火源宽度对公路隧道火灾烟气逆流长度的影响研究 .pdf

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本文以公路双车道直线隧道与曲率半径300m曲线隧道中不同宽度的火源作

为研究对象利用FDS软件对在纵向通风1.7m/s情况下两座隧道中不同宽度

火源产生的烟气进行数值模拟。结果表明:火源烟气逆流长度随着火源宽度的增

加而减小;相同火源宽度的情况下直线隧道的烟气逆流长度均高于曲线隧道的

烟气逆流长度;随着火源宽度的增加曲线隧道的烟气逆流长度越来越接近直线

隧道。研究结果对公路隧道通风排烟设计和规范制定提供一定的参考。

关键词:公路隧道;烟气逆流长度;隧道火灾

引言

隧道作为公路交通网的重要部分不仅保障了公路的连贯性更是对提升运

输效率起到了关键作用因而得到了广泛的应用。截止2022年底全国公路隧

道已修建24850处长度共计2678.43万延米[1]。虽然公路隧道带来的优点较

多但是由于其自身具有纵向狭长内部较为封闭通风受限等结构特点[2],

一旦发生火灾会导致有害高温气体迅速蔓延同时人员和车辆不能及时疏散,

最终会造成严重的后果。1999年勃朗峰隧道内一辆满载货物的卡车突发火情

随后火势迅速扩散并点燃隧道内其他车辆事故最终造成了41人死亡36辆汽

车被烧毁[3]。因此需要对隧道火灾展开研究提出火灾的控制与应对措施。目

前为止主流的隧道火灾控制手段都是利用隧道内部原有的通风系统对火灾产生

的烟气进行抑制包括自然排烟和机械排烟机械排烟又包含横向、半横向和纵

向排烟[4]。纵向排烟相较于横向排烟具有成本低、灵活性高等特点被大多数

隧道设计者采用因此大量学者对隧道内纵向通风控制火灾展开了研究。

以上为主流学者广泛引用验证的隧道烟气逆流研究成果其研究焦点主要在

隧道本身结构对烟气造成的影响。此外还有一小部分学者围绕火源形状对烟气的

影响开展研究冯凯[8]、于年额[9]对隧道中一系列长宽不同的火源展开数值模

拟研究结果表明在隧道结构不变的情况下火源宽度越宽抑制烟气所需的临

界风速就越大;火源长度的变化基本不会造成临界风速的变化。除了直线隧道,

还有相当一部分学者分析了曲^隧道等复杂结构隧道对烟气造成的影响。徐柳

[10]、Zhang[11]等学者指出曲线隧道不同于直线隧道弯曲的壁面会对火灾

产生的热烟气造成额外沿程阻力导致扩散速度减慢。转弯半径越小阻力越大,

烟气逆流长度越短。目前为止尚无学者针对曲线隧道中的不同宽度的火源进行

研究由于新能源车辆种类和隧道数量的日益增加隧道发生火灾的情况也在日

趋复杂化因此有必要对此类情况进行研究为隧道火灾通风控制措施提供参考。

一、数值模拟

(一)物理模型设计

依据JTG3370.1-2018《公路隧道设计规范》本研究对双车道隧道进行建

模分别建立一条直线隧道和曲率半径为300m的曲线隧道模型。为方便模拟分

析根据等效原则隧道的断面被设置为矩形宽9m高6m,壁面厚度为1m,

隧道总共长200m隧道整体模型如图1所示。

火源热释放速率H是衡量隧道火灾规模的主要因素其大小直接反映了

火灾中烟气的蔓延速率和温度分布。在隧道防火设计中应根据道路状况确定

适当的车辆火灾热释放率根据《城市地下道路工程设计规范》统计小汽车的

热释放速率为3〜5MW、巴士为15〜20MW、重型车为20〜30MW。因此设定

火源功率7.5MW来模拟大部分火灾发生的情况。燃料种类设置为庚烷。火源中

心位于距离隧道通风入口75m处的中心线。

(三)初始条件与边界条件设置

本次模拟中环境温度与压强被设置为常温常压湍流模型为大涡模拟。隧道

的材料设置为混凝土密度为2280kg/m3,比热容为1.04kJ/(kg・K),导热系

数为1.8W/(m・K)o隧道两端各有一个开口隧道纵向通风入口处设置为供给

给隧道提供一个恒定的纵向风速。隧道出口则设为开放连通外界环境。

(四)测点设置

隧道中的热电偶测点设置为隧道顶棚中心线下方0.1m处,沿隧道纵向每1m

布置一个共计200个如图2所示。

(五)工况设置

本文将通过改变火源宽度、火源单位面积热释

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