分岔隧道火灾火源位置对临界风速影响的数值模拟分析.docx

? ? 分岔隧道火灾火源位置对临界风速影响的数值模拟分析* ? ? 陈长坤，焦伟冰，雷 鹏，张宇伦，赵小龙 (1.中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075；2.清华大学合肥公共安全研究院 灾害环境人员安全安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601) 0 引言 随着我国经济社会的发展，隧道数量与复杂程度都在增加[1-2]，当出现特殊地形及道路布线受限的情况时，一般需要建设分岔隧道。隧道火灾一旦发生且得不到有效控制，将导致严重的后果。如2017年河北浮图峪隧道火灾，造成15人死亡，3人受伤[3]。由于分岔隧道特殊的结构形式，其发生火灾时烟气蔓延规律及通风排烟模式都与单管隧道有很大不同[4-5]，因此有必要开展相关的研究来保障此类隧道的消防安全。 国内外许多学者通过实验的方法对隧道火灾的顶棚温度场[6-9]、临界风速[10-13]等进行了实验研究。Li等[7]开展了单管隧道通风条件下的火灾研究，建立了隧道顶棚最高温度的预测模型。Wu等[13]等通过实验建立了临界风速的预测模型，发现临界风速与热释放速率的1/3次方成正比。随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为流体运动与通风工程计算的重要手段，Fluent等软件也已经很好地用于隧道火灾的模拟[14-17]。Wang等[14]通过全尺寸隧道火灾实验以及FLUENT数值模拟研究了隧道自然通风条件下的火灾特性。Wang等[15]使用FLUENT模拟研究了隧道内火源的横向位置对临界风速和烟气流动特性的影响，研究表明火源贴近隧道侧壁时的临界风速明显高于火源位于隧道中间和左右车道时的临界风速。以上一些研究可以有效指导隧道的通风排烟设计，但其主要考虑的是单管隧道。以上成果是否适用于分岔隧道还需进一步研究。为此，Huang等[18-19]通过缩尺寸实验对火源位于分岔口处时分岔隧道的顶棚最高温度及临界风速进行了研究，发现其与单管隧道有很大不同，并建立了分岔隧道的顶棚最高温度模型和考虑分岔角度的临界风速模型。Yang等[4]开展了多支路隧道火灾的理论分析和数值模拟研究。文献[3,20]研究了自然通风情况下，分岔隧道倾斜角度和火源纵向位置对隧道顶棚最高温度的影响规律，发现火源纵向位置(分岔前、分岔后)对其温度场分布影响较大。 综上，数值模拟方法已经很好地应用于隧道火灾的研究，且目前关于隧道火灾的研究大都集中于无分岔时的情况。而且现有的对分岔隧道火灾的文献大多研究集中于火源位于分岔口时的顶棚最高温度及临界风速，对分岔隧道不同纵向火源位置，如火源位于分岔前和分岔后对临界风速以及临界风速时顶棚最高温度的影响研究还不够充分。本文在此基础上，采用FLUENT软件对分岔隧道火灾进行研究，探究在不同火源功率下，火源位置为分岔前1 m、分岔后1 m及分岔后30 m时临界风速以及顶棚最高温度的变化规律，并建立相应地模型，以期为分岔隧道通风排烟系统设计提供一定的参考。 1 FLUENT火灾场景建立 1.1 隧道模型建立 本文建立的分岔隧道模型如图1所示，其中主隧道分为二部分，分岔前的部分(记为主隧道1)长65 m、宽10 m、高5 m，分岔后的部分(记为主隧道2)长65 m、宽5 m、高5 m，分岔口处以一小段圆形连接段联通，分支隧道长64 m、宽5 m、高5 m，分岔隧道一共3个出口分别为A、B、C，分岔角度为10°。计算时考虑3种火源位置如图1所示，分别为分岔前1 m、分岔后1 m及分岔后30 m，且都位于隧道中轴线上。 图1 分岔隧道结构Fig.1 Structure diagram of bifurcated tunnel 1.2 网格独立性验证 选择0.143、0.167、0.200、0.250、0.333 m共5种网格尺寸进行计算，对网格进行独立性验证。图2为火源位于分岔前，热释放速率为11.4 MW时，距离火源15 m处隧道竖直方向温度分布及隧道内纵向温度分布。如图2所示，当网格尺寸为0.167和0.143 m时，温度分布曲线差异很小。综合考虑计算资源和精度取网格尺寸为0.167 m，网格数量为140万。经检查，该网格尺寸也适用于其他火源功率。 图2 网格独立性验证Fig.2 Grid independence verification 1.3 边界条件设置 隧道壁面设为绝热边界，未设置辐射模型，同时通过总的热释放速率输入减少30%的方式将辐射热损失考虑在内[15]。湍流模型使用标准k-ε模型且考虑湍流浮力的影响[14-15]。燃烧模型使用体积热源模型[14-15]，热源尺寸设置为2 m×2 m×2 m。考虑到公路隧道中最常见的汽车火灾热释放速率为3～5 MW，卡车火灾热释放速率为10～20 MW[21]，则热释放速率设置为恒定值4、8、12、16、20 MW，考虑辐射热损失之后的热释