利用CFD技术研究不同通风速度对火灾影响

【摘要】本文利用FDS软件对无通风工况下公路隧道火灾进行了瞬态的数值模拟。根据相似原理进行了大比例的（1：6）模型试验。采用的模型隧道全长100m，隧道断面直径1.8m。把纵向通风速度3.0m/s和2.0m/s进行模拟比对。研究结果显示2.0m/s的风速下，隧道内烟流回流明显，且回流温度高、距离长； 2.0m/s的风速不能及时的带走火源处的高温烟流，使得烟流在向下游蔓延的同时，向地面方向扩散，造成人体等高平面上污染物浓度较高，可见度较低，且温度较高，无法满足隧道通风的目的。

【关键字】隧道，火灾，CFD，通风风速

中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：

0 引言

随着交通压力的增加，隧道规模的增加，也使得公路隧道内火灾的危险性呈上升趋势。火灾是一种失去控制的燃烧过程，它是各种灾害中危害面最广、发生几率最高的一种，它无情的夺去人的宝贵生命，并且将人类的财富顷刻间化为乌有。隧道火灾的危害尤为严重，一旦发生火灾，往往会造成隧道内外联络困难、救援人员无法进入现场和整体局面失控等问题，因此导致众多人员伤亡和巨大的经济损失。在公路隧道火灾意外事故中，多半时由车辆交通事故引起，在众多对于车辆火灾事故原因的调查研究中，车辆火灾主要具有下列三特性[1]：不易预防、燃烧快速或具爆炸性、抢救不易。

隧道内一旦发生火灾，中控室确认火灾后，正常通风应立即改变为事故通风，并根据预案设定，将风速控制到一定范围内，尽量减少传到人体上的热负荷，还要避免因纵向风流的湍流和涡流作用而使洞内烟雾弥漫，最大程度地给人员避难创造条件。通风应有利于消防队员救火，使消防队能从上风方向接近火场，开展灭火工作。

由于真实火灾场景的规模是随时间逐渐增加的，在火灾的初始阶段，火灾规模很小，释热量和释烟量都很低，如果此时的纵向风速过高，反而会破坏烟气的自然分层现象，对人员的逃生和救援都不利，而且通风速度过高也会使得设备费用的增加，因此选择一个合适的通风速度是非常必要的[2]。

1 CFD基本理论及使用软件介绍

CFD即计算流体动力学，利用质量、能量及动量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其空气流动状况。通常数值计算方法有3种类型[3]：直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）、雷诺时均Navier-Stoke（N-S）方程（RANS）。控制方程可以表示成以下通用形式[4]：

(1)

其中，为密度；为广义扩散系数；为广义源项；为速度矢量；为通用因变量，代表 ，为速度，为运动粘性系数，为湍流粘度，为温度，为湍流动能，为湍流动能耗散率，为特征尺寸。

本文采用的是美国国家标准与技术研究所(NIST)开发的模拟程序 FDS，是最具特色的火灾烟气运动场模型，应当指出FDS在模型的构建过程中较其它模型采用了尽可能少的假设，其理论基础坚实，能够描述很宽范围的火灾现象，代表了目前火灾烟气运动数值模拟的世界领先水平。

FDS 是主要针对火灾驱动下的流体流动进行计算模拟。它主要有两部分，第一部分主要采用大涡模拟方法数值求解低速的、热驱动下流动的Navier-Stokes方程，重点在于火灾中的烟气和热量的传输计算。第二部分称为Smokeview，主要是用来显示计算结果的绘图程序。

2、建模与网格

火灾试验以公路隧道为模拟对象，根据相似原理进行了大比例的（1：6）模型试验。采用的模型隧道全长100m，隧道断面直径1.8m，管道内部以混凝土垫层，如图1所示。隧道禁止危险品车辆通过，因此，试验火灾规模的确定主要以轿车和大型载重卡车作为模拟对象，其规模为：24L柴油，1L汽油，30kg木材，火灾热释放率（HRR）约为4MW左右。

图1 模型试验断面尺寸示意图图2生成网格的隧道模型

根据试验隧道的几何物理参数，通过FDS用不同的网格尺寸建立如图2的模型，其中网格尺寸取0.1D*时生成的模型。壁面采用0.2m厚的混凝土材料，导热系数为1.0w/m·k，密度为2100kg/m3，定压比热为0.88kJ/kg·k；壁面与烟气间的对流和辐射换热量数由程序根据该处的温差和烟气流速等计算得到，壁面温度也由程序计算得到；混凝土壁面外部为空气；壁面及环境的初始温度为20℃。

3、模拟结果

3.1 烟气分布

把纵向通风速度3.0m/s和2.0m/s进行模拟，分析量工况下隧道内，烟气蔓延至火源下游450m所需时间及壁面参数的变化。

（a） V=3.0m/s,t＝112s

（b） V=2.0m/s,t＝126s

图3 烟气蔓延至火源下游450m

从图3烟气的蔓延可以看出，通风速度为3.0m/s时，只需要112s烟气便蔓延至450m处，而通风速度为2.0m/s时，经126s的时间，烟气便蔓延至450m处。比较两种工况，纵向通风风速在2.0m/s时，在火灾刚开始时尚能使烟气向下游扩散，但当火源进入完全燃烧阶段后，由于释烟量非常大，烟气开始向火源上游扩散，而且在火灾下游烟气由于烟气的蔓延速度较低，烟气几乎扩散到了隧道整个断面，因此从烟气的蔓延分布图可以判断，2.0m/s的纵向通风速度不足以抑制烟气的回流，满足不了火灾场景下人员逃生的需要。

3.2 温度分布

（a） V=3.0m/s

（b） V=2.0m/s

图4隧道纵向中心面的温度分布

在3.0m/s的通风风速下，隧道顶部烟气的温度仅有300℃左右，出现在火源及火源下游5m范围内；而在2.0m/s的风速下，烟气的温度有400℃，并且沿着火源上游扩散，非常不利于上游人员的逃生和救援。

在v＝2.0m/s和v＝3.0m/s的通风速度下，隧道内各横断面上烟气温度分布非常接近，只是2.0m/s的通风速度下，烟气温度略高，但是沿着隧道纵向，随着烟气温度的下降，这种差别也逐渐减小。值得注意的是，在火源下游，烟气温度除隧道顶部有所差别之外，在隧道底部，两种风速下的烟气温度分布也不一样，2.0m/s的风速下，隧道底部烟流的温度比3.0m/s风速下的温度普遍高10℃以上，说明烟气在向下游蔓延的过程中，不断的向隧道地面沉降，这个结果在烟气的蔓延图中看的更为清楚，2.0m/s的纵向风速不能很好的控制烟气的流动。

4、结论

根据两种通风速度的模拟结果对比分析，2.0m/s的风速下，隧道内烟流回流明显，且回流温度高、距离长；同时在火灾热释率达到20MW后，2.0m/s的风速不能及时的带走火源处的高温烟流，使得烟流在向下游蔓延的同时，向地面方向扩散，造成人体等高平面上污染物浓度较高，可见度较低，且温度较高，无法满足隧道通风的目的。

参考文献

[1] 李明儒，应用无线感测网络提高隧道防救灾机制之研究[J]，台湾中原大学硕士学位论文，2006..

[2] Li Xianting,Yan Qisen. Numerical analysis of smoke movement in subway[J].Fire Safty Science,1993,2(2):6-13..

[3] 陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[4] John D. Anderson,Jr. Computational fluid dynamics-The basics with applications[M]. 北京：清华大学出版社，2002