竖井型大长城市隧道火灾通风的数值模拟研究

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1、公路隧道2014年第2期(总第86期)竖井型大长城市隧道火灾通风的数值模拟研究施孝增吴家正(1．上海市政设计研究总院(集团)有限公司；2．同济大学上海200092)摘要随着城市建设发展，竖井型隧道越来越多地应用于城市交通隧道中。本文采用稳态与非稳态方法对火灾工况下竖井型隧道的气流场进行了数值模拟，分析了竖井型自然通风口对高温烟气扩散的影响。研究认为，竖井自然通风口引入隧道外冷空气，显著降低火源端部温度，可在一定程度上减少高温烟气对火源处隧道顶板的破坏。通过竖井引入新风，显著降低火源附近的有毒气体

2、浓度，改善了火灾救援条件。火灾产生的有毒烟气由隧道洞口集中排放转变为竖井自然通风口分散排放，这对制定火灾救援、人员疏散方案有重要的指导作用。关键词竖井自然通风口火灾通风数值模拟随着国民经济的快速发展，城市隧道不断向大1数值模拟方法与计算模型而长方向发展，长三角地区在近1O年修建了数十条长度超过2km的大型城市隧道，上海还将建成长度基于杭州彩虹快速路工程滨江段隧道，建立隧约为18km的超大长城市地下隧道[1]。与此同时，道火灾的简化三维模型。为了模拟计算可能，需对隧道内火灾事故发生的危险性也日益上

3、升，尤其是实际情况进行一些假设：竖井型长大隧道，火灾工况下，受隧道内外热压、风(1)流体不可压缩。在隧道通风中，由于通风压的作用，空气流动状况复杂，因此了解火灾在竖压力在常压范围内，隧道内的温度和压力变化不大，流体体积的变化对计算精度的影响较小，因此井型长大隧道内的发展和烟雾的流动特点对隧道忽略流体体积变化。设计人员极为重要。茅靳丰等人对南京城东隧道(2)忽略交通风效应。在火灾工况情况下，火进行了火灾1：10比例火灾实验研究，分析了烟气源前面的车辆沿车行方向驶出隧道，火源后面的车温度、CO。浓度

4、分布变化规律和烟气运动规律[2]。辆停止，车内人员下车疏散，隧道交通风效应不龚延风等对全长约1770m的隧道进行了全尺寸实显著。体试验，得到了温度随时间、火源距离等的变化数(3)忽略隧道拐弯以及一些结构细部的影响，据_3]。火灾实验可以获取相应数据，但费用高昂。简化隧道模型[6]。随着计算技术的进步，采用数值模拟对隧道火灾进(4)忽略特大货车外表结构细部的影响，简化行预估的方法应用日趋广泛。李婷婷等基于秦岭火源车辆模型。终南山特长公路隧道，利用数值模拟方法对长大隧1．1数值模拟方法道内火灾燃烧特

5、性和气体散布规律进行了研究，并用商业流体力学软件Fluent对隧道火灾三维对不同火灾情况下通风措施和横向通道疏散方法模型内的烟雾流动和温度传递进行数值模拟，基于进行了优化[4]。朱培根等通过建立竖井型城市隧道雷诺平均(RANs)的CFD模拟在研究绕流和压力火灾CFD模型，得出了火灾工况下隧道内烟气在自分布时已有不少成功的算例[7]。标准k—e模型的然排烟模式下的流动规律_5]。工程应用得到了大量实践检验，精度可靠，且相对本文选取杭州彩虹快速路工程滨江段隧道为于大涡模拟等模型，其计算量也小很多。模

6、拟对象，建立了简化三维模型，采用稳态与非稳标准k—e模型的控制方程如下：态方法对隧道内火灾特性进行细致的数值模拟，分+div(~o)一div(Fgrad~o)+SP(1)析了竖井对烟气控制的影响，获得了火灾随时间的发展变化规律，对竖井型长大隧道内的火灾特性有上式中，p表示密度，t表示时间，表示速度矢了更为直观的认识。这有助于增强对竖井型隧道量，r表示变量的扩散系数，S表示变量的源火灾内在机理的了解，为优化疏散方案和火灾控制项。当取不同值时，上式可分别表示质量守恒、动手段提供指导。量守恒、能量守恒

7、方程，具体可参见文献[8]。·】0·施孝增等公路隧道钢拱架支护结构稳定性预判研究灾高温气流混合，显著降低火源端部温度，可在一言0定程度上减少高温烟气对火源处隧道顶板的破坏。。。(2)火灾产生的有毒烟气由隧道洞口集中排放xI鬣22。02220图21火灾发生9min末隧道中心纵断面CO浓度分布转变为竖井自然通风口分散排放，在隧道靠近洞口(K3+435～K3+550)位置一氧化碳浓度降低到安全范围内，这对制定火从图17～图21可知，热烟气从火源发生处向灾救援、人员疏散方案有重要的指导作用。通过竖上扩散

8、，在火源上方，受到了纵向强制风流的抑制井引入新风，显著降低了火源附近的有毒气体浓作用，热烟气流在此处被迫流向下游，且以较快速度，改善了火灾救援条件。度向下游蔓延。由于以临界风速通风，其通风的风(3)火灾工况下，火源产生的高温有毒烟气在量充足，烟气流向下游，即没有出现回流现象。纵向强制气流作用下，未发生回流，隧道司乘人员从图17～图21可知，在火灾发展初期，热气流可逆向隧道气流方向逃生。本隧道所设置的竖井紧贴拱顶蔓延，并不断被卷吸到隧道上部的烟气自然通风口方案可满足火灾情况下人员逃生中，而下部出现