不同环境温度和火灾强度对自然通风竖井型隧道火灾烟气浓度场的影

不同环境温度和火灾强度对自然通风竖井型隧道火灾烟气浓度场的影响分析

第２４卷第５期

２０１０年ｌＯ月制冷与空调ＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＶ０１．２４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１０．７～ｌＯ文章编号：１６７１．６６１２（２０１０）０５—００７－０４

不同环境温度和火灾强度对自然通风竖井型隧道

火灾烟气浓度场的影响分析

茅靳丰马晓光周俊宋威

（解放军理工大学南京２１０００７）

【摘要】运用ＦＤＳ（ＦｉｒｅＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）火灾模拟软件对三种不同环境温度和火灾强度（共九种工况）

条件下的某竖井型自然通风隧道火灾进行了数值模拟，并对模拟的结果进行了对比和分析，得到

了隧道环境温度和火灾强度对隧道火灾时烟气浓度分布的影响规律。

【关键词】

中图分类号自然通风；城市隧道：火灾；烟气浓度场；数值模拟ＴＵ８３４．５＋８文献标识码Ａ

ＡｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＮａｔｕｒａｌＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎＣｉｔｙＴｕｎｎｅｌｔｈａｔＡｉｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨｅａｔＲｅｌｅａｓｅＲａｔｅ（ＨＲＲ）

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ｏｆＳｅｃｉｅｎｃｅ（ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｉｓｐａｐｅｒａｄｏｐｔｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１０００７）ｉｓａＦＤＳ（ＦｉｒｅＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）ｗｈｉｃｈｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｈｅｎａｆｉｒｅｈａｐｐｅｎｓｉｎｔｈｅｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｃｉｔｙｔｕｎｎｅｌ

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０引言１．１隧道简介

统计结果表咧１１，火灾中８５％以上的死亡者是

由于烟气的毒害，其中大部分是吸入了烟尘及有害

气体昏迷后致死的。火灾的烟气浓度与火灾规模、

可燃物种类等多种因素有关，由于烟气在离开火源

燃烧区后，烟气所含各种气体之间将不再发生化学

反应，烟气中各种有害物浓度的变化主要由烟气中

掺混入的周围新鲜空气量决定，故各种有害物浓度

的变化规律将基本相同，本文主要研究对于城市竖

井型自然通风隧道火灾时不同的环境温度和火灾

强度对烟气浓度分布规律的影响，从而得出隧道内

烟气浓度的变化规律。

图１隧道总剖示意图。．。ｐＨ叫叫蝠｛。Ｈ叫固｜ｑｑ。．。。。．。。Ｐ件州。降荆。

１模型的建立

作者简介：茅靳丰（１９６２一），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为内部设备防护及空气质量保障理论与技术。收稿日期：２０１０－０９－２４

万方数据

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制冷与空调

南京城东干道隧道是贯穿南京市区南北的一条城市公路隧道，全长２６６０ｍ。该隧道由两个部分组成，即白下路段和龙蟠中路段，其中白下路段长８９０ｍ，龙蟠中路段长１４１０ｍ，每段隧道包含三种形式：位于隧道进出口的敞开段、项部开口的半敞开段和顶部封闭的暗埋段。其中龙蟠中路段是本文研究重点，隧道的通风竖井布置情况如图ｌ所示。１．２隧道物理模型建立及测点布置

模型隧道宽１２ｍ，高５．７５ｍ，竖井的高度为６ｍ，

其中每个竖井的结构相同（１２．８ｘ２．６ｍ２），单个竖井被均分为四个竖井，中间用０．２ｍ厚的混凝土板分割，每个竖井尺寸为２．６ｘ３．０５ｍ２。隧道模型的测点布置如图２所示。

图２隧道模型的测点布置

１．３模拟火源设定

本文采用ＦＤＳ火灾模拟软件，对三种不同环

境温度和不同火灾热释放率（Ｈｌｍ）的条件下（共

九种工况）的隧道火灾进行模拟，在前人对ＦＤＳ软件研究隧道内火灾的使用中，Ｓｕｎｇ

Ｒｙｏｎｇ

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ＨｏｎｇＳｕｎＲｙｏｕ［２１用ＦＤＳ３．０模拟了不同宽高比的条件下纵向通风时隧道内烟气流动规律；中国科学技术大学胡隆华【３Ｊ等人在全尺寸隧道上做了实验研究，并用ＦＤＳ进行了模拟研究，发现实验结果同Ｋｕｒｉｏａｋ提出的经验公式一致，说明了用ＦＤＳ模拟火灾有着很好的准确性。

将模型火源的热释放率（ＨＲＲ）分别设定为３Ｍｗ、１０ＭＷ和２０ＭＷ，火源的尺寸为１．８×１．８ｍ２，

万方数据

则单位面积的火灾热释放速率（ＨＲＲ）分别为９２５．９ｋＷ／ｍ２、３０８６．４ｋＷ／ｍ２和６１７２．８ｋＷ／ｍ２。火源类型选取ｔ２型火源，即：９锨（卜ｆｏ）２，其中，Ｑ为火灾的热释放率，ｋＷ；仅为火灾的增长系数，ｋＷ／ｓ２，本文取０．１８７８：，为火灾的增长持续时间，ｓ；幻为火灾开始有效燃烧时间，ｓ。

本文将火灾增长系数选为超快型ａ－－０．１８７８，火灾开始有效燃烧时间取为Ｏｓ，则由上式计算出火灾增长时间分别为１２６ｓ（３Ｍｗ）、２３ｌｓ（１０ＭＷ）和３２６ｓ（２０Ｍｗ），模拟时间总长设为１２００ｓ，从人员安全疏散的角度考虑，将火源位置位于暗埋段中点处。火灾热释放率随时间的变化如图３所示。

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图３火灾热释放率（ＨＲＲ）随时间变化图

１．４边界条件设定

将壁面材料选为钢筋混凝土，其物性参数密度为２１００ｋｇ／ｍ３，比热为Ｏ．８８ｋＪ／（ｋｇ?Ｋ），导热系数为ＩＷ／（ｍ?ｋ），表面发射率为０．９，壁面温度设为与环境温度相同。因为所研究城市隧道为潜埋隧道，所

以设置引道项部与大气直接相通，竖井口部也与大１．５模拟工况

表１模拟计算工况表

为掌握不同环境温度和火灾强度对火灾烟气灾工况的设置中外界风速为０ｍ／ｓ，且火源两侧隧１．６其他条件设定

气直接相通，隧道内外空气初始温度相同。扩散规律的影响，对表１中九种工况进行模拟。火道模型具有对称性，从而火灾羽流和烟气扩散也具有对称性，因此只对火区下游数据进行分析。

第２４卷第５期茅靳丰，等：不同环境温度和火灾强度对自然通风竖井型隧道火灾烟气浓度场的影响分析

?９?

将火源区段网格大ｄ、［ＡｘｘＡｙｘＡｚ】（ｍ３）划为０．２５ｘ０．４ｘＯ．２５，隧道区段划为Ｏ．５ｘＯ．４ｘＯ．２５，竖井区段划为０．５ｘＯ．４ｘＯ．４，模型的初始时间步长设为Ｏ．２ｓ，本文采用的是大涡模拟（ＬＥＳ），所以在计算过程中时间步长将自动调整为满足ＣＦＬ条件的时间步长。

２模拟结果

图４和图５为隧道顶部距离火源处分别为ｌＯｍ和６０ｍ处烟气中烟气浓度随时间的变化曲线，可以看到，烟气浓度主要由火灾强度决定，在火灾发

展阶段，随着火灾热释放率（Ｈ】娘）的不断增大，

隧道顶部的烟气浓度不断升高，当火灾进入到稳定阶段后，隧道顶部的烟气浓度受火焰湍流等因素影响而有一些波动，但基本趋于稳定。隧道火灾强度越大，火灾稳定后隧道项部烟气浓度越高，在火灾强度相同的情况下，环境温度越高，隧道项部烟气浓度相对较高；火灾强度较大的情况下，火灾刚进入稳定阶段时隧道顶部的烟气浓度最高，而随着时间的推移，隧道顶部烟气浓度会稍有降低。

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图４下游ｌＯｍ处烟气浓度随时间变化曲线

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图５下游６０ｍ处烟气浓度随时间变化曲线

图６和图７为下游一人高度（１．Ｓｍ）距离火源

万方数据

分别为ｌＯｍ和６０ｍ处的烟气浓度随时问变化曲线，可以看出，在火灾开始和发展阶段，一人高度处基本没有烟气，而火灾进入稳定阶段后，一人高处烟气浓度逐渐升高并达到浓度最高值，在浓度达到最高值后，烟气浓度随时间的变化规律因火灾强度、测点位置、环境温度的不同而变化；火灾强度为２０ＭＷ时，不同环境温度下的烟气浓度在达到最大值后持续一段时间都将迅速降低，而火灾强度为ＩＯＭＷ时，只有环境温度为３０℃时烟气浓度在达到最大值并持续一段时间后才快速下降，其它两个工况下烟气在达到最大值后趋于稳定，火灾强度为３ＭＷ时，三种环境温度下，烟气温度在达到最大值后都趋于稳定。从图中还能发现，一人高处的烟气浓度也主要由火灾强度决定，火灾强度越大，一人高处烟气浓度越高，在火灾强度相同的情况下，环境温度高的工况下的烟气浓度稍高于环境温度低的工况。火灾烟气沿隧道纵向向两侧蔓延的同时不断卷吸烟气层下部流向火源的新鲜空气，使火灾烟气中的有害物质浓度沿程不断降低。