风机控制主要考虑烟雾因素，不考虑温度因素；着火点位于隧道中间时，如果具备车辆位置检测能力，则联动控制，如果不具备车辆位置检测能力，则两侧排烟；着火点位于隧道某一端口附近时，采取同相排烟。

本文研究的环境条件还不够丰富，没有考虑到外部风力、隧道倾斜角度等因素。

后续会进一步深入研究。

参考文献
[1]梁园,许蔚昆.隧道侧向排烟口尺寸对排烟效果的影响研究[J].工业安全
与环保, 2021, 47(06): 40-44.
[2]郭洪雨,田伟,刘佳.带平行导洞的公路隧道合理排烟策略[J].隧道与地下工程灾害防治,2021,3(02):69-76.
[3]陈振伟.大型公路隧道应急联动控制设计探讨[J].中国交通信息
化,2017(01):99-102.
[4]韦存祥. 地铁隧道非单一火源火灾时期排烟效果模拟研究[D].中国矿业
大学,2017.
[5]蒋琪. 单洞双向公路隧道火灾通风排烟控制研究[D].西南交通大学,2017.
基金项目：四川交通职业技术学院，基金项目编号: 2020-XY-KJ-06公路长隧道火灾状况下风机运行控制研究。