070公路隧道火災(zāi)煙氣控制策略模擬研究

1、公路隧道火災(zāi)煙氣控制策略模擬研究哈爾濱工業(yè)大學(xué)高立新沈陽華維工程有限公司王遠鋒哈爾濱工業(yè)大學(xué)陸亞俊摘要：以往的火災(zāi)試驗和數(shù)值模擬研究大多是在肖:線形隧道中進行的，為此本文以一具有圓弧形轉(zhuǎn)彎的 公路隧道為研究對象，在全尺寸試驗的基礎(chǔ)上，針對不同的火災(zāi)應(yīng)急通風(fēng)方案和火源位置，對于火源功 率為30mw的火災(zāi)煙氣控制策略進行了模擬研究。結(jié)果表明：不同應(yīng)急通風(fēng)方案的煙氣控制性能有很大 差異，縱向風(fēng)速對隧道內(nèi)煙氣擴散具有顯著的影響?；鹪次挥谒淼乐本€區(qū)域時，縱向風(fēng)速增大，煙氣回 流現(xiàn)象顯著減輕，但煙氣前鋒的運動亦同時加快；火源位于隧道圓弧形區(qū)域時，火區(qū)附近縱向風(fēng)速非常 小，嚴重阻礙了煙氣沿隧道縱向的運動，現(xiàn)

2、有的應(yīng)急通風(fēng)方案均不能有效控制煙氣回流，應(yīng)輔以其它通 風(fēng)措施以改善煙氣控制效果。關(guān)健詞：公路隧道；火災(zāi)；煙氣控制；模擬0引言公路隧道是重要的交通運輸設(shè)施，能夠滿足 人們快速、方便的出行要求。但是由于隧道內(nèi)部 狹窄，一旦發(fā)生火災(zāi)，車輛及車上人員疏散困難, 很容易造成嚴重的生命和財產(chǎn)損失。1999年3刀連 接法國和意大利的勃郎峰隧道發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致41人 死亡,43輛乍輛被毀;同年5月奧地利的陶恩隧道火 災(zāi)死13人，毀車34輛，隧道關(guān)閉12個刀；2001年瑞 士圣哥達隧道因貨車相撞而引發(fā)火災(zāi)，造成11人 死亡，23輛汽車損壞。近年來，我國也發(fā)生了多 起隧道火災(zāi)事故。對見，隧道火災(zāi)雖然是小概 率事件，

3、但其危害后果卻不容忽視。針對以往的研 究大多是在直線型隧道小進行的這一特點2叫本 文結(jié)合全尺寸試驗研究，利用火災(zāi)動力學(xué)分析軟 件fds對具冇闘弧形轉(zhuǎn)彎隧道的火災(zāi)應(yīng)急通風(fēng) 系統(tǒng)的性能進行了模擬研究。1數(shù)值模擬模型介紹1.1模擬隧道狀況本文所模擬的隧道建于1974年，位于加拿人 蒙特利爾市，沿東西向穿過市區(qū)中心地帯，全長 2.16公里，車輛由東向西駛過隧道，隧道高度為 5.0mo本次模擬研究針對該隧道中長為85()m的一 段進行，該段從a洞的東側(cè)入口延伸到b洞的南側(cè) 出口。如圖1所示，該段隧道由兩個主洞組成，兒 何形狀較復(fù)雜，其中包括圓弧形轉(zhuǎn)彎，沿隧道長 度方向授寬處冇5條車道(22.0m),而最

4、窄處僅冇 2條車道(5.0m)。圖1隧道示意圖該隧道的機械通風(fēng)系統(tǒng)為半橫向式系統(tǒng)，包 括一系列可以反向運轉(zhuǎn)的風(fēng)機，其小風(fēng)機wf2、 wf3、wf7、wf8和wf9均只與一個位于隧道側(cè) 壁的大風(fēng)口相連，wf1、wf4、wf5和wf6分別 與多個位于隧道側(cè)壁的風(fēng)口相連,c f1、c f2、c f3、 cf4和cf5分別與位于隧道頂棚的多個風(fēng)口相連。1.2火源及通風(fēng)設(shè)置一共設(shè)置了兩個火源位置，第一個火源位于 距a洞東側(cè)入口 350m的直線區(qū)域，對應(yīng)1 4 #通 風(fēng)方案，第二個火源位于距a洞東側(cè)入口580m的 圓弧形區(qū)域，對應(yīng)5-7#通風(fēng)方案，見表1,模擬 時間取為900s o表1數(shù)值模擬通風(fēng)方案通風(fēng)

5、方案啟動的風(fēng)機風(fēng)機運行模式1#cf1, cf2送風(fēng)wf1, wf2, wf3排風(fēng)2#cfl cf2, wf1, wf2, wf3排風(fēng)3#cf1, cf2, cf3, cf4, cf5送風(fēng)wf1, wf2, wf3排風(fēng)4#wf1, wf2, wf3排風(fēng)cf3, cf4, cf5送風(fēng)5#wf4送風(fēng)wf5. wf6, wf7, wf8, wf9排風(fēng)6#wf4, wf5, wf6,wf7, wf8, wf9排風(fēng)7#wf2, wf3, wf4, wf5, wf6,wf7. wf8, wf9, wf10排風(fēng)cf3, cf4, cf5送風(fēng)1.3邊界條件數(shù)值模擬是在假定隧道內(nèi)沒有車流的情況f 進行的。由于fd

6、s只能以平行六而體來處理所模 擬的物理區(qū)域，因此采用將平行六面體疊加的方 法對圓弧形側(cè)壁進行了模擬，并利用fds的參數(shù) 處理方法使得由此產(chǎn)牛的的鋸齒效果最小化，以 防止在尖角處產(chǎn)生渦旋?；鹪丛O(shè)置為固定熱釋放 速率火源。全尺寸試驗測得隧道出入口的主導(dǎo)風(fēng) 速均接近于0,故所有出入口邊界條件均設(shè)為開式 孔口。環(huán)境溫度設(shè)置為20°c。隧道壁面設(shè)置為熱 厚性邊界。2數(shù)值模擬結(jié)果分析2.1煙氣在隧道內(nèi)的傳播圖2給出了火源位于隧道直線區(qū)域時3#通風(fēng) 方案下煙氣的擴散情況。在火災(zāi)發(fā)牛.36s后，煙氣 冋流長度為46m,在火災(zāi)發(fā)生567s后，煙氣冋流長 度達到最大值86m,此后直到模擬結(jié)束煙氣回流 長

7、度不再増加。在4#通風(fēng)方案卜煙氣回流情況 與3#通風(fēng)方案兒乎沒有差別。1#和2#通風(fēng)方案的 最人煙氣回流長度均為153m,但達到最人回流長 度所需時間分別為684s和347s。顯然，在抑制煙 氣回流方|ai, 3#和4#通風(fēng)方案的性能最好，2#方 案最差。與4#通風(fēng)方案相比，3#通風(fēng)方案多出了以送 風(fēng)方式運行的風(fēng)機cf1和cf2,導(dǎo)致3#方案火源下 游與車流方向相反的縱向風(fēng)速小于4#通風(fēng)方案， 因而3#方案對煙氣前鋒的控制作用降低。在火災(zāi) 發(fā)生9()()s后，3#方案下煙氣前鋒運動了395m,陽 4#方案下煙氣前鋒運動了364mo可見，在控制火 源下游煙氣前鋒運動方面，4#通風(fēng)方案優(yōu)于3#方

8、案。因此，綜合考慮火源上游和下游煙氣的運動 悄況，對于發(fā)生在隧道直線區(qū)域的火災(zāi)，4#通風(fēng) 方案的煙氣控制性能最好。t=0sr=36s圖2 3#通風(fēng)方案下直線區(qū)域火災(zāi)煙氣傳播圖3給出了火源位于隧道圓弧形區(qū)域時7#通 風(fēng)方案下煙氣的擴散情況。火災(zāi)發(fā)生95s后，煙氣 回流長度為159m；火災(zāi)發(fā)生113s后煙氣回流長度 為175m；模擬結(jié)束時煙氣回流長度為201mo cfd 模擬結(jié)果顯示，模擬結(jié)束時5#和6#通風(fēng)方案的煙 氣回流長度分別為595m和241m。顯然，7#通風(fēng)方 案控制煙氣回流的性能較6#方案，特別是5#方案 有很大提高。另外還可以看出，火源位于圓弧形 區(qū)域時，煙氣冋流比火源位于肓線區(qū)域時

9、嚴重得 多。數(shù)值模擬結(jié)果還顯示，模擬結(jié)束時6#和7#方 案中煙氣前鋒的擴散距離均為174im因此，綜合 考慮火源上游和下游煙氣的運動情況，對于發(fā)生/=113sr=900s圖3 7#通風(fēng)方案下圓弧形區(qū)域火災(zāi)煙氣傳播50t 方案1 方案2方案3-方案4|3530252015350100200300400500楓x)700800900距a潤東劉入口的距離佃)0100200300100500600700800900himm東劉入口的距離5)在隧道圓弧形區(qū)域的火災(zāi)，7#通風(fēng)方案的煙氣控 制性能最好。/=0sr=95s2.2隧道內(nèi)能見度分布圖4給出了 1 一4#通風(fēng)方案下隧道不同斷面上 的能見度。圖41-

10、4#通風(fēng)方案下不同斷面的能見度在方案2中，以排風(fēng)方式運行風(fēng)機cf1和cf2, 導(dǎo)致煙氣從火源附近被抽吸到火源上游，因而火 源下游和火源附近的能見度最好；在方案1小，以 送風(fēng)方式運行風(fēng)機cf1使火源上游沿車流方向的 縱向風(fēng)速冇所增加，阻礙了煙氣向火源i二游的運 動，導(dǎo)致方案1中火源上游的能見度比方案2高， 而火源下游的能見度比方案2低；在方案3和方案4 小，以送風(fēng)方式運行風(fēng)機cf3、cf4和cf5,使火 源上游沿車流方向的縱向風(fēng)速顯著增加，因此火 源上游的能見度比方案1和方案2好得多，但火源 下游的能見度變得更差。5-7#通風(fēng)方案下隧道不同斷而上的能見度 示于圖5。與火源位于直線區(qū)域不同，火源位

11、于圓 弧形區(qū)域時，三個方案下火源處的能見度均極低。 三個方案下火源下游的能見度非常相似，但7#方 案卞由于火源上游沿車流方向的縱向風(fēng)速增人, 因此火源上游能見度好于5#方案和6#方案。50圖5 57#通風(fēng)方案下不同斷面的能見度3結(jié)語(1) 火源位于隧道直線區(qū)域時，沿車流方向的 縱向風(fēng)速增大，煙氣回流現(xiàn)彖顯著減輕，但縱向 風(fēng)速不宜過人，否則煙氣前鋒向火源下游的擴散 速度過快，會對火源下游車輛和人員的安全疏散 帶來不利影響。(2) 火源位于隧道関弧形區(qū)域時，煙氣沿隧道 縱向的運動能力明顯降低，在這一區(qū)域出現(xiàn)了死 區(qū)，煙氣回流現(xiàn)象增強，可以沿圓弧形區(qū)域頂棚 布置射流風(fēng)機，增人火源上游沿車流方向的縱向

12、 風(fēng)速從而消除死區(qū)，改善煙氣控制效果。4致謝本文得到了黑龍江省留學(xué)回國基金 (lc07c04)、教育部留學(xué)冋國基金(2007-12)和黑龍 江省m 士后基金(lbh-z07160)的資助。參考文獻1 張祉道.公路隧道的火災(zāi)事故通風(fēng)j.現(xiàn)代隧道技 術(shù),2003,40(1):34-43.2 彭偉，霍然，胡隆華等.隧道火災(zāi)的全尺寸試驗研究j 火災(zāi)科學(xué),2006,15(4):212-218.|31閆治國，楊其新.秦嶺特長公路隧道火災(zāi)溫度場分布 試驗研究j.地下空間,2003,23(2):191-195.4張發(fā)勇，馮煉.終南山特長公路隧道火災(zāi)通風(fēng)數(shù)值模 擬分析.地下空間，2004, 24 (4) : 506-509. mc