1?隧道簡介及測點(diǎn)布置

1.1?隧道簡介

南京城東干道隧道包含白下路（890 m）和龍?bào)粗新罚?410 m）2?段，每段隧道均含?3?種結(jié)構(gòu)形式：位于隧道進(jìn)出口的敞開段、頂部開口的半敞開段和頂部封閉的暗埋段。由于龍?bào)粗新范嗡淼垒^長，故其成為火災(zāi)研究的重點(diǎn)?；鹪次恢迷O(shè)在其最長暗埋段的中央，取前后各?250 m?建立隧道模型，模型包含了火源前后各5組豎井。為了更精確地計(jì)算煙氣流動(dòng)規(guī)律，特在模型隧道兩側(cè)各加了250 m?的引道。

2.2?測點(diǎn)布置

本文中模型的各測點(diǎn)布置如圖1和圖2?所示。圖2僅為隧道一側(cè)的測點(diǎn)縱向布置示意圖。隧道此側(cè)的測點(diǎn)與另一側(cè)的測點(diǎn)是以火源點(diǎn)為中心對(duì)稱布置。

2?模型的驗(yàn)證

“城市隧道豎井型自然通風(fēng)與防排煙研究”課題組對(duì)中山東路隧道進(jìn)行了火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場火災(zāi)實(shí)驗(yàn)和火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)，得到了大量珍貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。現(xiàn)把FDS火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

以隧道內(nèi)的溫度分布為例，本次數(shù)值模擬中，記錄了上游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?處拱頂下方?0.5 m處的煙氣溫度，時(shí)間間隔為30 s，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)記錄點(diǎn)一致。

從圖3中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖存在一些差異，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的溫度分布規(guī)律基本一致，各測點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化總體趨于一致，這說明本文所采用的FDS模型可以較好地預(yù)測隧道火災(zāi)溫度場的變化。

3?風(fēng)速風(fēng)向不同對(duì)火災(zāi)煙氣溫度場的影響

3.1?火災(zāi)模擬工況設(shè)置

本文對(duì)表1所示的9?種工況進(jìn)行模擬，其中風(fēng)速的選取考慮了南京市氣象條件：夏季平均風(fēng)速2.62 m/s，冬季平均風(fēng)速2.2 m/s，最大風(fēng)速8m/s。風(fēng)向見圖4。表中9?種工況的火災(zāi)強(qiáng)度為10MW，環(huán)境溫度為?10?℃。

3.2?溫度隨時(shí)間的變化

圖5和圖6分別為隧道頂部測點(diǎn)D3和D-3處各種工況下溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖5和圖?6中可以看出，在火災(zāi)發(fā)展階段，當(dāng)隧道外存在x方向和xy?風(fēng)向的自然風(fēng)時(shí)，火區(qū)下游隧道頂部溫度將比無風(fēng)時(shí)先升高，且在此階段隧道頂部氣體溫度始終高于無風(fēng)時(shí)，火區(qū)上游則相反。而存在y方向自然風(fēng)時(shí)，火區(qū)上游和下游隧道頂部溫度升高速度與無風(fēng)時(shí)基本相同。這是由于隧道外自然風(fēng)使隧道內(nèi)氣體產(chǎn)生流動(dòng)，且方向與隧道外相同，這種自然風(fēng)分別加快和延緩了煙氣向火區(qū)下游和上游的擴(kuò)散，使煙氣分別率先和滯后擴(kuò)散至下游和上游各測點(diǎn)處，而隧道外存在y方向的自然風(fēng)時(shí)隧道內(nèi)不會(huì)形成縱向自然風(fēng)，故溫度升高時(shí)間與無風(fēng)時(shí)相同。

從圖5?和圖6?中還可以看出，當(dāng)火災(zāi)進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)，對(duì)于火區(qū)下游，當(dāng)存在x方向和xy方向的自然風(fēng)時(shí)，無風(fēng)時(shí)溫度低于有風(fēng)時(shí)，并且存在x方向自然風(fēng)時(shí)的溫升速度比存在?xy?風(fēng)向時(shí)大，火區(qū)上游則相反。這是因?yàn)榇嬖谙嗤俣鹊膞方向和xy方向自然風(fēng)時(shí)，xy方向自然風(fēng)的x方向速度分量小于?x?方向，因此在火區(qū)下游相同風(fēng)速的?x方向自然風(fēng)與?xy?方向的相比，能更快的將火區(qū)的煙氣傳遞至下游各測點(diǎn)，在火區(qū)上游x方向自然風(fēng)將對(duì)煙氣的傳遞產(chǎn)生更強(qiáng)阻滯。在穩(wěn)定階段存在y方向自然風(fēng)時(shí)，無論火區(qū)上游還是下游，無風(fēng)和有風(fēng)時(shí)的溫度升高速度基本相同。

3.3?縱向溫度場的分布

圖7?為火災(zāi)發(fā)生?900s?時(shí)，各工況下隧道頂部煙氣溫度縱向分布圖。從圖?7?可以看出，各有風(fēng)工況下火災(zāi)煙氣縱向溫度分布規(guī)律與無風(fēng)時(shí)基本相同，在暗埋段服從指數(shù)衰減，在豎井段服從線性衰減；除工況?7?外，有風(fēng)工況在測點(diǎn)D1?處的溫度都低于無風(fēng)工況，這是由于外界風(fēng)使隧道內(nèi)氣體流動(dòng)，增加了火源羽流的卷吸量，使火源周圍的煙氣溫度低于無風(fēng)時(shí)火源周圍的煙氣溫度；隨著遠(yuǎn)離火源，有風(fēng)與無風(fēng)時(shí)溫差逐漸減小，到D2處已基本相等。從圖7（a）可以看出，x?風(fēng)向各工況火區(qū)下游隧道頂部煙氣溫度除?D1?點(diǎn)外，都比火區(qū)上游對(duì)稱測點(diǎn)溫度高，表明存在x方向的自然風(fēng)時(shí)，火區(qū)下游隧道頂部縱向溫降比火區(qū)上游小，且蔓延的范圍比上游大；從圖中還發(fā)現(xiàn)，火區(qū)下游D3?到?D10?段，風(fēng)速越大煙氣溫度越高，火災(zāi)煙氣在火區(qū)下游的影響范圍也越大。從圖7（b）可以看出，除?D1?點(diǎn)外，工況4和工況?5火區(qū)下游隧道頂部各測點(diǎn)煙氣溫度比火區(qū)上游對(duì)稱測點(diǎn)高，工況6則相反。這表明當(dāng)存在一定xy?方向自然風(fēng)時(shí)，火區(qū)下游煙氣比上游蔓延的范圍大，但當(dāng)風(fēng)速超高某值后情況相反。同時(shí)發(fā)現(xiàn)相同測點(diǎn)處工況?5?的溫度高于工況?4，這表明風(fēng)速越大，其在火區(qū)下游的影響范圍也越大。從圖7（c）可以看出，工況?8?火區(qū)上游的各點(diǎn)比下游對(duì)稱測點(diǎn)的溫度高，且煙氣在火區(qū)上游的擴(kuò)散范圍大，工況?9?相反。

3.4?橫向溫度分布

圖8、圖9、圖10和圖11分別為火災(zāi)發(fā)生900s時(shí)火區(qū)下游和上游距離火源60 m?和?136 m（第一組豎井與第二組豎井之間）處隧道頂部（5.5 m）氣體溫度橫向分布曲線。從各圖的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，無論在60 m?還是?136 m?處，無論有風(fēng)還是無風(fēng)工況，隧道火區(qū)上游和下游煙氣溫度橫向分布規(guī)律相同，都是豎井側(cè)煙氣溫度低于無豎井側(cè)煙氣溫度，并且136 m?處溫差比60 m?處大。

4?結(jié)論

本文利用火災(zāi)模擬軟件FDS對(duì)各種風(fēng)速風(fēng)向條件下豎井型自然通風(fēng)城市隧道火災(zāi)工況進(jìn)行了模擬，并對(duì)各種條件下的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）在火災(zāi)發(fā)展階段，當(dāng)隧道外存在?x?方向和?xy?風(fēng)向的自然風(fēng)時(shí)，隧道火區(qū)下游隧道頂部溫度將比無風(fēng)時(shí)先升高，對(duì)于火區(qū)上游則相反。

（2）當(dāng)火災(zāi)進(jìn)入穩(wěn)定階段后，當(dāng)存在?x?方向和?xy?方向的自然風(fēng)時(shí)，在火區(qū)下游無風(fēng)時(shí)溫度低于有風(fēng)時(shí)，并且存在x風(fēng)向自然風(fēng)時(shí)的溫度升高速度大于存在xy?風(fēng)向時(shí)的溫度升高速度，對(duì)于火區(qū)上游則相反。

（3）存在?y?方向自然風(fēng)時(shí)，在火災(zāi)的發(fā)展和穩(wěn)定階段，無論是火區(qū)上游還是下游，無風(fēng)和有風(fēng)時(shí)的溫度升高速度基本相同。

（4）各種有風(fēng)工況下火災(zāi)煙氣縱向溫度分布規(guī)律與無風(fēng)工況下基本相同，在隧道暗埋段服從指數(shù)衰減，在豎井段服從線性衰減。并且無論有風(fēng)工況還是無風(fēng)工況，火源兩側(cè)的縱向溫度場均不對(duì)稱。

（5）無論有風(fēng)工況還是無風(fēng)工況，隧道火區(qū)上游和火區(qū)下游隧道頂部煙氣溫度橫向分布規(guī)律均相同，都是豎井側(cè)煙氣溫度低于無豎井側(cè)煙氣溫度，并且隨著與豎井的接近，兩者間的溫差增大，可見隧道內(nèi)煙氣溫度橫向分布受隧道結(jié)構(gòu)影響較大。