隧道火灾烟气运动的数值模拟

消防理论研究

隧道火灾烟气运动的数值模拟

韩学斌1,陈东梁1,2,刘 娅3,张东胜1

(1.北京化工大学机电工程学院,北京100029;

2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥230026;

3.河南省驻马店供电公司,河南驻马店463000)

摘 要:对不同入口风速和隧道高宽比情况下隧道内的烟气运动进行模拟,分析隧道内的烟气分布情况。结果表明:随着入口风速的增大,隧道内整体的烟气浓度会逐渐降低。入口风速过大,加强了气流的湍流程度,使烟气层较早降至路面,隧道断面提前充满烟气,使火源附近近地面处的烟气浓度过高。当入口风速较小时,火源上部的部分烟气会逆着风向流动,产生回流现象,所研究工况下烟气不发生回流的临界入口风速为2.2m/s左右。横截面积相同的情况下,隧道高宽比越小,烟气上升高度越高,隧道下部烟气量越少,利于救援和人员疏散。

关键词:隧道火灾;烟气运动;入口风速;数值模拟中图分类号:X913.4,TK121 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2011)04-0277-03

求解有限差分方程。对于隧道内的湍流流动,笔者采用标准k 模型进行描述,湍流动能k和扩散速率 可由标准k 传递方程得到,见式(1)、式(2)。

( )+( ui)=ij

-YM+S

( )+( ui)=ij

C3 Gb)-C2 +S

2

!

!t+G#+Gb-kj

(1)

!t+C1 (G#+

j

(2)

!

1.2 物理模型及初始条件

隧道物理模型如图1所示。

随着我国交通运输事业的发展,隧道建设获得快速增长,各种观光和海底交通隧道也越来越多。隧道为交通和旅游带来了方便,但由于隧道内部狭窄,加之其两侧封闭的独特结构,车辆及车上人员疏散困难,一旦发生火灾,涉及范围往往很大,所造成的经济、人员生命损失也就十分惨重,近30年来,世界各地发生的隧道火灾屡见不鲜。如1993年6月12日发生在我国的西延线蔺家川隧道火灾,造成8人死亡、10人受伤、直接经济损失561万元、中断运行约579h的重大损失;2000年11月11日,奥地利发生的火车隧道火灾造成了155人死亡,18人受伤的惨剧。接连的隧道火灾已引起了研究人员的高度注意,并进行了一些试验和模拟计算的研究。从火灾的案例和隧道本身的结构可以看出隧道火灾具有以下一些特点:火源较难发现,燃烧状况复杂;空气流动畅通,火势蔓延快;烟气难以排出,易在隧道内积累;通道狭长,能见度低,人员疏散困难;火灾扑救困难,一般采用封洞窒息法;火灾造成的损失大。综上所述,大量烟气的存在是扑救隧道火灾一个主要难题,因此,研究隧道火灾烟气运动情况对隧道火灾的救援有重要的意义。1 数值模拟1.1 计算方法

使用可压缩形式的N-S方程,采用SIMPLE格式

图1 隧道的物理模型图

隧道长150m,宽度9m,下部矩形高3.05m,上部半圆半径4.5m。模型中间的长方体为假定的火源,在模拟中假定火源为一尺寸为4m 2m 2m的客车。隧道内火源处进行着复杂的化学反应,由于笔者主要研究隧道内烟气的流动规律,在火灾数值模拟中不考虑火源具体的燃烧过程,故不采用火灾燃烧模型,采用体积热源法,即将火源设计为一个有限大小的固定热源,火源相当于一个中型火源,中型火灾功率为20MW,火源体积为16m3,每立方米体积内功率为1.25MW。隧道内发生火灾时参与燃烧的物质成分比较复杂,而且发生火灾的条件也千差万别,所以产生的火灾烟气组成相当复杂。笔者研究重点在于烟气在隧道内的传播分布情况,对其成分不做具体研究,在数值模拟计算中以CO2代替烟气,并假定火灾前隧道内烟气相对浓度为0,火源处烟气相对浓度为1。隧道左侧为速度入口,右侧为压力出口。

笔者主要研究了入口风速对隧道内火灾烟气运动的

基金项目:火灾科学国家重点实验室开放课题 石墨烯阻燃聚丙烯的作用规律及机理的研究!(HZ2010-KF09);北京化工大学青年教师科学研究基金 甲烷-空气预混气体火焰加速传播中微细结构的研究!(QN0807);河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室开放基金 瓦斯/煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究!(HKLGF200802)30期

影响,分别对入口风速为0、2、3、4、5m/s情况下隧道内的烟气运动情况进行模拟,并探讨该工况下烟气不发生回流的临界入口风速。同时笔者还研究了相同横截面积的情况下,隧道不同的高宽比对烟气运动的影响。在入口风速为4m/s的条件下,对高宽比不同的3组隧道内的烟气运动情况进行模拟。2 模拟结果分析与讨论

2.1 入口风速对隧道内烟气分布的影响

图2为不同入口速度下z=0截面上烟气浓度分布图,由图中可以看出,入口风速越大,烟气将越容易控制在火源的一侧,随着入口风速的增大,隧道内整体的烟气浓度会越来越低。但是入口风速过大时,不仅带来设备投资的增大,而且加强了气流的湍流程度,使烟气层较早降至路面,隧道断面提前充满烟气,使火源附近近地面处的烟气浓度很高,会给火源附近处的人带来很大的伤害,所研究工况下入口风速为4m/s左右时最佳。由图2可以看出当入口风速大于3m/s时,烟气都集中在火焰的下游,当入口风速较小时,火源上部的烟气会逆着风向流动,产生回流现象,这对防止火灾蔓延和消防队员救火是不利的(消防队员需从上风方向接近火源)。因此,隧道内发生火灾时,通风风速应大于临界风速,使烟气不发生回流,此时火场上风方向完全无烟。笔者还采用二分法探讨了该工况下不发生回流的临界风速,图中入口风速分别为2.5m/s和2.2m/s时隧道内的烟气分布图可以看出,所研究工况下烟气不发生回流的临界入口风速为2.2m/s

左右。

3 结 论

隧 道隧道1隧道

2隧道3

表1 隧道的尺寸表

隧道长下部矩形宽下部矩形高/m/m/m150150150

9.09.510.0

3.052.512.00

上部半圆半径

高宽比值

/m

4.504.755.00

0.840.760.70

图3为高宽比不同的三个隧道在z=0截面上的烟气浓度分布图。由图可以看出,横截面积相同的情况下,隧道越宽,烟气上升高度越高,烟气会越多地集中在隧道的上部,隧道上部的烟气浓度会越高,隧道下部烟气量越少。即相同横截面积的隧道,高宽比越小,隧道上部的烟气浓度越高,下部的烟气浓度越低,这样有利于救援和人员疏散。因此,在建造隧道时,若横截面面积相同,在保证高度的前提下,应尽量增加隧道的宽度。

图3 高宽比不同的三个隧道在z=0截面上的

烟气体积分数分布图

对不同入口风速和隧道高宽比情况下隧道内的烟气分布进行模拟,分析隧道内的烟气分布,得到如下结论:

(1)入口风速越大,越容易将烟气控制在火源的一侧,随着入口速度的增大,隧道内整体的烟气浓度会越来越低。但是入口风速过大时,不仅带来设备投资的增大,而且加强了气流的湍流程度,使烟气层较早降至路面,隧道断面提前充满烟气,使火源附近地面处的烟气浓度很高,给火源附近处的人带来很大的伤害。所研究工况下入口风速为4m/s左右时最佳。

(2)当入口风速较小时,不足以克服反向的上层热烟气流,烟气产生回流现象。该工况下烟气不发生回流的临界入口风速为2.2m/s左右。

(3)横截面积相同的情况下,隧道高宽比越小,烟气上升高度越高,隧道下部烟气量越少,利于救援和疏散。

参考文献:

[1]杜建科.铁路隧道的消防安全分析[J].安全,1998,19(6):1-3.[2]戴国平.英法海峡隧道火灾事故剖析及其启示[J].铁道建筑,2001,

(3):6-9.

图2 不同入口速度条件下z=0截面上

烟气体积分数分布图

[3]KarpovAV,MakarovDV.Fireintunnels:three dimensional …… 此处隐藏：4927字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……