临界风速下弧形隧道火灾温度及烟气浓度分析

临界风速下弧形隧道火灾温度及烟气浓度分析

刘明

浦东新区消防救援支队陆家嘴大队 ， 上海 200135

摘要：本文通过建立不同弧度的隧道模型，模拟临界风速下弧形隧道火灾，通过数值模拟分析采集到的不同特征点的温度、一氧化碳浓度的数值，找出了不同弧形隧道内温度分布、一氧化碳浓度变化的规律。在临界风速通风条件下，火灾时烟气在刚刚进入弧形段时，烟气温度会降低，随后上升，当流过弧形段后进入直线段时，温度会降低。当弧度超过π/2时，烟气温度会在流过π/2弧度时上升，并随距离变化不大。在临界风速通风条件下，当一氧化碳从火源点向下游蔓延时，即在一氧化碳刚刚进入弧形段时，浓度会降低，随后升高，当隧道弧度小于π/2度时，一氧化碳从弧形隧道的弧度段末端进入直线段，浓度会降低。当隧道弧度大于π/2度时，一氧化碳在流过π/2度处浓度会上升，但是随着距离的变化浓度变化不大。

关键词：弧形隧道；温度场；烟气浓度

中图分类号：U453.5

一、 模型的建立

本章利用CAD制图软件建立直线隧道以及圆心角为30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°共计12种弧度的三维隧道模型，弧度的直径为100米，隧道由直线部分与弧形部分组成，隧道的横截面为长10米宽6米的矩形，火源位于直线段与弧形段的交界处。

二、火源的设定

火灾的功率大小直接决定着隧道火灾的危害程度，它是隧道防排烟设计，防火灭火设备选取等防火灭火工作的依据。但是影响火灾功率的因素众多，它与燃烧物的种类和数量以及供养状况等许多因素有关，国内外关于隧道内车辆火灾规模的统计也不尽相同，现在仍然没有一个统一的标准：

表2.1 国际道路学会常设委员会对汽车火灾荷载的建议^[1]:

（2）我国相关文件和规范的规定：

《上海市工程建设规范道路隧道设计规范》中规定采用纵向通风的隧道，通风速度要高于临界风速，但不得小于2m/s。^[1]

我国的《公路隧道通风照明设计规范》规定排烟风速为2-3m/s,这是按照中型隧道火灾即热释放量为20MW的火灾规模设计的,本文在开展数值模拟时将火源的热释放量设置为20MW。

三、模拟条件的设置

1.边界条件

隧道内壁面温度设定为20℃，汽车表面的温度设置为20℃，隧道中空气温度与周围环境温度也设为20℃。隧道内的绝对压力1bar，相对压力0帕，隧道的进出口自然通风，外界压力与隧道内压力相等为1bar。隧道的壁面与地面均设置为混凝土，火源位于隧道的弧形段与直线段的交界处，火源的长宽高为2m×2m×1.8m，火源单位面积的热释放设为5000kw，模拟计算时间为1200秒。

2.火灾场景设置

这里研究不同弧度条件下，公路隧道采用纵向通风排烟时，不同弧度隧道均处于临界风速，利用建立好的12种三维隧道模型，主要分析研究隧道在临界风速通风排烟的条件下，不同弧度对隧道内温度场和一氧化碳浓度的变化的影响。

四、临界风速下隧道火灾温度及烟气结果与分析

1.不同弧度隧道温度及烟气分布

为了测量不同弧度隧道的温度分布及烟气浓度，选取距离地面1.8m处的不同位置作为特征点，温度及烟气测点布置在中轴线处，同时在各测点所在的截面中轴线两侧2.5m处布置温度及烟气探测点，来探究各特征量在隧道横向上的分布。

2.计算结果

通过数值模拟计算，模拟了T0、T30、T45、T60、T75、T90、T105、T120、T135、T150、T165、T180共计十二组隧道火灾，模拟时将火源功率设定为20MW（一辆卡车或公共汽车），通过查阅文献，将一氧化碳的生成率设为0.128kg/s[2]，在临界风速条件下,统计不同测点的计算值。在下表的统计中x0表示中轴线上的测量值，x-1表示中轴线内侧的测量值，其距离中轴线2.5m， x1表示中轴线外侧的测量值，其距离中轴线2.5m。

（1）温度场计算结果分析

1.通过直线型隧道内特征点的温度变化可以看出，中心线两侧的特征点温度分布比较对称，而弧形隧道两侧特征点温度变化很大，通过对比二者隧道内温度变化，说明弧度对于隧道内温度变化是有影响的。

2.在临界风速纵向通风条件下，11种弧形隧道均是火源正上方的特征点的温度最高，能达到1000℃左右，火源点的温度比较稳定，温度向下游蔓延的速度极快，各特征点的温度并不是直线上升，而是“M”型变化的态势。

3.在临界风速纵向通风条件下，当烟气从火源点向下游蔓延时，即在烟气刚刚进入弧形段时，烟气温度会降低，随后升高，当隧道弧度小于90度时，温度从弧形隧道的弧度段末端进入直线段，温度会降低。当隧道弧度大于90度时，烟气在流过90度处温度会上升，但是随着距离的变化温度变化不大，在弧度段隧道内60度处温度会出现一个极小值。

4.在临界风速纵向通风条件下，从火源点起到下游52米处，不同弧形隧道内各横向特征点组的温度分布规律是一致的，即13米处中间温度，26米、39米处外侧温度、52米处中间温度是最低的。当隧道弧度不超过90度时，不同弧形隧道内各横向特征点组的温度分布规律是91米、104米、117米处外侧温度是最低的。当隧道弧度超过90度时，78米、91米、104米处外侧温度是最低的。

5.在临界风速纵向通风条件下，当隧道弧度小于90°时，从火源点到下游39米处，特征点的温度分布为内测与中间高于外侧，从91米至117米处的特征点为内测温度最高。当隧道弧度大于90度，小于150°时隧道从火源点到下游117米处均是隧道内测的温度高于中间与外侧温度。当隧道弧度在150°至180°之间时，从火源点到下游45°处隧道内测温度高于中间与外侧温度，60°与75°处特征点均是外侧的温度最高，90°处为中间的最高，从105°至135°处均是内测温度最高。

（2） CO浓度计算结果分析

1.通过直线型隧道内特征点的一氧化碳浓度变化可以看出，中心线两侧的特征点一氧化碳分布比较对称，而弧形隧道两侧特征点一氧化碳浓度变化很大，不像直线隧道那样对称，说明弧度对于隧道内一氧化碳分布是有影响的。

2.在临界风速纵向通风条件下，各弧形隧道均是火源的正上方的特征点的一氧化碳的浓度最高，能达到5000ppm左右，火源点的一氧化碳浓度也比较稳定，一氧化碳向下游蔓延的速度很快，特征点的一氧化碳浓度并不是直线上升，而是“M”型变化的态势。

3.在临界风速纵向通风条件下，当一氧化碳从火源点向下游蔓延时，即在一氧化碳刚刚进入弧形段时，浓度会降低，随后升高，当隧道弧度小于90度时，一氧化碳从弧形隧道的弧度段末端进入直线段，浓度会降低。当隧道弧度大于90度时，一氧化碳在流过90度处浓度会上升，但是随着距离的变化浓度变化不大，在弧度段隧道内60度处CO浓度会出现一个极小值。

4.在临界风速纵向通风条件下，从火源点起到下游60°处，不同弧形隧道内各横向特征点组的一氧化碳浓度分布特点是26米处、39米处外侧特征点的一氧化碳浓度最低，52米处中间是最低，143米处内测最低。当隧道弧度不超过90度时，不同弧形隧道内各横向特征点组的温度分布规律是91米、104米、117米处外侧一氧化碳浓度最低。当隧道弧度超过90度时，78米、91米、104米处外侧一氧化碳浓度是最低的。

5.在临界风速纵向通风条件下，从火源点起到下游52米处，不同弧形隧道内各横向特征点组的一氧化碳浓度分布特点是26米处、39米处内测特征点的一氧化碳浓度最高，143米处外侧一氧化碳浓度最高。当隧道弧度不超过90度时，不同弧形隧道内各横向特征点组的一氧化碳浓度分布规律是91米、104米、117米处内测一氧化碳浓度最高。当隧道弧度超过90度时，78米、91米、104米处内测最高的。

参考文献：

1. 罗衍俭.长大公路隧道通风系统的选择[J].公路,1998(8):38-41

2. 覃文清,李风等.隧道火灾与防范[J].消防科学与技术,2004(l):54-56

作者简介：刘明（1985-），性别男,民族汉，职称中级，籍贯：江苏省南京市，研究生学历，安全工程专业，消防监督，消防物联网研究方向发表资料。