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自然风对城市自然通风隧道火灾温度场的影响

文章来源:/  2018年05月12日  点击数:700

1 隧道简介及测点布置

1.1 隧道简介

南京城东干道隧道包含白下路(890 m)和龙蟠中路(1410 m)2 段,每段隧道均含 3 种结构形式:位于隧道进出口的敞开段、顶部开口的半敞开段和顶部封闭的暗埋段。由于龙蟠中路段隧道较长,故其成为火灾研究的重点。火源位置设在其最长暗埋段的中央,取前后各 250 m 建立隧道模型,模型包含了火源前后各5组竖井。为了更精确地计算烟气流动规律,特在模型隧道两侧各加了250 m 的引道。

2.2 测点布置

本文中模型的各测点布置如图1和图2 所示。图2仅为隧道一侧的测点纵向布置示意图。隧道此侧的测点与另一侧的测点是以火源点为中心对称布置。

2 模型的验证

“城市隧道竖井型自然通风与防排烟研究”课题组对中山东路隧道进行了火灾模拟实验、现场火灾实验和火灾模型实验,得到了大量珍贵的实验数据和结果。现把FDS火灾模拟数据与现场火灾实验数据做对比,验证模型的准确性。

以隧道内的温度分布为例,本次数值模拟中,记录了上游5 m、15 m、35 m、55 m 和下游5 m、15 m、35 m、45 m、55 m、65 m、75 m、85 m、100 m、120 m 处拱顶下方 0.5 m处的烟气温度,时间间隔为30 s,数值模拟与实验记录点一致。

从图3中可以看出,模拟结果与实验结果虽存在一些差异,模拟结果和实验结果的温度分布规律基本一致,各测点处温度随时间的变化总体趋于一致,这说明本文所采用的FDS模型可以较好地预测隧道火灾温度场的变化。

3 风速风向不同对火灾烟气温度场的影响

3.1 火灾模拟工况设置

本文对表1所示的9 种工况进行模拟,其中风速的选取考虑了南京市气象条件:夏季平均风速2.62 m/s,冬季平均风速2.2 m/s,最大风速8m/s。风向见图4。表中9 种工况的火灾强度为10MW,环境温度为 10 ℃。

3.2 温度随时间的变化

图5和图6分别为隧道顶部测点D3和D-3处各种工况下温度随时间的变化曲线。从图5和图 6中可以看出,在火灾发展阶段,当隧道外存在x方向和xy 风向的自然风时,火区下游隧道顶部温度将比无风时先升高,且在此阶段隧道顶部气体温度始终高于无风时,火区上游则相反。而存在y方向自然风时,火区上游和下游隧道顶部温度升高速度与无风时基本相同。这是由于隧道外自然风使隧道内气体产生流动,且方向与隧道外相同,这种自然风分别加快和延缓了烟气向火区下游和上游的扩散,使烟气分别率先和滞后扩散至下游和上游各测点处,而隧道外存在y方向的自然风时隧道内不会形成纵向自然风,故温度升高时间与无风时相同。

从图5 和图6 中还可以看出,当火灾进入稳定阶段时,对于火区下游,当存在x方向和xy方向的自然风时,无风时温度低于有风时,并且存在x方向自然风时的温升速度比存在 xy 风向时大,火区上游则相反。这是因为存在相同速度的x方向和xy方向自然风时,xy方向自然风的x方向速度分量小于 x 方向,因此在火区下游相同风速的 x方向自然风与 xy 方向的相比,能更快的将火区的烟气传递至下游各测点,在火区上游x方向自然风将对烟气的传递产生更强阻滞。在稳定阶段存在y方向自然风时,无论火区上游还是下游,无风和有风时的温度升高速度基本相同。

3.3 纵向温度场的分布

图7 为火灾发生 900s 时,各工况下隧道顶部烟气温度纵向分布图。从图 7 可以看出,各有风工况下火灾烟气纵向温度分布规律与无风时基本相同,在暗埋段服从指数衰减,在竖井段服从线性衰减;除工况 7 外,有风工况在测点D1 处的温度都低于无风工况,这是由于外界风使隧道内气体流动,增加了火源羽流的卷吸量,使火源周围的烟气温度低于无风时火源周围的烟气温度;随着远离火源,有风与无风时温差逐渐减小,到D2处已基本相等。从图7(a)可以看出,x 风向各工况火区下游隧道顶部烟气温度除 D1 点外,都比火区上游对称测点温度高,表明存在x方向的自然风时,火区下游隧道顶部纵向温降比火区上游小,且蔓延的范围比上游大;从图中还发现,火区下游D3 到 D10 段,风速越大烟气温度越高,火灾烟气在火区下游的影响范围也越大。从图7(b)可以看出,除 D1 点外,工况4和工况 5火区下游隧道顶部各测点烟气温度比火区上游对称测点高,工况6则相反。这表明当存在一定xy 方向自然风时,火区下游烟气比上游蔓延的范围大,但当风速超高某值后情况相反。同时发现相同测点处工况 5 的温度高于工况 4,这表明风速越大,其在火区下游的影响范围也越大。从图7(c)可以看出,工况 8 火区上游的各点比下游对称测点的温度高,且烟气在火区上游的扩散范围大,工况 9 相反。

3.4 横向温度分布

图8、图9、图10和图11分别为火灾发生900s时火区下游和上游距离火源60 m 和 136 m(第一组竖井与第二组竖井之间)处隧道顶部(5.5 m)气体温度横向分布曲线。从各图的对比可以发现,无论在60 m 还是 136 m 处,无论有风还是无风工况,隧道火区上游和下游烟气温度横向分布规律相同,都是竖井侧烟气温度低于无竖井侧烟气温度,并且136 m 处温差比60 m 处大。

4 结论

本文利用火灾模拟软件FDS对各种风速风向条件下竖井型自然通风城市隧道火灾工况进行了模拟,并对各种条件下的模拟数据进行了对比分析,主要得出以下结论:

(1)在火灾发展阶段,当隧道外存在 x 方向和 xy 风向的自然风时,隧道火区下游隧道顶部温度将比无风时先升高,对于火区上游则相反。

(2)当火灾进入稳定阶段后,当存在 x 方向和 xy 方向的自然风时,在火区下游无风时温度低于有风时,并且存在x风向自然风时的温度升高速度大于存在xy 风向时的温度升高速度,对于火区上游则相反。

(3)存在 y 方向自然风时,在火灾的发展和稳定阶段,无论是火区上游还是下游,无风和有风时的温度升高速度基本相同。

(4)各种有风工况下火灾烟气纵向温度分布规律与无风工况下基本相同,在隧道暗埋段服从指数衰减,在竖井段服从线性衰减。并且无论有风工况还是无风工况,火源两侧的纵向温度场均不对称。

(5)无论有风工况还是无风工况,隧道火区上游和火区下游隧道顶部烟气温度横向分布规律均相同,都是竖井侧烟气温度低于无竖井侧烟气温度,并且随着与竖井的接近,两者间的温差增大,可见隧道内烟气温度横向分布受隧道结构影响较大。



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