纵向通风下城市交通隧道火灾火焰长度研究
四川大学建筑与环境学院 高原 王子云 任嘉友 付召 刘秦见
摘 要：城市交通压力增大背景下，许多城市交通隧道建成，其火灾事故影响巨大，火焰长度的研究对避免火灾扩大及发生二次火灾具有重要意义。本文采用数值模拟方法，分析探讨不同火源热释放率（HRR）时，纵向通风对火焰长度的影响。结果显示：随纵向风速增大，上游火焰长度逐渐减短；下游火焰长度在较小HRR时，较低纵向风速时基本不变，在大风速时迅速减短，在HRR较大时，火焰长度对纵向风速更敏感。定义上游火焰长度减为0时的纵向风速为控制风速，模拟结果显示Haukur Ingason等以某一固定的无量纲控制风速值来判断火源是否在上游形成射流火焰是不合理的。
关键词：火焰长度；数值模拟；隧道火灾；纵向通风
0 引言
经济快速发展，国民购买力增强背景下，城市汽车保有量急剧增多，据公安部交管局统计：截至2016年底，全国汽车保有量达1.94亿辆[1]。交通压力急剧增大，使近年来城市交通隧道迅速增多，城市交通隧道具有车流量大、高峰期易阻塞、附近人流量大等特点[2]，交通事故或温度过高车辆自燃均易引起隧道火灾，往往造成巨大人员损伤和财产损失，如威海陶家夼隧道在2016年9月20日一轿车自燃，接连发生两起追尾事故。2017年5月9日，该隧道内一幼儿园租用车辆发生交通事故并导致车辆起火，车内1名司机和11名学前儿童身亡。
城市交通隧道发生火灾时极易出现车辆阻塞，此时车上人员均需弃车逃离。城市交通隧道高宽比较小，且纵向通风时，着火车辆火焰向下游偏转，若引起二次火灾危害巨大，研究火焰长度对城市交通隧道火灾避免二次灾害具有重要意义[3]。
P. L. HINKLEY首先关注火焰长度的问题，采用7.3m长×1.2m宽倒置的槽状容器，研究不同火源高度、不同火源热释放率的火焰特点，得到走廊火灾在富空气–通风控制燃烧区域，顶棚射流的火焰长度[4]。Rew and Deaves[5]调查1996年的Channel隧道火灾事故，总结HGV-EU-REKA 499火灾试验数据和Memorial实验，定义水平火焰长度为600℃边界到火源中心的水平距离，得到火焰长度经验公式，但缺少隧道的宽度或高度等几何参数，不能应用到其他隧道火灾中。国内，中国科学技术大学的陈龙飞关注侧墙限制对火焰特点的影响，范传刚考虑火源长宽比的影响，高子鹤考虑了火源热释放率、火源尺寸及火源高度的综合作用，均采用小尺寸实验或数值模拟对火焰长度进行了探讨[6-8]。本文针对城市交通隧道，探讨纵向通风对火焰长度的影响，为后期深入探究做准备。
1 研究方法
1.1 物理模型
隧道中发生火灾时，若火源高度Hs较高，或HRR较大时，火焰触及顶棚，在隧道受限空间内，形成向上下游扩展的射流火焰。定义火焰端部到火源中心的纵向距离为火焰长度，Lf,u为上游火焰长度，Lf,d为下游火焰长度。
城市交通隧道多为矩形横断面下穿隧道，且长度较短、车流量较大，经调研成都市27条下穿隧道，长度在300m~1900m之间，多为双向4车道，限高4.5m~5.6m。本文采用Fire Dynamic Simulation（FDS）数值模拟方法建立隧道模型如图1所示，长500m、宽8.8m、高5m，火源车辆均位于右车道2.2m中心线上，壁面材料为Concrete，壁厚0.5m。
图1 隧道模型
城市交通隧道对车辆有一定要求，多为小轿车、公交车，少有客车、小型载货汽车，为研究不同火源热释放率、不同火源高度的影响，接近实际情况，本文采用四种车辆模型具体参数如表1所示。
表1 车辆模型参数
1.2 数学模型
FDS是美国国家标准与技术研究院根据火灾动力学，在CFD基础上研发并普遍用于火灾工程的模拟方法。FDS模拟方法分为直接模拟（DNS）和大涡模拟（LES）两种，大涡模拟采用Navier-Stokes方程计算大尺寸涡，小尺寸涡采用Smagorinsky亚网格尺寸模型，前人研究结果可知大涡模型用于火灾动力模拟预测隧道中的烟气流动是可靠的[9]。本文火源热释放率（HRR）采用面热源分布在车辆表面以接近实际火灾，本文关注火灾发生的前期特点，火源热释放曲线采用t2模型，且为快速增长类型[10]。火灾发生后，热量传递一部分由火焰热烟气与新鲜空气湍流换热带出隧道，一部分由隧道壁面辐射热吸收，辐射热损失通常以输入百分比的形式简化，前人采用的范围在0.2~0.4之间[3]，本文中考虑35%的辐射热损失。
1.3 网格验证
网格大小决定了数值计算模型内部的偏微分方程精度[11]，但网格尺度越小，数量越大，对计算机的要求越高，计算时间越长。本文采用八核32G计算机进行模拟，为兼顾计算精度与计算时间，对不同大小网格进行对比验证，选择合理网格划分。FDS推荐采用火源特征直径来划分网格大小，火源特征直径D*定义如下：
其中，Q为火源热释放率（kW）；ρ0为环境空气密度（kg/m3）；Cp为环境空气比热（kJ/(kg·K)）。李颖臻对比不同网格尺度下的温度分布等，表明网格尺寸为0.075D* 比较合理；李振兴在火源附近采用加密网格，网格尺寸在0.011D*–0.34D*之间。由上式可知，网格尺寸取决于火源热释放率的大小，本文将各个模型分为五个部分网格，采用并行运算，火源附近采用加密网格，将各个火源热释放率模型最小网格依次分别划分成0.05D*、0.08D*、0.1D*、0.14D*、0.2D*，经对比计算，确定各个模型网格尺寸均在0.051D*~0.227D*，最小网格均在0.08D*及以下。
2 火焰长度确定方法
前人多采用统一火焰前锋温度值的方法来确定火焰前锋到火源几何中心的距离，即为火焰长度。本文借鉴Rew 和Deaves的研究成果，采用600℃为火焰前锋的温度来研究火焰长度。另一方面，火焰具有振荡特性，通常我们所描述的火焰的高度、倾角、长度值都指的都是平均值，本文采用统计算数平均值的方式确定在火灾达到最大热释放率以后的平均火焰长度，统计结果显示其与最大、最小值相对偏差均较小，且绝大多数在10%以内。
以12m×2.55m×3.72m的公交车为例，HRR达到最大值以后整体趋于稳定，但始终处于波动状态，每隔20s测量一个火焰长度，结果如表2所示。
表2 Large bus火源火焰长度统计
3 纵向通风影响分析
由前人的研究成果可知，隧道中发生火灾时，若规模较大在隧道顶棚下产生射流火焰，无纵向通风时，火焰成对称分布如图2所示；纵向通风时，纵向通风风速为u，当纵向风速较大时，火焰只在下游扩展，当纵向风速较小时，射流火焰在上下游均会出现，如图3所示，称为强羽流驱动下的顶棚射流火焰[6]，此时隧道高度H=Hs+Hf。
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| 图2 无纵向风时火焰长度示意图 | 图3 较小纵向风时火焰长度示意图 |
3.1 不同纵向风时火焰长度特点分析
不同车辆发生火灾，HRR分别为20MW、30MW、60MW时，不同纵向风速下的上游、下游火焰长度分别如图4、5、6所示。首先，从前人的研究成果可知，HRR对火焰长度影响很大，且HRR与火焰长度成正相关，下图中也可得到同样结论。其次，对上游火焰长度，三种HRR下，均可看出：随纵向风速增大，上游火焰长度逐渐减短；而下游火焰长度在20MW、30MW HRR时，较低纵向风速时基本不变，均在大风速时迅速减短，HRR为60MW时，从图中可看出，纵向风速能迅速减短火焰长度，说明HRR较大时，火焰长度对纵向风速更敏感。从图5、6可以看出，上游火焰长度比下游火焰长度先减为0，即在某一速度范围内，顶棚射流火焰仅在下游扩展。隧道纵向通风时，火源车辆产生的顶棚射流火焰在上游（即反向流动段）在与向下游流动的送风空气接触时，射流火焰动量减小，火焰空气卷吸量增加且冷空气与热烟气、可燃气体掺混使卷吸效率增加[12]，迅速卷吸的空气与未完全燃烧部分迅速燃烧完成，火焰停止继续向上游发展，综合效果使上游射流火焰长度变短。
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| 图4 20MW HRR不同纵向风速时火焰长度 | 图5 40MW HRR不同纵向风速时火焰长度 | 图6 60MW HRR，不同纵向风速时火焰长度 |
3.2 控制风速
类似于临界风速的原理，本文定义上游火焰长度减为0时的纵向风速为控制风速uc，Haukur, Ingason等确定无量纲风速up*如下式[5]，则无量纲控制风速为ucc*。
定义无量纲火源热释放率：
式中，u为隧道中纵向风速（m/s）；Q为火源热释放率HRR（kW）；T0为环境温度（本文中为293K）；H为隧道高度（本文中为5m）。Haukur, Ingason等分析瑞典SP研究所的纵向通风模型试验、Memorial全尺寸隧道火灾实验、Runehamar隧道实验结果，总结出顶棚火焰在上游是否扩展存在一定值，即无量纲控制风速恒为uc*=0.3，即当无量纲控制风速大于0.3时，顶棚火焰将不在上游扩展，仅在火源下游存在顶棚射流火焰。李思成[13]发现Haukur, Ingason的研究结论基于实验隧道高宽比都接近于1，其根据FDS模拟结果探讨了具有不同高宽比的隧道的火焰长度控制风速的特点，并得到结论：火源功率和隧道的横截面积一定时，隧道的高宽比越大，则火焰长度的无量纲控制风速uc*越低，在各个工况下为uc*均恒定为0.3不合理。
本文中隧道尺寸一致，高宽比为0.568，结合前人大尺寸隧道实验结果来看，Haukur, Ingason等将无量纲控制风速在各个工况下均恒定为uc*=0.3确有一定误差。本节中采用了部分前人大尺寸实验结果：Memorial隧道、Zwenberg隧道、Runehamar隧道、2nd Benelux隧道实验，各个隧道高宽比如表3所示，Memorial隧道与Zwenberg隧道高宽比较为接近，无量纲控制风速如图7所示；本文模拟隧道、Runehamar隧道和Benelux 隧道高宽比较为接近，无量纲控制风速如图8所示。
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| 图7 Memorial和Zwenberg隧道的无量纲制风速 | 图8 模拟隧道、Runehamar和2nd Benelux 隧道的无量纲控制风速 |
本模拟结果显示，M型中巴车火灾HRR为20MW时，控制风速在1.75~2.1m/s之间，即无量纲风速uc*在0.25~0.3之间；L型公交车火灾HRR为30MW，T型载货汽车火灾HRR为60MW时，控制风速在3.5~4.9m/s之间，即无量纲风速uc*在0.5~0.7之间。综合模拟结果和各个大尺寸实验结果，可知在不同隧道高宽比、无量纲火源热释放率下，无量纲控制风速是不同的。与李思成结论相似，火源热释放率越大，控制风速越大；隧道高宽比越小，控制风速越大；所以，单独以某一固定的无量纲控制风速值来判断火源是否在上游形成射流火焰是不合理的。
表3 各隧道高宽比
4 结论
本文采用FDS大涡模拟，对比HRR为20MW、30MW、60MW时不同纵向风速的火焰长度，研究纵向风速对火焰长度的影响。模拟结果显示：随纵向风速增大，上游火焰长度逐渐减短；而下游火焰长度在不同HRR时表现不同，在HRR较小时，火焰长度对纵向风速不敏感，较低纵向风速时基本不变，但在风速很大时迅速减短，在HRR较大时，火焰长度对纵向风速敏感。在某一较大的速度范围内，顶棚射流火焰仅在下游扩展，本文定义上游火焰长度减为0时的纵向风速为控制风速uc，得到结论：火源热释放率越大，控制风速越大；隧道高宽比越小，控制风速越大；所以，Haukur Ingason等以某一固定的无量纲控制风速值来判断火源是否在上游形成射流火焰不合理。
参考文献
[1] 国家统计局. 中华人民共和国2016年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201702/t20170228_1467424.html. 2017.2.28.
[2] 李炎锋，付成云，李俊梅，等. 城市交通隧道坡度对火灾烟气扩散影响研究[J]. 中国安全生产科学技术. 2011, 07(5):10–15.
[3] 李颖臻. 含救援站特长隧道火灾特性及烟气控制研究[D]. 西南交通大学, 2010.
[4] Hinkley P L, Wraight H, Theobald C R. The contribution of flames under ceilings to fire spread in compartments[J]. Fire Safety Journal. 1984.
[5] Ingason H, Li Y Z, Nnermark A L. Tunnel Fire Dynamics; Tunnel Fire Dynamics[M]. 2015:1511–1513.
[6] 陈龙飞. 纵向通风与顶棚集中排烟作用下隧道火灾顶棚射流行为特性研究[D]. 中国科学技术大学, 2016.
[7] 高子鹤. 隧道内受限火羽流行为特征及竖井自然排烟机理研究[D]. 中国科学技术大学, 2016.
[8] 范传刚. 隧道火灾发展特性及竖井自然排烟方法研究[D]. 中国科学技术大学, 2015.
[9] Lee S R, Ryou H S. A numerical study on smoke movement in longitudinal ventilation tunnel fires for different aspect ratio[J]. 2006, 41(6):719–725.
[10] 钟委，霍然，史聪灵. 热释放速率设定方式的几点讨论[J]. 自然灾害学报. 2004, 13(2):64–69.
[11] 梁亚婷. 地铁火灾烟气流动规律的数值模拟研究[D]. 西安科技大学, 2013.
[12] 王涛. 烟囱效应下隧道火灾中顶棚射流火焰发展特性研究[D]. 郑州大学, 2016.
[13] 李思成. 城市地下交通联系隧道火灾烟气运动特性及优化控制研究[D]. 北京工业大学, 2016.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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