逆向坡度隧道内羽流触顶区温度的研究

田 洋,李俊梅,赵宇航,张 仁,黄宗浩

(北京工业大学建筑工程学院,北京100124)

摘 要:建立城市地下隧道模型,利用火灾羽流模型及FDS研究不同的通风方式、不同坡度对火灾羽流触顶区温度变化的影响。火源功率取为5MW,隧道坡度为2.0%3.0%5.0%,通风方式为自然通风、纵向风速2m/s通风。对比计算值与模拟值的差异。结果表明,当隧道顶棚受到燃烧羽流火焰影响时,随着坡度的增加,顶部下方的最高温度略有降低,火源区上游的温度降低,火源区下游的温度则变化很小,火源区上游的安全范围随之扩大。在坡度隧道内,相比较自然通风方式,纵向通风的形式能有效降低触顶区温度,防止棚顶衬砌结构破坏。

关键词:隧道火灾;坡度;羽流触顶区;羽流模型;数值模拟;自然通风;纵向通风

中图分类号X913.4U459.2TK121 文献标志码:A

文章编号1009-0029(2017)01-0041-03

有坡度隧道在城市隧道占据一定的比重,隧道内发生火灾时,烟囱效应明显,对下游的破坏性加大。虽然提供一定的纵向风速可以隧道内不发生烟气回流,但不能十分有效地降低隧顶射流烟气层的温度。混凝土的力学性能会随温度升高而改变,达到一定温度时抗压强度会大大减弱。研究隧道顶棚以及羽流触顶区的温度对于隧道火灾安全有着重要的意义。

笔者采用数值模拟的方法,建立有坡度的隧道的物理模型并分析坡度以及通风条件对火灾羽流触顶区的温度变化影响,得出羽流触顶区域温度变化的相关结论。

1 羽流触顶温升的计算

纵向通风作用下的火灾羽流模型,如图1所示。根据参考文献[8],触顶区温度image.png按式(1)推导。

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式中:Q为对流热损失,W:p为空气密度,kg/m3;image.png空气定压比热容;image.png为纵向风的影响宽度,m;V为纵向通风速度,m/s;H为隧道净高,image.png为环境温度,K;image.png的大小与隧道净高H和纵向通风速度V有关,在空气密度保持不变的情况下,将影响宽度考虑为隧道高度和风速的函数,根据量纲分析和归一化理论,有式(2)、式(3)。

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式中:image.png为影响宽度、隧道高度、风速的特征值。

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2 数值模拟计算

2.1 数值模拟工具由于隧道火灾的实验研究过程受限,进行全尺寸实验或缩小尺寸的模型实验都需要消耗大量的人力和物力,数值模拟技术在隧道火灾方面的应用越来越广。目前,主要的火灾计算模型有区域模拟、网络模拟和场模拟。采用FDS6.0实现对隧道火灾的模拟。

2.2 物理模型

为研究坡度对羽流触顶区的影响,建立了三个不同坡度的隧道模型,坡度分别为2%3%5%。三个隧道的长度均为200m,横截面为宽10m、高5m的矩形。火源根据小轿车尺寸简化为长、宽、高分别为4.0m、2.0m和1.5m的长方体,火源中心与低端隧道口的水平距离85m,如图2所示。

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2.3 网格系统

 为了确定计算时的网格尺寸的大小,需进行网格独立性分析。相应的网格独立性测试实验得出,火源特征直径image.png与算网格尺寸δχ的比例为4~16时,可以得到一个合理的求解结果。其中,火源特征直径可由式(4)给出。

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式中:HRR为火源热释放速率;g为重力加速度。

  结合计算采用的物理模型,分别采用0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m的网格尺寸进行网格独立性测试。对比烟气回流长度后,考虑到模拟的精确性以及计算机的性能状况,模型最终采用均匀网格分布,其尺寸在3个方向上均为0.25m。

2.4 边界条件

假设隧道衬砌的外表面是恒温的,并假设衬砌内为一维热传导,通过计算可以得到衬砌内表面的温度。由于混凝土是热的不良传导体,实际衬砌厚度一般都比较大,通过传热计算得到的结果与此较接近,衬砌外表面温度变化幅度较小,这样的处理是比较符合实际情况的。在自然通风模式下,模型两端开口均设置为自然开口;在纵向通风模式下,模型入口保持通风速度不变,另一端开口设置为自然开口。环境温度设置为25℃。墙体边界设置为热厚性边界,火灾采用快速image.png火灾,火源功率取为5MW。

2.5 计算工况

根据隧道坡度和通风形式的改变设计6个工况,对于坡度分别为2%、3%、5%的隧道,模拟了其在自然通风、纵向通风速度为2m/s时的羽流触顶区温度分布,归纳温度变化规律。

3 模拟结果分析与比较

3.1 不同坡度对隧道顶部中心温度的影响

   图3为火源功率稳定后不同坡度的隧道顶部中心温度在隧道长度方向上的变化趋势。可以看出,自然排烟工况下,不同坡度的隧道,其拱顶处最高温度均出现在火源上方。随着坡度的增加,拱顶下方的最高温度略有降低,这是由于火源上表面与隧道顶部的垂直距离随着坡度的增加而增加。火源区上游的温度随着坡度的增加而降低,火源区下游的温度则变化很小,说明隧道坡度的增加对火源区上游的影响较大,这是由于热压效应,火羽流不再对称分布,烟气具有主要流向,即向位置较高的隧道口流动。

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3 不同坡度的隧道顶部中心温度在隧道长度方向上的变化趋势

4为火源功率稳定后,随着通风方式的不同,不同坡度的隧道顶部中心温度在隧道长度方向上的变化趋势。可以看出,纵向通风可以有效降低羽流触顶区温度。对于坡度为2%的隧道,隧道顶部中心温度从500℃以上降低到约150℃,说明纵向风流抑制住了火羽流的上升趋势,使火羽流不能对隧道顶板形成冲击。对于坡度为3%的隧道,隧道顶部中心温度从500℃以上降低到约180℃。对于坡度为5%的隧道,隧道顶部中心温度从500℃以上降低到约200℃。这是由于纵向风流方向垂直于隧道口而不平行于隧道地面,随着坡度的增加,纵向风流不能在整个隧道横截面上作用于火羽流,使纵向风流对火羽流触顶的抑制作用随坡度增大而减小。

从图4还可以看出,对于坡度为2%的隧道,火源区上游距低端隧道口约65m以内温度基本未发生变化;对于坡度为3%的隧道,火源区上游距低端隧道口约75m以内温度基本未发生变化;对于坡度为5%的隧道,火源区上游距低端隧道口约80m以内温度基本上未发生变化。由此得出,在纵向风流的作用下,火羽流向下风侧倾斜,火源区上游的安全范围随之扩大,火源区下游的温度变化不大。

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3.2 模拟值与计算值的对比及分析

以计算的方法验证纵向通风模式下模拟结果的可靠性。将数值模拟结果代入式(1)进行计算,其中环境温度image.png=25℃,纵向风速V=2m/s,隧道高度H=5m。查取相应的空气密度以及定压比热容,计算触顶区温度,结果如表1所示。

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如表1所示,当坡度为2%时,误差保持在5%以内;当坡度为3%或5%时,误差较大,达到了10%以上。引起误差的主要原因可能是由于坡度的影响,烟气的烟囱效应加剧,高温烟气向下游流动,导致羽流的触顶区域温度下降。可见,小坡度隧道或水平隧道计算结果有一定的可靠性。坡度较大时,计算时需要将坡度考虑在内,或计算完成后加以修正,以使结果更加可靠。所以式(1)适用的范围是水平隧道或坡度相对较小的隧道。

1 结 论

  1)随着坡度的增加,顶部下方的最高温度略有降低,这是由于火源上表面与隧道顶部的垂直距离随着坡度的增加而增加。由于纵向风流方向垂直于隧道口而不平行于隧道地面,纵向风流对火羽流触顶的抑制作用随着坡度增大而减小。

2)随着坡度的增加,火源区上游的温度降低,火源区下游的温度则变化很小,说明隧道坡度的增加对火源区上游的影响较大。

3)模拟值与计算值的对比及分析可以看出,随着坡度的增加,误差增大,计算值在坡度较小时更为可靠。