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单曲率隧道火灾中的烟气流动数值分析

黎琳 龚剑 熊鑫鹏

引用本文:
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单曲率隧道火灾中的烟气流动数值分析

    通讯作者: 龚剑; 
  • 中图分类号: U458

Numerical Analysis of Smoke Flow in Tunnel Fire with Single Curvature

    Corresponding author: Jian GONG
  • CLC number: U458

  • 摘要: 通过运用ANSYS FLUENT软件对曲线公路隧道模型进行数值模拟计算,并深入分析了不同火源功率、曲率和通风风速影响下的隧道纵轴面和横截面的烟气蔓延规律,且对拱顶以及人高区域沿程烟气温度和CO浓度的变化趋势进行了详细的探讨。结果表明:隧道内拱顶和2 m高度处烟气温度和CO浓度随功率增大而升高,但通风风速2 m/s时,随着功率的增加,火源下游拱顶CO浓度逐渐减小;通风风速大于3 m/s时,下游拱顶烟气温度和CO浓度随着曲率增加而减小,而对于2 m高度处,火源下游烟气温度和CO浓度随着曲率增大而增大,这一规律与通风风速为2 m/s时正好相反;随着风速的增加,烟气温度和CO浓度越低;曲线公路隧道横向浓度不再呈现对称分布,且横断面右上角浓度略大于左下角。
  • 图 1  数值模拟几何图形

    图 2  网格划分图

    图 3  2 m/s风速不同火源功率下150 s时隧道纵轴面温度分布图

    图 4  2 m/s风速不同火源功率下拱顶温度图

    图 5  2 m/s风速不同火源功率下2 m高度温度图

    图 6  150 s时2 m/s风速不同火源功率下拱顶和2 m高度CO浓度图

    图 7  150 s时3 m/s风速不同火源功率下拱顶和2 m高度CO浓度图

    图 8  ρ = 1/500 m隧道不同风速下拱顶和2 m高度CO浓度图

    图 9  150 s时不同曲率隧道拱顶温度图

    图 10  150 s时不同曲率隧道2 m高度温度图

    图 11  ρ = 1/500 m不同通风速度下50 s横断面CO浓度云图

    表 1  模拟参数的设置

    序号属性参数设定
    1分析类型瞬态分析
    2时间步长0.01 s
    3求解时间150 s
    4湍流模型标准k-ε模型
    5组分模型Species Transport
    6壁面条件无滑移混凝土壁面
    7收敛条件RMS < 1 × 10−3
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    表 2  模拟工况设置

    工况火源功率 /MW
    ρ=1/250 m曲率,2 m/s风速5
    20
    ρ=1/250 m曲率,3 m/s风速5
    20
    ρ=1/250 m曲率,4 m/s风速5
    20
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    表 3  模拟工况设置

    工况通风风速 /(m•s−1)
    20 MW功率,ρ = 1/500 m曲率2
    3
    4
    20 MW功率,ρ = 1/250 m曲率2
    3
    4
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-05
  • 录用日期:  2019-07-02
  • 刊出日期:  2019-09-01

单曲率隧道火灾中的烟气流动数值分析

    通讯作者: 龚剑; 
  • 南昌航空大学 土木建筑学院,南昌 330063

摘要: 通过运用ANSYS FLUENT软件对曲线公路隧道模型进行数值模拟计算,并深入分析了不同火源功率、曲率和通风风速影响下的隧道纵轴面和横截面的烟气蔓延规律,且对拱顶以及人高区域沿程烟气温度和CO浓度的变化趋势进行了详细的探讨。结果表明:隧道内拱顶和2 m高度处烟气温度和CO浓度随功率增大而升高,但通风风速2 m/s时,随着功率的增加,火源下游拱顶CO浓度逐渐减小;通风风速大于3 m/s时,下游拱顶烟气温度和CO浓度随着曲率增加而减小,而对于2 m高度处,火源下游烟气温度和CO浓度随着曲率增大而增大,这一规律与通风风速为2 m/s时正好相反;随着风速的增加,烟气温度和CO浓度越低;曲线公路隧道横向浓度不再呈现对称分布,且横断面右上角浓度略大于左下角。

English Abstract

    • 随着我国公路隧道技术的蓬勃发展,隧道的形状不尽相同。由于地形和环境受到自然条件的限制,无法利用普通的直线隧道解决山岭存在高差的问题。在新的隧道设计理念和施工技术的推动下,现代公路隧道已经打破了直线线型的规则,曲线公路隧道由此应运而生。而曲率的变化会影响隧道中烟气的流动,增加交通事故的发生概率,危害人员的生命安全[1-2]。一些学者基于国内外公路隧道火灾的实验和模拟成果,阐述了隧道内的烟气扩散规律,临界风速以及通风模式的优化[3-10]。而截至目前为止,关于曲线公路隧道火灾的研究还比较少。

      本文通过采用ANSYS软件中的ICEM CFD对曲线公路隧道模型进行网格划分,之后运用ANSYS FLUENT软件开展三维数值模拟瞬态计算,对不同火源功率和曲率影响下烟气的蔓延和温度分布等规律进行总结,并研究机械通风的大小来控制曲线公路隧道内烟气的扩散,为隧道中烟气控制系统设计提供一定的参考。

    • 以典型单洞双向行车隧道为数值模拟原型,在CAD和RHION软件中建立曲线公路隧道模型,隧道为半圆拱形,长500 m,高5.5 m,宽9 m,隧道壁面为混凝土结构。坐标原点(0,0,0)位于隧道模型底部中点处,建模时以X方向为隧道长度方向,Y方向为隧道宽度方向,Z为隧道高度方向。将模型入口所在断面取为直角坐标系中的平面X = − 250 m,并设为进口边界条件;将模型出口所在断面取为直角坐标系中的平面X = 250 m,并设为出口边界条件,隧道壁面设为固体壁面边界。纵向风的方向为隧道入口向出口延伸的方向,即X轴正方向,随着曲率ρ = 1/500 m和ρ = 1/250 m的变化,坐标点的取值也相应改变,模型示意图如图1所示。

      图  1  数值模拟几何图形

    • 本文考虑火源功率为5、20 MW,分别代表小型和中型2种火灾模式,使用Kuriora等[11-12]总结的隧道火源上方拱顶处最高温度的理论模型和轴对称羽流模型公式,换算后的烟气质量流率分别为12、29.5 kg/s的稳定火源,火源位于隧道的中心位置,即X = 0处,火源体积为1 m × 1 m × 1 m。

      首先将建立的曲线隧道模型导入ICEM CFD软件中,重新建立模型并通过拓扑来修复几何,再定义模型的块来设置隧道的边界。采用结构化六面体网格,根据隧道的模型采用自下而上的方法建立一个二维平面,拉伸生成初始块然后复制完成拓扑的创建,即将500 m长的曲线隧道在长度上平均分成20块。继而进行O-BLOCK,将块与几何结构进行整体关联。然后通过调整节点数nodes、最首端和最末端第一个网格spacing的大小值、生成节点的算法mesh law、尺寸变化率ratio来设置线参数。本文采用BiGeometric这种生成节点的算法,节点数则根据线段长度不同设置,尺寸变化率多为1.2、2,spacing值多为0、0.11。考虑到隧道近火源区域流场的复杂流动,将对火源附近的隧道段进行加密。加密时遵循一个原则:距离火源越近,网格越密集。加密区的网格尺寸最小为0.1 m × 0.1 m × 0.1 m,其他区域网格按照线参数设置的比例放大网格的尺寸,得到的网格数达到321 788个。按照这种方法可以得到高质量的网格,隧道网格划分结果如图2所示。

      图  2  网格划分图

    • 隧道内空气压强为P = P0 = 101 325 Pa,u = u0v = 0,w = 0,T = 27 ℃,空气密度ρ = 1.225 kg/s,运动粘滞系数υ = 1.789 4 × 10−5 m2/s,导热系数λ = 0.024 2 W/(m2•K),比热系数Cp = 1 006 J/(kg•K),浮升加速度g = 9.81 m/s2,火源处Cs = 6%,隧道其余各处Cs = 0%(其中Cs为CO质量分数,而主要导致人员伤亡的气体是CO,且烟气与CO的分布规律大同小异[13],故将CO气体作为烟气的示踪粒子)。

    • 数值模拟过程中,初始条件和边界条件如图设置,其他具体求解计算的参数主要见表1

      表 1  模拟参数的设置

      序号属性参数设定
      1分析类型瞬态分析
      2时间步长0.01 s
      3求解时间150 s
      4湍流模型标准k-ε模型
      5组分模型Species Transport
      6壁面条件无滑移混凝土壁面
      7收敛条件RMS < 1 × 10−3
    • 以曲率ρ = 1/250 m的曲线隧道为研究对象,模拟不同火源功率下不同风速的烟气扩散运动,纵向风的方向和上坡方向一致,燃烧时间模拟150 s。模拟工况如表2所示。

      表 2  模拟工况设置

      工况火源功率 /MW
      ρ=1/250 m曲率,2 m/s风速5
      20
      ρ=1/250 m曲率,3 m/s风速5
      20
      ρ=1/250 m曲率,4 m/s风速5
      20
    • 图3模拟了不同火源功率下,通风风速2 m/s,烟气在150 s时隧道纵轴面近火源温度分布图。图中显示,纵轴面的温度分布基本呈现的趋势是:火灾发生后,火源点上方的温度迅速上升,局部受热不均,烟羽流垂直撞击隧道拱顶,在热浮升力的作用下,烟气沿着拱顶向隧道两侧蔓延并逐渐向下沉降;火灾发生后,烟气受风速的影响在上下游两侧不再等速扩散,火源下游的烟气层厚度要远远大于火源上游,严重危害下游人员的生命安全。火源上方的隧道拱顶温度较高,极易损坏隧道衬砌结构。随着火源功率的减小,火灾的烟羽流向下游略有倾斜,导致近火源区域拱顶处下方一定高度范围内烟气高温分布更广,火源上游烟气回流更少,火灾发生150 s时烟气还没有沉降到隧道的底部。

      图  3  2 m/s风速不同火源功率下150 s时隧道纵轴面温度分布图

    • 图4模拟了不同火源功率下,通风风速2 m/s,烟气在10、150 s时的拱顶温度图,单位为K。图中显示,随着火源功率的增加,燃烧时火焰温度更高,隧道内烟气温度也将逐渐升高,尤其在火源点正上方,不同火源功率下,温度差异达到400 K。火源功率为5 MW时,随着时间的增加,上游烟气回流长度很小且在18 m以内,而火源功率为20 MW时,上游烟气回流长度较大,火灾发生10、150 s的烟气回流长度分别为22、104 m。火灾发生150 s时,5、20 MW火源功率下游拱顶烟气温度分别可达358、447 K,即在近火源区域和下游,隧道内拱顶烟气温度随功率增大而升高,且随着时间的推移,隧道内同一位置温度逐渐增加。

      图  4  2 m/s风速不同火源功率下拱顶温度图

      图5模拟了不同火源功率下,通风风速2 m/s,烟气在10、150 s时的2 m高度处温度图,单位为K。图中显示,火源点正上方2 m高度处的烟气温度比拱顶处的温度大,而在其他位置拱顶温度高一些,且2 m高度处火源附近烟气温度并没有如拱顶处存在锥形的逐渐下降,而是一条线的快速下降。这说明拱顶处的温度变化是烟气的蔓延造成的,而2 m高度处是烟气沉降形成的。在火灾发生后的不同时刻,火源功率为5 MW时,隧道内2 m高度处上游烟气温度几乎保持在300 K环境温度,而下游温度趋势大致呈波浪形小范围变化,即最高温度可达328 K,而火源功率为20 MW时,火灾燃烧150 s时,上游温度最高为420 K,下游温度基本稳定在445 K,上下游温度的差异不大。

      图  5  2 m/s风速不同火源功率下2 m高度温度图

    • 图6模拟了不同火源功率下,2 m/s通风风速烟气在150 s时的拱顶和2 m高度处CO浓度图,单位为%。图中显示,通风风速为2 m/s,火灾发生150 s时,火源下游拱顶处的CO浓度没有像沿程温度趋势一样随着功率的增加而升高,而是呈现正好相反的规律,即随着火源功率的增加而逐渐减小。这是由于在此风速下,火源的功率越小,在下游的沉降速度相对更慢,烟气大部分聚集在隧道的拱顶附近,以下的位置浓度偏低,导致拱顶处CO浓度更大。火源功率为5、20 MW时,火源点正上方拱顶处CO浓度分别为4.10%、4.65%,之后火源下游拱顶处CO浓度分别稳定在1.60%和1.31%,而火源点正上方2 m高度处CO浓度都为6%。火源功率5 MW时,火源下游2 m高度处CO浓度在0.11%~0.82%之间波动,火源功率20 MW时,火源下游2 m高度处CO浓度稳定在1.30%不变。

      图  6  150 s时2 m/s风速不同火源功率下拱顶和2 m高度CO浓度图

      图7模拟了不同火源功率下,3 m/s通风风速烟气在150 s时的拱顶和2 m高度处CO浓度图,单位为%。图中显示,通风风速3 m/s,火源功率为5、20 MW时,火源点正上方拱顶处CO浓度分别为2.95%、4.42%,之后火源下游拱顶处CO浓度分别稳定在0.81%、1.04%。火源功率5 MW时,火源下游2 m高度处CO浓度在0.18%~0.98%之间波浪式大幅变化,火源功率20 MW时,火源下游2 m高度处CO浓度稳定在1%不变。

      图  7  150 s时3 m/s风速不同火源功率下拱顶和2 m高度CO浓度图

      因此,随着风速的增加,拱顶正上方CO浓度逐渐减小,而在不同风速下随着功率的变化,不同高度处CO浓度的规律有所不同。通风风速2 m/s时,随着火源功率的增加,火源上游拱顶处CO浓度逐渐增加,火源下游拱顶处CO浓度逐渐减小,火源上下游2 m高度处CO浓度逐渐增加;通风风速3 m/s时,随着火源功率的增加,火源上下游拱顶和2 m高度处CO浓度逐渐增加,通风风速继续增大到4 m/s时,这一规律更加明显。且火源功率为5 MW时,不同风速下,2 m高度处火源下游的CO浓度变化比较大,即随着速度的增加,浓度变化的频率有所降低。

    • 以曲率ρ = 1/500 m和ρ = 1/250 m的曲线隧道为研究对象,模拟一辆货车在不同通风速度下的中型火灾的烟气流动状况,纵向风的方向和上坡方向一致,燃烧时间模拟150 s。模拟工况如下表3所示。

      表 3  模拟工况设置

      工况通风风速 /(m•s−1)
      20 MW功率,ρ = 1/500 m曲率2
      3
      4
      20 MW功率,ρ = 1/250 m曲率2
      3
      4
    • 图8模拟了曲率ρ = 1/500 m隧道,不同通风速度下烟气在150 s时隧道内拱顶温度和2 m高度处温度图,单位为K。图中显示,随着风速的增加,隧道内火源下游拱顶和2 m高度处烟气温度降的梯度越来越小。随着风速増加,火源上下游的烟气温度逐渐减小。对于拱顶烟气温度,火灾燃烧150 s时,随着风速的增加,火源上游烟气温度分别于94、17、10 m开始从300 K增加,火源下游已经蔓延到隧道出口了,此处的烟气温度分别为448、384、360 K不变。对于2 m高度处烟气温度,通风风速为2、3 m/s时,分别在火源上游7 m处出现烟气温度峰值416、314 K。而4 m/s风速下,上游2 m高度处无烟气沉降。由此可知,当风速增加时,温度峰值会减小。150 s时2、3、4 m/s风速下温度稳定于448、382、348 K。

      图  8  ρ = 1/500 m隧道不同风速下拱顶和2 m高度CO浓度图

      图9模拟了不同曲率下,通风风速2、3 m/s烟气在150 s时的拱顶温度图,单位都为K。图中显示,通风风速为2 m/s,火灾发生150 s时,上游近火源区域拱顶温度随着曲率增加而减小,而25 m以后随着曲率增加而增大,火源下游的拱顶烟气温度随着曲率增加而增大。通风风速3 m/s,随着曲线隧道曲率的增加,火源上游拱顶温度变化不大,下游拱顶温度随着曲率增加而减小。由于纵向风速的方向是向隧道出口,随着速度的增加,隧道内拱顶烟气最高温度的位置向火源下游偏移得更多。

      图  9  150 s时不同曲率隧道拱顶温度图

      图10模拟了不同曲率下,通风风速2、3 m/s烟气在150 s时的2 m高度处温度图,单位都为K。图中显示,通风风速2 m/s时,火源下游烟气温度随着曲率增大而减小。通风风速3 m/s时,火源下游2 m高度处烟气温度随着曲率增大而增大。但是由于风速的影响,曲率变化对2 m高度处烟气温度的影响变小,所以温度差异不明显。

      图  10  150 s时不同曲率隧道2 m高度温度图

    • 图11为曲率ρ = 1/500 m曲线隧道,不同通风速度下50 s时隧道内不同位置的CO浓度横向分布云图。图中左边是隧道横截面的外侧,右边是内侧(即箭头方向是内侧向外侧方向),曲线公路隧道横向浓度不再呈现对称分布,且横断面右上角浓度略大于左下角。通风速度2 m/s时,火源上游10 m处烟气已经沉降到横断面2/3处,且上下浓度分层变化明显,拱顶CO浓度为1.65%,2 m高度处CO浓度为1.31%;火源下游10 m处,横截面一块CO浓度呈拱形分布,这部分的CO浓度是横截面中最小的;火源下游100 m处,横截面底部出现分层,左下角CO浓度偏低。随着通风速度越大,火源上游10 m处,烟气沉降越小,尤其是4 m/s,横截面只出现一个小尖角的沉降,这是因为纵向风速够大,大量烟气会顺着风速扩散到下游,不会堆积在上游区域;火源下游10 m处,CO浓度分布呈现两边向中间逐渐减小的趋势,甚至中间无烟气出现。随着速度增加,火源下游100 m处,拱顶CO浓度分别为1.23%、0.97%,即火源下游100 m以内同一位置处,拱顶CO浓度随着风速增加而逐渐减小。

      图  11  ρ = 1/500 m不同通风速度下50 s横断面CO浓度云图

    • 1) 曲线公路隧道横向浓度不再呈现对称分布,且横断面右上角浓度略大于左下角。研究不同火源功率下的曲线隧道火灾烟气流动。得出隧道内拱顶和2 m高度处烟气温度和CO浓度随功率增大而升高,但通风风速2 m/s时,随着功率的增加,火源下游拱顶CO浓度逐渐减小。

      2) 考虑纵向风速的影响,对不同曲率下的曲线隧道火灾进行研究。当通风风速大于3 m/s时,下游拱顶烟气温度和CO浓度随着曲率增加而减小,而对于2 m高度处,火源下游烟气温度和CO浓度随着曲率增大而增大,这一规律与通风风速为2 m/s时正好相反。

      3) 当改变通风风速的大小,分析曲线隧道火灾的烟气流动状况。得出隧道工况一致时,风速越大,烟气的温度和CO浓度越低。随着风速的增加,隧道内火源下游拱顶和2 m高度处烟气温度降的梯度越来越小,即风速增加到一定值时,通过加大风速来减小温度的效果愈差。因此,综合考虑成本和控烟效率,风速3~4 m/s之间对人员的救助是比较合适的。

参考文献 (13)

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