0 引言
近年来,中国交通设施的建设不断完善,高速公路隧道建设的规模不断扩大。截至2022 年底,已建成公路隧道24 850座,总长度26 784 km。随着西部山区高速公路建设的持续推进,为克服地形高差、减缓坡度、避开不良地质条件等,复杂线型隧道逐渐涌现。从直线隧道到曲线隧道再到蛇型曲线隧道,隧道平面线型设计不断突破。目前正在修建的雅叶高速跑马山1号隧道就是典型的蛇型曲线隧道;最小曲线半径为950 m,包含一次曲线段及反向曲线段;其中,一次曲线段长度为4 790 m,累计转角185°;反向曲线段长度为3 920 m,累计转角为145°。公路隧道发生火灾时,将产生大量高温有毒烟气,对隧道内人员生命安全造成严重威胁。合理的隧道火灾烟气控制系统,能有效抑制烟气的发展,为人员疏散争取时间。蛇型曲线隧道的独特特点,给火灾烟气控制系统的设计提出了新的难题。
对于采用纵向通风排烟系统的公路隧道,能有效将烟气控制于火源下游而不发生回流的最小纵 向通风风速称为隧道火灾临界风速,临界风速是火 灾烟气控制设计的关键。探明纵向通风作用下隧 道内烟气运动规律及烟气回流长度,进而确定隧道 火灾临界风速是十分必要的。1968年,Thomas研 究发现火灾热升力以及纵向流动的惯性力是隧道 火灾烟气控制的重要因素,并定义热浮力及惯性力 的比值为弗劳德数Fr(Froude)。基于弗劳德 数,Thomas最早提出了临界风速的概念及计算模 型。但Thomas的临界风速计算模型仅适用于小规 模火灾。对于大规模火灾,相关研究人员开展了大 量试验,引入了无量纲热释放速率以及无量纲临界 风速,并提出了各自的临界风速计算公式。Oka 等以丙烷为火源、采用9种不同尺寸的燃烧器对 缩尺比为1/10的水平模型隧道进行了实验,提出 了以隧道高度为特征长度的无量纲临界风速计算 模型。但其计算模型并未考虑断面宽度对火灾临 界风速的影响,其试验结果的适用范围有限。Wu 等针对5种不同的隧道断面形式开展缩尺试验研究,并提出了以水力直径为特征长度的无量纲临界风速计算模型。进一步的,Li等通过理论分析及模型试验提出了考虑隧道断面长宽比的无量纲临界风速计算模型。在此基础上,国内外学者采用理论分析、模型试验、数值模拟等方法,对曲率半径、海拔高度、自然风等影响因素展开了一些研究,并修正了隧道临界风速的计算模型。
上述研究主要针对火源位于断面中间的情况。然而车辆火灾发生在隧道断面侧壁位置时,其临界 风速与车辆火灾发生在隧道断面中间位置时显著 不同。目前,针对火源位置对直线隧道临界风速的 影响已有相关研究成果。基于矩形隧道断面,于年 灏通过数值模拟研究发现不同火源横断面位置 的火灾临界风速基本相同;然而Hu等通过模 型试验研究发现火源靠近隧道边墙时所需的临界 风速比火源位于断面中间时更大。基于马蹄形隧 道断面,Guo等、Zhang等研究发现火源靠近 隧道侧壁时,火羽流的热量损耗会有所增加;张一 龙研究发现隧道侧壁火源临界风速小于中间火 源临界风速;相反,Wang等研究发现火源靠近 隧道侧壁时其燃烧的空间受限效应将更加明显,临 界风速随着火源距断面中线距离的增大而逐渐增 大。曲线隧道内火灾烟气蔓延将受到不对称壁面 边界的约束,Wang等研究发现曲线隧道内火源 位于断面内侧、断面外侧对临界风速的影响将有明 显差异。从以上研究成果可以看出,目前大部分研 究仅针对直线隧道或一次曲线隧道,而对于蛇型曲 线隧道火灾烟气控制的研究还极其缺乏。
因此,本文依托跑马山1号隧道工程,采用了三维数值模拟的方法,针对横断面火源位置、纵向火源位置对蛇型曲线隧道临界风速的影响开展研究和分析,明确蛇型曲线隧道最不利火源位置。进一步探明不同火源位置下,蛇型曲线隧道烟气回流长度变化规律。
1 计算方法
1.1 计算模型及边界条件
1.1.1 数学模型
隧道火灾是一个涉及燃烧、湍流、传热传质的复杂流动过程。数值模拟中采用体积热源模型(VHS)来模拟真实的燃烧过程。湍流模型采用RNG k-ε模型,k为湍流动能,ε 为耗散率。计算中未建立高温烟气的辐射换热模型,根据前人研究成果,实际过程中辐射换热量约占到总换热量的35%,因此将火灾的大小按原规模的65%计算。
1.1.2 几何模型
计算模型中的蛇型曲线隧道采用与跑马山1号隧道一致的几何模型,曲线半径为1 000 m;断面截面面积为66 m2,等效水力直径为8.4 m,隧道断面如图1所示。计算采用较为规则的六面体网格,根据网格独立性验证,断面网格尺寸选取0.15 m。考虑到计算网格和规模对物理现象的影响及计算机硬件水平的限制,蛇型曲线隧道一次曲线段长度选取为900 m,反向曲线段长度为900 m。
图1 蛇型曲线隧道计算网格
1.1.3 火源设置
雅叶高速跑马山1号隧道长度为8 710 m,隧道公路等级为高速公路隧道。根据《公路隧道通风照明设计规范》,隧道火灾热释放率应均按照30 MW设计。隧道火源被模拟为长方形火源,尺寸为4.5 m(L)×1.4 m(W)×1.4 m(H)。蛇型曲线隧道一次曲线段与反向曲线段的连接处,风流分布特征均存在一个显著的过渡段,如图2所示。
图2 蛇型曲线隧道线型示意图
这将使得蛇型曲线隧道不同纵向位置下,断面火源位置对临界风速的影响效应有所不同。因此,本文分别针对蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线过渡段及反向曲线稳定段,研究断面火源位置对蛇型曲线隧道火灾烟气回流长度及临界风速的影响。蛇型曲线隧道火源纵向位置如表1所示,断面火源位置如图3所示。
表1 纵向火源位置
图3 横断面火源位置(单位:cm)
1.1.4 边界条件
本文计算中边界条件的设置为:1)隧道地面和壁面为无滑移壁面,壁面粗糙度取8 mm,并设置为绝热壁面边界;2)隧道入口设置为速度边界条件,外界环境温度设置为12 ℃;3)隧道出口为压力边界条件,外界环境温度设置为12 ℃;4)火源设置为质量出口边界条件,燃烧温度设置为750 ℃。
1.2 计算工况
为分析不同纵向火源位置及不同横断面火源位置对蛇型曲线隧道火灾烟气回流长度及临界风速的影响,本文建立了半径为1 000 m的蛇型曲线隧道及直线隧道,计算工况如表2所示。
表2 计算工况
1.3 计算模型的验证
为验证本论文中计算模型和方法的准确性,本文将隧道直线段临界风速的数值计算结果与Li的临界风速计算模型进行对比。表3给出了火灾规模为30 MW时,直线隧道断面中间火源的临界风速与Li的临界风速计算模型的对比。可以看到,直线隧道临界风速与Li的计算模型吻合较好,误差在3%以内,说明本文采用的数值计算模型和方法具有良好的可靠性。
表3 模拟结果与Li等计算模型对比
2 火灾临界风速的计算结果及分析
图4给出了不同纵向通风风速下,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段不同断面火源位置的壁面温度分布图。如图4 (a) 所示,对于断面中间火源,纵向通风风速为3.5 m/s时,火源上游可以观察到明显的烟气回流现象,此时烟气同时向火源上游和下游扩散,将不利于人员逃生和疏散。当隧道内通风速度提高到3.6 m/s、3.7 m/s时,隧道内仍存在烟气回流现象,但回流层的长度明显减小。当隧道内通风速度达到3.8 m/s时,隧道内烟气回流长度为0 m。由此可知,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段断面中间火源的临界风速为3.8 m/s。如图4 (b) 所示,一次曲线稳定段断面右侧(内侧)火源的临界风速为4.0 m/s,为断面中间火源的1.08倍;如图4 (c) 所示,一次曲线稳定段断面左侧(外侧)火源的临界风速为4.3 m/s,为断面中间火源的1.13倍。
图4 蛇型曲线隧道一次曲线稳定段的壁面温度云图
由此可知,对于蛇型曲线隧道一次曲线稳定段,火源位于断面内侧的临界风速最大,火源位于断面外侧的临界风速次之,火源位于断面中间的临界风速最小,这与前人的研究是一致的。究其原因,火源靠近断面侧壁时,火焰会快速与隧道侧壁发生接触,火焰并未得到充分发展,导致其烟流的卷吸特性发生变化。断面侧壁火源产生的浮升力增大,拱顶烟气温度也将相应增加,使得火灾临界风速也有所增大。
蛇型曲线隧道线型随着纵向距离不断变化,不同纵向位置下,断面火源位置对临界风速的影响效应是否相同有待进一步讨论。表4给出了蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线过渡段及反向曲线稳定段,不同断面火源位置的临界风速计算结果。
表4 蛇型曲线隧道不同火源位置的临界风速计算结果
从表中可以发现,蛇型曲线隧道侧壁火源的临界风速显著大于断面中间火源。然而对于蛇型曲线隧道不同纵向位置,其断面右侧、断面左侧的火灾控制临界风速表现出的一定的差异性。对于蛇型曲线隧道反向曲线稳定段,火源位于断面右侧(内侧)的临界风速最大,为4.3 m/s;火源位于断面左侧(外侧)的临界风速次之,为4.0 m/s;火源位于断面中间的临界风速最小,为3.8 m/s。
对于蛇型曲线隧道反向曲线过渡段,火源位于断面左侧(外侧)的临界风速最大,为4.2 m/s;火源位于断面右侧(内侧)的临界风速次之,为4.0 m/s,火源位于断面中间的临界风速最小,为3.7 m/s,如图5所示。
图5 蛇型曲线隧道反向曲线过渡段的壁面温度云图
根据上述分析可知,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段及反向曲线稳定段的最不断面火源位置位于断面内侧,蛇型曲线隧道过渡段的最不断面火源位置位于断面外侧,如图6所示。
图6 蛇型曲线隧道临界风速随火源位置变化
图7进一步给出了火源位于横断面不同位置时,蛇型曲线隧道不同纵向位置的火灾临界风速与直线隧道的对比。从图中可以看到,火源位于断面中间时,蛇型曲线隧道过渡段的临界风速与直线隧道相同;蛇型曲线隧道稳定段的火灾临界风速略大于直线隧道,相比直线隧道临界风速增大了3%。火源位于断面外侧时,蛇型曲线隧道稳定段的临界风速与直线隧道相同;蛇型曲线隧道过渡段的临界风速相比直线隧道有所增大,相比直线隧道临界风速增大了5%。火源位于断面内侧时,蛇型曲线隧道过渡段的临界风速与直线隧道相同;蛇型曲线隧道稳定段的临界风速显著大于直线隧道,相比直线隧道临界风速增大了8%。
图7 蛇型曲线隧道与直线隧道临界风速对比
根据以上分析可知,蛇型曲线隧道最不利火源位置位于曲线隧道稳定段断面内侧。火灾规模为30 MW时,曲率半径为1 000 m蛇型曲线隧道的最不利火灾临界风速为4.3 m/s。
3 烟气回流长度的计算结果及分析
根据上节分析可知,蛇型曲线隧道曲线稳定段、曲线过渡段火灾临界风速的断面分布规律显著不同。本节将进一步针对曲线稳定段隧道、曲线过渡段隧道,研究和分析火源位置对蛇型曲线隧道烟气扩散及回流长度的影响。
本文采用烟气温度作为回流长度的评判指标。隧道内纵向强制通风条件下,火源上游烟气温度会在某一纵向位置处降低为环境温度,说明高温烟气无法继续向隧道上游蔓延,将此处距火源点的距离定义为烟气回流长度。
图8给出了纵向通风风速为3.8 m/s、3.6 m/s及3.4 m/s时,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段不同断面火源位置的拱顶温度分布。从图8 (a) 中可以看到,纵向通风风速为3.8 m/s时,断面中间火源上游并未出现温度升高,此时火源上游并未受到高温烟气的影响;然而在断面外侧火源上游10 m处,隧道拱顶烟气温度明显高于200 ℃,且随着距火源距离的减小,烟气温度逐渐升高,说明火灾高温烟气已经扩散至该区域,可以判断此时烟气回流长度为10 m;对于断面内侧火源,火源上游24 m 处可以明显观察到烟气温度升高,此时烟气回流长度为24 m。由此可知,通风风速为3.8 m/s时,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段断面内侧火源的烟气回流长度最大,断面外侧火源的烟气回流长度次之,断面中间火源并未出现烟气回流现象。
图8 蛇型曲线隧道一次曲线稳定段的拱顶温度分布曲线
如图8 (b) 所示,当纵向通风风速为3.6 m/s时,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段断面内侧火源的烟气回流长度最大,为36 m;断面中间火源的烟气回流长度次之,为26 m;断面外侧火源的烟气回流长度最小,为21 m。
当纵向通风风速进一步减小到3.4 m/s时,蛇型曲线隧道一次曲线稳定段断面中间火源的烟气回流长度最大,为66 m;断面内侧火源的烟气回流长度次之,为51 m;断面外侧火源的烟气回流长度最小,为33 m。
图9进一步给出了蛇型曲线隧道稳定段不同横断面火源位置的烟气回流长度变化曲线。可以看到,一次曲线稳定段隧道、反向曲线稳定段隧道不同横断面火源位置的烟气回流长度随通风风速的变化规律呈现出较高的相似性。随着通风风速的减小,蛇型曲线隧道的烟气回流层长度近似线性增加。
图9 蛇型曲线隧道稳定段的回流长度变化规律
从图中还可以发现,蛇型曲线隧道稳定段断面内侧、断面外侧火源的烟气回流长度增长速率基本一致,断面中间火源的烟气回流长度增长速率显著大于断面侧壁火源。
图10给出了通风风速为3.7 m/s、3.5 m/s及3.4 m/s时,蛇型曲线隧道过渡段隧道不同断面火源位置的拱顶温度分布。从图中可以看到,纵向通风风速为3.7 m/s时,蛇型曲线隧道过渡段断面外侧火源的烟气回流长度最大,为26 m;断面内侧火源的烟气回流长度次之,为16 m;断面中间火源并未出现烟气回流现象。当纵向通风风速为3.5 m/ s时,蛇型曲线隧道过渡段断面外侧火源的烟气回流长度最大,为42 m;断面中间火源的烟气回流长度次之,为34 m;断面内侧火源的烟气回流长度最小。为32 m。当纵向通风风速进一步减小到3.4 m/s时,蛇型曲线隧道过渡段断面中间火源的烟气回流长度最大,为55 m;断面外侧火源的烟气回流长度次之,为49 m;断面内侧火源的烟气回流长度最小,为39 m。
图10 蛇型曲线隧道反向曲线过渡段的拱顶温度分布曲线
根据上述分析可知,对于半径为1 000 m的蛇型曲线隧道过渡段,通风风速大于3.4 m/s时,断面外侧火源的烟气回流长度最大;通风风速小于等于3.4 m/s时,断面中间火源的烟气回流长度最大。图11给出了蛇型曲线隧道过渡段不同横断面火源位置的回流长度的变化曲线。可以看到,蛇型曲线隧道过渡段中间火源的火灾控制临界风速小于断面侧壁火源,但是其烟气回流长度的增长速率相比断面侧壁火源显著增大。
图11 蛇型曲线隧道过渡段的回流长度变化规律
分别针对火源位于断面中间、断面内侧及断面外侧时研究蛇型曲线隧道不同纵向位置的烟气回流长度的分布特征。图12给出了不同横断面火源位置时,半径为1 000 m的蛇型曲线隧道不同纵向位置的烟气回流长度与直线隧道的对比。从图中可以看到,相同纵向通风风速下,蛇型曲线隧道不同纵向位置的烟气回流长度与直线隧道显著不同。
图12 蛇型曲线隧道与直线隧道回流长度对比
从图12(a) 中可以看到,火源位于断面中间时,相同纵向通风风速下,蛇型曲线隧道稳定段烟气回流长度最大、蛇型曲线隧道过渡段次之,直线隧道最小。对于断面中间火源,当通风风速为3.5 m/s时,直线隧道烟气回流长度为29 m;蛇型曲线隧道过渡段烟气回流长度为34 m,相比直线隧道增大了5 m;蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线稳定段的烟气回流长度分别为45 m、42 m,相比直线隧道增大了16 m、13 m。
火源位于断面内侧时,相同纵向通风风速下,蛇型曲线隧道稳定段烟气回流长度最大、直线隧道次之、蛇型曲线隧道曲线过渡段最小。如图12 (b) 所示,当通风风速为3.6 m/s时,直线隧道烟气回流长度为30 m;蛇型曲线隧道过渡段烟气回流长度为24 m,相比直线隧道减小了6 m;蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线稳定段的烟气回流长度均为36 m,相比直线隧道增大了6 m。
火源位于断面外侧时,相同纵向通风风速下,蛇型曲线隧道过渡段烟气回流长度最大、直线隧道次之、蛇型曲线隧道稳定段最小。如图12(c) 所示,当通风风速为3.6 m/s时,直线隧道烟气回流长度为30 m;蛇型曲线隧道反向曲线过渡段烟气回流长度为34 m,相比直线隧道增大了4 m。蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线稳定段的烟气回流长度分别为21 m、22 m,相比直线隧道减小了9 m、8 m。
4 结论
(1) 对于蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线稳定段,火源位于断面内侧的临界风速最大;对于蛇型曲线隧道过渡段,火源位于断面外侧的临界风速最大。
(2) 蛇型曲线隧道最不利火源位置位于曲线稳定段断面内侧。火灾规模为30 MW时,半径为1 000 m的蛇型曲线隧道的最不利火灾临界风速为4.3 m/s,相比直线隧道增大了8%。
(3)随着通风风速的减小,蛇型曲线隧道不同火源位置的烟气回流长度近似线性增长,断面内侧、断面外侧火源的烟气回流长度增长速率基本一致,断面中间火源的烟气回流长度增长速率显著大于断面侧壁火源。相同通风风速下,蛇型曲线隧道不同火源位置的烟气回流长度有较大差异。对于半径为1 000 m的蛇型曲线隧道,通风风速大于3.4 m/s时,曲线稳定段在火源位于断面内侧时的烟气回流长度最大;曲线过渡段在火源位于断面外侧时的烟气回流长度最大;通风风速小于等于3.4 m/s时,曲线稳定段、过渡段在火源位于断面中间时的烟气回流长度最大。
(4)相同纵向通风风速下,火源位于断面中间时,蛇型曲线隧道稳定段烟气回流长度最大、曲线隧道过渡段次之,直线隧道最小;火源位于断面内侧时,蛇型曲线隧道稳定段烟气回流长度最大、直线隧道次之、曲线隧道过渡段最小;火源位于断面外侧时,蛇型曲线隧道过渡段烟气回流长度最大、直线隧道次之、曲线隧道稳定段最小。
摘自《地下空间与工程学报 》