水平隧道临界风速研究.doc

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1、水平隧道临界风速研究摘要：本文结合国内某长大公路隧道设计，建立300m长的水平隧道空间模型，通过CFD模拟确定临界风速的影响因子及相应的准则关联式。关键词：水平隧道临界风速影响因子1引言纵向通风由于采用临界风速设计，具有鲜明的烟雾控制特点，在国内外隧道工程中的应用越来越广泛。1.1Kennedy临界风速[1]（1）其中，vc为临界风速，m/s；Qc对流换热量，kW；g为重力加速度，m/s2；为断面当量直径，m；T是烟气温度，K；T0是周围空气温度，K；ρ0空气密度，kg/m3；cp空气比热，kJ/kgK；kg坡度修正，取1.0（平坡/上坡）或1+0.0374grad

2、e0.8（下坡）。1.2Atkinson实验[2-4]Oka和Atkinson采用1/10缩尺模型，选择丙烷燃烧源，研究水平隧道烟气运动，得到如下规律：其中：式中：kv与燃烧器类型有关，介于0.22～0.38之间。显然，上述结论与Kennedy风速不一致。v∝Q1/3规律仅适于小规模火灾；当火灾强度Q超过某一临界值，临界风速基本不变。2临界风速CFD模拟2.1隧道概况隧道全长8.1公里，双洞单向三车道隧道，衬砌内径13.7m，衬砌外径15m，当量直径＝10.64m。2.2控制方程的建立10火灾是一个涉及紊流、燃烧、传热的多相流动过程。模选择浮力修正模型、六通量模型及

3、EDM模型，建立控制方程组如下：（3）变量、输运系数、源项及参数见表1、表2。表1控制方程及变量参数表uiμkμ/σkεμ/σεHμ/σh10mfuμ/σfu-Rfumoxμ/σox-4Rfu1/(a+s)100表2模型基本常数101.441.920.091.01.30.252.3边界条件的确定（1）进口边界：采用小紊动假设，通风系统入口的湍动能及能量耗散率确定如下：，（4）（2）壁面边界：壁面采用Launder和Spalding推荐的标准壁面函数[5]，不计壁面与外界的换热。（3）出口边界：沿流动方向各流动参数导数为零。2.4计算工况的确定临界风速的影响因素颇多，

4、包括火灾强度、燃料类型、隧道坡度、断面形状、送风温度等。模拟重点分析送风温度及火灾强度的影响。为了便于分析，本文以控制上风方向火源边缘（x＝147.6m）烟气逆流消失为准，确定临界风速。同时定义如下特征界面：上风方向距火源1处x＝136.96m。2.5送风温度对临界风速的影响取HRR＝5MW，通风速度v=1.64m/s，改变送风温度，隧道中心线不同位置速度分布见图1。显然，送风温度对火源周围及上风方向速度场的影响很小，可以忽略不计。即近似认为临界速度与送风温度无关。2.6火灾强度对临界风速的影响2.6.1CFD模拟结果取送风温度t＝30℃，改变火灾强度及纵向风速，据

5、此确定临界风速vc，变量无量纲化见表3。不同火灾强度下，临界速度分布比较见图2。10显然，CFD模拟风速要大于Kennedy临界风速。当火灾强度较小时（Q≤30MW），变化趋势一致，两者之差vc-vc’≈0.3；当火灾强度较大时（40MW≤Q≤80MW），Kennedy临界风速仍满足vc’∝Q1/3，但模拟风速随火灾强度变化明显趋于缓慢。表3临界风速汇总Q/MWQ*vc’/m/svc/m/sv*Q/MWQ*vc’/m/svc/m/sv*50.0121.341.640.161400.097102.492.760.270100.0241.671.980.194500.1

6、222.642.870.281200.0492.052.360.231600.1462.77102.940.288300.0732.302.610.256800.1952.973.060.300注：vc’为Kennedy临界风速；vc为CFD模拟临界风速。显然，CFD模拟风速要大于Kennedy临界风速。当火灾强度较小时（Q≤30MW），变化趋势一致，两者之差vc-vc’≈0.3；当火灾强度较大时（40MW≤Q≤80MW），Kennedy临界风速仍满足vc’∝Q1/3，但模拟风速随火灾强度变化明显趋于缓慢。2.6.2大尺度火灾试验比较本研究由于多种原因，无法进行大尺

7、度模型试验对结果进行验证。为此，本文选择英国健康与安全实验室（HSL）Buxton试验结果与CFD模拟进行比较。该试验选址在一个长366m的拱形矿井巷道，煤油池尺寸随火灾强度（0.3～20MW）变化不等，纵向风速控制在0.5~4m/s，主要参数见表4[6-7]。表4Buxton试验结果GeometryQ/kW10Q*vc/m/sv*H=2.44mW=2.74m=2.38m2040.0190.9080.1882040.0190.7570.1575700.0521.0370.2156060.0561.4380.2981010400.0961.3630.2821230