半敞开式隧道烟气扩散特性的数值模拟

半敞开式隧道烟气扩散特性的数值模拟

0隧道火灾的影响因素在道路隧道中，一般配备机械通风和通风系统，解决隧道中天然气和火灾时的通风和通风控制问题。由相关资料可知,在隧道火灾事故中,烟气是导致人员死亡的最主要因素,隧道火灾的早期探测报警及初期烟气有效控制是保证人员疏散的重要措施。本研究针对隧道采用自然通风模式下不同季节(即不同典型温度)时火灾烟气控制效果进行模拟。1中间开口结构形式选用南京市某隧道为原型建立物理模型。该隧道为双洞单向行驶隧道,隧道暗埋段长1410m。暗埋段单洞净宽12.5m,净高5.5m。在隧道暗埋段中的半敞开部分,采用中间开口的结构形式,开口横截面均为3.6@2.6m2,4个开口为1组,组间隔墙8.8m,每个开口内靠近隧道顶部均有一个宽0.8m、高2.0m的梁,如图1、图2所示。隧道中间有段最长暗埋段250m,模拟时采用单洞模型。2u3000热辐射驱动模型本文采用美国国家标准技术研究院NationalInstituteofStandardsandTechnology(NIST)开发的场模拟程序FDS。FDS是一种火焰驱动流体流动的计算流体动力学模型,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,重点是计算气体密度、速度、温度、压力和组分浓度,用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分,通过有限体积技术来计算热辐射,流体流动中存在湍流现象。采用FDS5对隧道火灾进行模拟,使用大涡模拟(LES)方法处理湍流流动。模型简化的基本方程见式(1)、式(2)。式中,ρ为烟气密度,u为速度矢量,Yl为组分l的质量分数,Dl为组分l的传质系数,W"l为组分l的生成速率。3根据高度的变化情况,确定目标工选取典型的3个季节,即春秋季(293K)、夏季(310K)、冬季(273K)进行模拟。在隧道内最不利位置即最长暗埋段中间部位设置火源1。考虑到隧道内倒灌风的影响,在暗埋段内距开口处1/3位置设置火源2,如图3所示。该隧道为城市隧道,中型汽车的自燃(大约为7.5MW左右)是发生火灾的最大可能危险。燃烧面积为1.8m@1.8m。隧道外压力为标准大气压,内部风速取0.9m/s。研究针对火源2存在倒灌风的影响,倒灌风速取1m/s。参考前人的研究成果可知,当超过500e时,混凝土的抗压强度仅为原来的60%,因此本研究中以500e为特征温度。分别从人眼的特征高度处火灾烟气的浓度和温度着手进行模拟分析。本次模拟分析时人眼的特征高度取1.8m。根据前人的试验可知,逃生人员暴露其中的温度在15min内不应大于80e。当环境中CO的质量浓度超过125mg/m3时,人体就会产生头晕、乏力等不适感,当CO质量浓度超过750mg/m3时,短期内会引起窒息死亡。因此在距隧道地面1.8m和隧道顶部设置了一系列温度监测点;火源两侧5m、10m,安全高度1.8m处测定CO的浓度。考虑到计算机性能、模拟时间、模拟精度等因素,对网格进行了局部加密,模拟时间设为300s。模拟工况的设置见表1。4模拟结果分析4.1高温对隧道影响分析图4、图5可知:随着距火源距离的增加,高温热烟气不断卷吸周围冷空气,顶棚处最高温度不断降低;无倒灌风时,火源正上方处冬季、春秋季、夏季的最高温度分别为936e、1078e和1159e,有倒灌风时分别为875e、939e和1008e。火源正上方产生的高温对顶棚结构造成破坏,大大降低了隧道整体结构的安全性,隧道顶部需增加防火涂层。无倒灌风时,上、下游距火源5m处的最高温度分别为348e、509e,有倒灌风时分别为511e、347e,这样的温度不足以对顶棚结构造成破坏;顶棚处温度夏季最高,春秋季次之,冬季最低,主要是因为环境温度的降低,加速了烟气温度的降低。4.2不同倒灌风温度下风向的影响分析图6、图7可知:在距火源5m以外,上、下游所有监测点的温度均在80e以下,并且随着距离增加降到与环境温度相同;无倒灌风时,距火源相同距离处上风向的温度比下风向低,这是因为在隧道内部自然风的作用下,火焰偏向下游;有倒灌风时,随着距火源距离的增加,安全高度处温度先逐渐降低至环境温度,然后又有不同程度地升高,主要是因为在倒灌风的影响下,通风口附近部分沿隧道顶部蔓延的烟气向下回流造成温度有不同程度的升高。4.3隧道内co浓度波动分析图8~图13可知:除部分点属统计误差外,随着时间增加,冬、春秋、夏季的CO浓度都呈上升趋势;火源正上方处CO的浓度很高,且距离火源越远,CO浓度越高,随着烟气扩散距离的增加,烟气层下降,CO浓度也逐渐下降。由于倒灌风的吹入,上游处200s之后冬、春秋、夏季隧道内CO浓度的波动较剧烈;无倒灌风时,夏季CO质量浓度最高,最高值达4.72mg/m3,而春秋季CO质量浓度最高值达3.28mg/m3,冬季达到3.11mg/m3,主要是燃烧较为充分,CO含量低,对人体疏散影响较小。4.4烟气高度变化分析图14~图17可知:除个别点属于记录误差外,上、下游各纵向位置处的烟气层沉降速度接近一致;无倒灌风时,上游85m处烟气高度稳定在2.6m以上,有倒灌风时,上游85m处烟气高度稳定在1.9m以上。无倒灌风时,下游5m处烟气运动较为剧烈,但沉降较小,主要是由于距离火源近,温度高,烟气不易沉降。下游35m处比5m处严重,下游处烟气较多,下沉也较严重。有倒灌风时,两个测点烟气沉降规律较为相似。比较模拟数据可以发现,冬季烟气沉降较其他季节严重,3个季节的烟气高度在300s内都没有降到安全高度1.8m以下,按正常行走速度1.5m/s计算,有足够时间逃到敞开段。5隧道顶部防火处理的必要性(1)隧道采用自然通风的排烟模式是切实可行的,各季节自然通风口能起到很好的排烟作用。(2)顶棚处温度夏季最高,春秋季次之,冬季最低,且火源正上方产生的高温对隧道顶棚结构具有较大的威胁,需对隧道顶部做防火处理。(3)安全高度处烟气温度随着与火源距离的增加,迅速