公路隧道火灾CO浓度的数值模拟

陈丹丹 孙三祥（兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

本文以厦门莲花隧道为对象，利用CFD软件FLUENT，对隧道发生火灾时的临界风速，隧道中线纵断面上不同高度处的CO浓度分布和隧道横截面上的CO浓度分布进行了三维数值模拟,研究分析了火灾时烟气浓度的变化规律。

1 模型建立与边界条件

1.1 隧道模型参数

莲花隧道为山岭重丘区高速公路隧道，隧道长度4545m，双洞单向车行，隧道横截面半径为5.53m，如图1所示。因为横通道在火灾初期是关闭的，因此可以不计横通道的影响。本次模拟取计算域长度500m进行计算,模型采用直角坐标系，坐标原点位于隧道入口处底线的中点，沿隧道长度Z方向向下延伸500m,末端处取为隧道出口。模型示意图如图2所示。

图1 隧道横截面

1.2 火源的设定

对火源的设定采用体积热源法，即不考虑火灾燃烧的具体过程和产生的具体化学反应，把火源设定为一个具有固定体积的热源。火灾热释放率采用《公路隧道通风照明设计规范》规定的估计值20MW[13]，火源设在距离隧道入口100m处的正中轴线上，体积为2m×1.5m×1.5m，如图2所示。

图2 模型纵断面

1.3 网格的划分

由于火源处及火源附近的紊流程度比较大，因此对火源前后20m处采用较精细的网格，用0.4m的尺寸进行划分，其余采用0.6m的尺寸划分。整个隧道均为非结构性网格,共有397471个结点，如图3所示。

图3 横截面网格

1.4 边界条件的设置

隧道入口处采用速度进口边界条件，为不同的通风速度，温度为20℃，CO质量分数为0。

隧道出口处采用压力出口边界条件，相对压力为0。

壁面处采用壁面无滑移边界条件，均为绝热，粗糙度为0.02，三个方向的速度分量均为0。

2 模拟计算结果及分析

2.1 模拟工况

本次模拟为三维稳态模拟，采用以下六种工况：通风速度分别为1m/s、2m/s、2.4m/s、2.5m/s、2.6m/s、3m/s。

2.2 结果及分析

1)对火灾临界风速的研究

当隧道发生火灾时，让火势控制在火源一侧，使之不蔓延至火源上风方向，所需要的最小风速称为临界风速。当机械通风速度小于临界风速时，火势得不到有效控制，会蔓延至火源的上风方向，给人员逃离和消防队员的救援工作带来很大困难。因此，必须确定一个合理的临界风速，以使人员伤亡和财产损失达到最小。

不同风速下，隧道中线纵断面上火源附近的CO分布如图4所示。

图4 不同通风速度时的CO分布图

由图4可得：①当通风风速为1m/s时，烟气在上风方向的回流距离较大，基本上充满了隧道的整个断面；②当通风风速为2m/s和2.4m/s时，烟气得到了一定的控制，但在上游仍然有烟气的存在；③当通风风速为2.5m/s时，烟气基本得到了有效控制；④当通风风速为2.6m/s时，火源顶部上游的烟气没有超过火源范围，被控制在了下风方向；⑤当通风风速为3m/s时，在火源上风方向范围内没有烟气存在。

因此可以得出结论，此隧道的临界风速为2.6m/s,机械通风速度应大于或等于2.6m/s。

2)对不同风速下隧道中线纵断面上一定高度处CO浓度分布的研究

当入口通风风速为2m/s时，火源点上游的烟气约有25m距离的回流。距离火源点之后150m范围内，离隧道底部1.5m、3m高度处的CO浓度均有一定程度的上下波动，4.5m处的浓度较为稳定，基本保持在1.3%。火源之后150m至隧道出口范围内，不同高度处的烟气浓度值均无较大波动，且数值基本相等，约为0.75%。由于烟气的浮力作用，距离隧道底部距离越大，CO浓度越高。且在火源之后20m范围内，CO浓度下降，之后20m至50m范围内又出现回升。

3)对隧道横截面上CO浓度分布的研究

图5给出了入口通风风速为2m/s、2.6m/s、3m/s时距离火源下游10m、50m、100m、200m、350m横截面上，离隧道底部1.5m处的CO浓度分布图。

由图5(a)可得：①火源下游10m处，在不同通风风速下，均呈现出中线附近的CO浓度小于边墙附近的浓度。②中线处的CO浓度数值在三种风速下差别不大，约为0.1%，边墙处的浓度在2.6m/s和3m/s的风速下约为1%，在1m/s的风速下为0.45%,差别较大。

由(b)可得：①火源下游50m处，通风风速为2m/s时，中线附近的烟气浓度小于边墙。风速为2.6m/s和3m/s时，边墙处的烟气浓度略小于中线。②3m/s风速下烟气浓度反而大于2.6m/s时的浓度。

由(c) (d)可得：火源下游100m和200m处，CO浓度在不同通风风速下的变化较为复杂，曲线大致呈波浪形。

由(e)可得：火源下游350m处的CO浓度已经趋于稳定，变化幅度较小。2m/s和2.6m/s时的浓度约为0.55%，3m/s时约为0.35%。

整体比较(a) (b) (c) (d) (e)可得：①距离火源不同横截面上的烟气浓度总体上关于横截面的竖直中线对称；②离火源越远，入口通风风速越大，浓度越低。

3 结论

采用fluent软件对厦门莲花隧道发生火灾时的临界风速，隧道中线纵断面上不同高度处的CO浓度分布和隧道横截面上的CO浓度分布进行了三维数值模拟，得到了以下结论：

1)厦门莲花隧道发生火灾时的临界风速为2.6m/s，实际机械通风速度应大于等于2.6m/s,才能使烟气不发生回流，为上风方向的人员逃生和救援工作提供一个无烟环境。

图5 不同横截面的CO分布

2)CO浓度在隧道顶部附近区域较大，在隧道底部附近处较小；火源之后150m范围内烟气浓度值有一定波动，之后基本保持不变；在火源附近处的CO浓度要小于距离稍远处的浓度；入口通风风速越大，烟气浓度值越小。

3)距离火源不同横截面上的烟气浓度总体上关于横截面的竖直中线对称；离火源越远，入口通风风速越大，浓度越低。

[1]彭立敏,安永林,杨高尚.隧道火灾调研及其对雪峰山隧道防灾设计的启示[J].灾害学,2006,21（3）：103-106.

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