摘要
为探究不同曲率的隧道在发生火灾时对其温度分布、临界风速及烟气分布的影响，基于CFD（计算流体动力学）数值计算方法，考虑不同曲率对临界风速、温度分布、烟气分布的影响，将得到的数据进行分析拟合。文中以大连至旅顺中部通道工程某隧道为工程背景，进行烟气分布特性数值研究。通过研究表明，在通风风速和热释放率相同的条件下隧道内烟气回流长度随着曲率的增大逐渐减小，临界风速也出现相似的结论，而曲率对隧道内温度的分布情况影响较小，在通风条件下曲线型隧道火源区产生横向湍流，隧道外侧壁面烟气流动较内侧烟气流动更快。研究可为今后处理曲线型隧道火灾事故方面提供一些参考。
关键词
曲线型隧道；临界风速；回流距离；烟气蔓延
0.引言
近年来经济的快速发展，我国公路隧道也在不断进步，隧道火灾的发生也逐渐变为现代最为重视的灾害之一。1949年美国-霍兰隧道因隧道内货车燃烧，最终导致66人中毒，23辆车损坏。因此，隧道火灾问题引起了国内外研究人员的关注。 国内外对临界风速方面的研究，WU等[1]采用纵向通风系统研究隧道内烟气的临界风速，通过在相同高度但截面几何形状不同的隧道进行研究，对隧道内的温度和风速分布进行详细分析。赵香玲等[2]考虑了火源阻塞比，获取更为准确的隧道火灾临界风速的算法，研究堵塞效应下隧道火灾的临界风速。王峰等[3]探究高海拔与低海拔公路隧道火灾燃烧特性的差异，并且研究高海拔隧道火灾临界风速的计算方法。陈长坤等[4]为探究火灾火源位于分岔隧道的不同位置及坡度对临界风速的影响规律作出了大量实验。余时芬等[5]通过采用数值模拟的方法对半横向排烟下的横向排烟下的隧道火灾烟气蔓延特性展开了研究。芦峰[6]针对曲线型公路隧道利用半横向式通风系统研究曲线区域应用射流风机控制烟气回流的可行性。赵威风等[7]利用FDS数值模拟隧道内烟气运动，对比不同曲率半径对烟气运动的影响。杨少鹏等[8]考虑人员疏散安全的曲线公路隧道火灾合理风速研究中提到，由于曲线隧道外侧壁面的限制，导致烟气在曲线外侧壁面比内侧更易向下部区域蔓延。 目前对于曲线型隧道火灾研究相对较少，为考虑用于建设直线型隧道的相关规范能否用于曲线型隧道等原因。文中通过进行CFD数值模拟在相同热释放速率和相同纵向风速的条件下，探究不同曲率对隧道的临界风速、温度分布及烟气分布的影响程度。
1 模型验证
CFD模拟火灾规模5MW，隧道模型尺寸：长840m、宽10.8m、高6.7m。火源设置于距离通风入口50m处。图1给出在不同风速下隧道内烟气浓度分布情况。通风风速根据陈丹丹[9]所给风速进行模拟。
由图1可见，通风风速越大，烟气回流长度越短。临界风速可根据图1中的烟气分布、烟气回流和温度分布确定在2.2~3.0m/s之间。图2给出了通风风速-回流距离曲线对比
由图2可得，采用midas NFX得到的模拟曲线与陈丹丹得出的试验曲线基本吻合，由此可见，基于midas NFX方法得到的数值结果与陈丹丹给出的试验结果拟合较好，可用来研究隧道内温度及烟气分布情况。
2 模型建立与影响因素理论计算
2.1 隧道火灾模型的建立
研究了3种不同曲率的隧道，曲率半径分别取0、1/510、1/250。隧道模型如图3所示。隧道尺寸：长400m、宽10m、高6m。隧道内火源设置在距入口150m处，隧道左端入口设置为通风风速的入口，右端为出口，隧道的壁面设置为边界组。
2.2 临界风速计算公式
采用由Heselden等[10]给出的临界风速的修正计算公式：
式中，Vc为临界风速，m/s；kg为坡度修正因素量纲一；常数k=0.61；自由落体加速度g=9.8m/s²；为隧道截面当量高度，m， 
=4A/L；Q 为火源热量释放速率，W； 
=1.2 kg/m²隧道内空气密度；CP为空气比定压热容，kJ/（kg·K）；A为隧道通风断面积，m²； 
为热气体温度，K；环境温度 
=300 K。 为研究不同曲率对隧道内临界风速的影响，由胡顺利等[11,12]研究的小半径曲线隧道温度场与临界风速，根据曲线隧道临界风速关系拟合曲线，得出其纵向通风风速计算公式：
式中，ξ、x、y 均为系数，根据各曲率下临界风速值拟合得出。
2.3 烟气生成量的计算公式
根据《建筑防排烟技术规程》[13]，质量流率m通过轴对称羽流模型得到，高洪蔺等计算式[14]：
式中，Qc为热释放的对流部分，一般取值Qc=0.7Q，kW；Z为火源面到顶棚烟气底面的高度。
为烟羽流质量流率，即单位时间内通过单位横截面积的烟气的质量。
文中火灾规模为20MW，通过代入式(4)，可得到烟羽流质量流率为17.37kg/s，计算出的烟气生成量为0.25838484kg/(m²·sec)。
3 计算工况
Alfred Haack认为影响隧道火灾规模大小最主要的原因是其隧道允许通行车辆类型，表1中给出了计算的各类车型火灾燃烧时的最高温度和最大热量的取值。表2给出了根据公路隧道发生火灾的实际情况时，文中所采用的CFD模拟的计算工况。
4 NFXCFD模拟结果与分析
4.1 曲率对隧道内温度分布的影响
隧道在纵向通风的情况下，可以通过在隧道拱顶布置温度监测点来获取温度分布情况，监测点设置于火源下游10、50、100 m隧道拱顶中间位置处。图4~图6给出了通风风速为1.6m/s时各曲率隧道在不同位置处的温度增长曲线。 由图4~图6可见，在相同的通风风速下，距离火源位置越远隧道内拱顶温度越低。其温度随隧道曲率的增大而减小。距离火源越远，拱顶温度因曲率不同产生的影响程度越小。曲率1/250和1/500的隧道温度相差较小，得出随着曲率越来越大对隧道内顶棚温度的影响也越来越小。4.2 曲线隧道与临界风速
为探究不同曲率隧道对临界风速的影响，使得隧道截面几何形状不变，不考虑截面的影响。主要影响因素如式(1)~式(3)中所给。图7为不同通风风速下各曲线隧道的烟气回流长度。
由图7可见，随着曲率的增大，隧道内烟气回流长度越短，隧道临界风速随曲率的增大而减小。
4.3 曲线隧道与纵向烟气分布
图8~图10给出了火灾热释放率20MW、纵向通风风速为1.6m/s时的不同曲率的隧道的烟气分布情况。
从图8~图10可见，因曲线型隧道在发生火灾时，火源区产生了较为强烈的横向湍流，在纵向通风的情况下，曲率越大，横向湍流的现象越为严重，导致隧道外侧避免的烟气浓度与隧道内侧烟气浓度相比较小，在进行人员逃生过程中，曲线型隧道可沿隧道内侧进行疏散。5 实例应用
5.1 计算模型及边界条件
实例以大连至旅顺中部通道工程某隧道为研究对象，应用midas NFX研究火灾规模为20MW时，曲线隧道内烟气蔓延规律及浓度分布情况。根据设计说明，隧道计算长度取312m，火源位于距隧道左侧出口200m处。曲线隧道平面示意图及截面示意图，如图11所示。
5.2 通道内烟气浓度分布图
如图12所示，在不同纵向通风风速下，隧道内CO浓度分布情况。可见出风速越大烟气浓度越小。
5.3 通道内温度分布图
如图13所示，在不同纵向通风风速下，隧道内温度分布情况。可见风速越大隧道内高温分布区域越小。
6 结语
文中基于midas NFX对小半径曲线隧道火灾进行模拟试验，探究了在相同的热释放率的条件下曲率临界风速、温度分布以及纵向烟气分布的影响。得出以下结论：
(1)将midas NFX数值结果与互换式通风公路隧道的模拟试验相比较，得出相一致的结论，证明了用该软件探究不同曲率下对临界风速、温度分布和烟气分布的影响的可行性。
(2)由曲线型隧道与纵向烟气分布图可得在同风速下，曲率越小烟气回流长度越大，从而临界风速越大。
(3)在隧道截面、隧道长度、火灾规模相同的情况下，直线型隧道的临界风速要比曲线型隧道的临界风速要大，建设曲线隧道的排烟系统时，用直线型隧道临界风速的规范较为安全。
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DOI:10.13905/j. cnki. dwjz. 2024. 4. 012
