尹海钦

摘要：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]、于年灏[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線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HRR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）。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、火源单位面积热释放速率和隧道曲率半径这三个参数对隧道火灾进行数值模拟，以确定烟气分布特性。此外我国公路隧道的纵向通风速度普遍为2～4m/s[12]。考虑到较低的通风速度能够使火灾烟气发展更完整，易于观察并减少误差，此外为了模拟现实射流风机可能存在的功率损失，遂将通风速度设置为1.7m/s，具体工况设置如表1。

（六）网格设置

二、模拟结果及分析

根据表1的模拟工况得出的结果如3所示，可以看出在火源长度和火源功率固定的情况下，直线隧道与曲线隧道中烟气逆流长度都随着火源宽度的上升和单位热释放速率下降而下降，与冯凯、于年灏研究结果一致。

从图4可以看出，火源宽度越宽，火源单位热释放速率越小会导致火源偏转角显著增加，火焰向后倾斜，迫使烟气撞击顶棚的位置越偏向火源下游，从而使得烟气逆流距离减少。当火源宽度为2.5m时，直线隧道和曲线隧道火焰形态有比较明显的倾斜；而当火源宽度增加至5m时，两条隧道中的火焰形态都已经严重倾斜，基本趋于贴地。在火源宽度相同的情况下，曲线隧道的火焰形态倾斜要略微低于直线隧道，这是由于曲线隧道中壁面会给通风造成额外的沿程阻力，导致到达火源处的风速降低，从而使得火源形态的倾斜减小。

其中在火源宽度相同的条件下，直线隧道的烟气逆流长度均高于曲线隧道中的烟气逆流长度，这与前人研究得到的趋势一致，由于曲线隧道的壁面会导致额外的沿程阻力，最终使烟气逆流距离减少。

但从图5可以得出，随着火源宽度的增加和单位热释放速率的下降，直线隧道和曲线隧道的烟气逆流距离差不断地减小。这是由于曲线隧道的壁面给烟气的扩散和通风都造成了额外的沿程阻力，当火源宽度较低时，壁面给火源扩散造成的阻碍起主导作用，所以曲线隧道的烟气逆流距离小于直线隧道；然而随着火源宽度的增大，由于单位面积热释放速率的随之降低，导致烟气扩散速率的减慢，此时壁面给火源扩散造成的阻碍就会相应地减少，给通风造成的阻碍就会成为主导，曲线隧道的烟气逆流长度会逐渐接近直线隧道。因此总体上曲线隧道烟气逆流长度具有随着火源宽度的增加而减小的趋势，但是和直线隧道相比逆流长度仍然较短。

结语

本文通过对直线和曲线隧道中相同热释放速率、相同长度、相同纵向通风速度下不同火源宽度、单位面积热释放速的火源烟气逆流长度进行了数值模拟研究。结果显示，火源烟气逆流长度随着火源宽度的增加以及单位面积热释放速率的减小而减小；相同火源宽度和单位面积热释放速率的情况下，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和单位热释放速率的下降，曲线隧道的烟气逆流长度越来越接近直线隧道。

参考文献

[1]交通运输部.2022年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].2023-06-21.

[2]杨黎，杨莹莹，韦良文，等.公路隧道机械排烟效果影响因素研究综述[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版）， 2019，41（05）：479-484.

[3]钟喆.阿尔卑斯山的地下惨剧，法国与意大利的勃朗峰公路隧道发生特大火灾[J].上海消防，1999（05）：34-35.

[4]高东丽.纵向通风隧道火灾烟气蔓延及控制的实验研究[D].西南交通大学，2021.

[5]Thomas P H. The movement of buoyant fluid against a stream and the venting of underground fires[J].Fire Safety Science，1958：351.

[6]Weng M C， Lu X L， Liu F，et al. Prediction of backlayering length and critical velocity in metro tunnel fires[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2015， 47： 64-72.

[7]Weng M， Lu X， Liu F，et al. Study on the critical velocity in a sloping tunnel fire under longitudinal ventilation[J].Applied Thermal Engineering， 2016，94：422-434.

[8]馮凯.火源尺寸对地铁隧道火灾临界风速的影响[J].消防科学与技术，2013，32（08）：860-863.

[9]于年灏.双车道公路隧道火灾临界风速变化规律研究[D].中南大学，2012.

[10]徐柳.曲线区间隧道纵向通风火灾烟气逆流长度研究[D].重庆大学，2019.

[11]Zhang， S， Yang， H， Yao， Y，et al.Numerical Investigation of Back-Layering Length and Critical Velocity in Curved Subway Tunnels with Different Turning Radius[J].Fire Technol，2017，53：1765–1793.

[12]李建，史聪灵，李昀松，等.隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延影响机制研究[J].中国安全生产科学技术，2020，16（07）：36-42.

[13]Baum H， McCaffrey B. Fire induced flow field–theory and experiment[J].Fire Safety Science–proceedings of the Second International Symposium， 1989：129–148.