人员逃生公路隧道火灾控制风速研究论文

分类号: U45 10710-2011221052 专业硕士学位论文 基于人员逃生公路隧道火灾控制风速研究 师 江 涛 导师姓名职称 夏永旭 教授 申请学位级别 硕士 专业学位类别 及领域名称 建筑与土木工程 论文提交日期 2013 年 6 月 2 日 论文答辩日期 2013 年 6 月 5 日 学位授予单位 长安大学 Study on the control of ventilation velocity of fire in highway tunnel based on the safety evacuation A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Shi Jiangtao Supervisor：Prof. Xia Yongxu Changan University, Xian, China I 摘 要 近年来，公路隧道建设蓬勃发展，隧道数量和里程不断增加，隧道长度不断突破， 在给公路交通创造有利条件的同时，隧道内各类事故隐患也不断增多，其中隧道火灾事 故更是时有发生。隧道内一旦发生火灾，隧道内的温度和烟气对人员安全有严重威胁， 稍有不慎将导致严重的人员伤亡和财产损失。因此，研究隧道火灾时人员逃生的控制风 速，在隧道消防安全中越来越重要。 首先， 本文参考国内外相关文献， 在分析目前常用多种热释放函数优缺点的基础上， 选用杨涛给出的公路隧道火灾火源热释放函数。其次，采用 CFD 数值模拟方法，对矩 形、圆形、马蹄形隧道在不同车道、不同火源热释放率及不同环境风速下火灾温度场和 烟气场的分布进行了研究分析，并采用修正后的克拉尼公式，对人员在火灾时的安全逃 生情况进行了研究。结果表明，对于矩形隧道，20MW 火灾时双车道的控制风速应不小 于 3m/s， 三、 四车道均不小于 2.5m/s， 30MW 火灾时不小于 3.5m/s； 对于圆形隧道， 20MW 火灾时不小于 3.5m/s，30MW 火灾时双车道不小于 4m/s，三、四车道均不小于 3.5m/s； 对于马蹄形隧道，20MW 火灾时均不小于 3.5m/s，30MW 火灾时双车道不小于 4m/s， 三、四车道均不小于 3.5m/s。 本文通过对不同隧道断面火灾研究，给出确保人员能够安全逃生的控制风速，为隧 道火灾应急救援预案的制定提供了有益的参考。 关键词：公路隧道，隧道火灾，热释放率，人员逃生，控制风速 II Abstract In recent years, with the highway tunnel construction booming, the number of tunnels and mileage increasing and the length of the tunnel continuing to make breakthroughs, favorable conditions of highway traffic are created, while different kinds of potential accidents have continued to increase, among which the tunnel fire accidents often occur. Once tunnel fire happens, the temperature and smoke will have a serious threat to personnel security, even the slightest mistake will cause death or serious casualties and property losses. Therefore, the research for the control ventilation velocity in the tunnel fire escape is increasingly important in the tunnel fire safety. Firstly, referring to the relevant literature, on the base of analyzing the advantages and disadvantages of various commonly used heat release function, the heat release function of highway tunnel fire given by Yang Tao is selected in this paper. Secondly, use the CFD numerical simulation method, for rectangular, circular, horseshoe-shaped tunnel in the different lanes, different heat release rate and different longitudinal ventilation velocity, to study and analyze the fire temperature field and the distribution of the smoke field. Finally, choose the control of tunnel smoke reflux and the correction of Cranee formula as a criterion, to research the conditions of fire evacuation. The results show that for rectangular tunnel , two-lanes control ventilation velocity for 20MW fire should not be less than 3 m/s, three-lane and four-lane not less than 2.5 m/s, while the 30MW fire all not less than 3.5 m/s; for circular tunnel, the control ventilation velocity for 20MW fire should not be less than 3.5 m/s, for 30MW fire two-lanes control ventilation volecity should not be less than 4 m/s, both three-lanes and four-lanes not less than 3.5 m/s; for horseshoe-shaped tunnel, the control ventilation velocity for 20MW fire should not be less than 3.5 m/s, while for 30MW fire two-lanes control ventilation volecity should not be less than 4 m/s, three-lanes and four-lanes not less than 3.5 m/s. This paper indicates different control ventilation volecity to ensure safe escape in the fire and provides a useful reference for the formulation of the tunnel fire emergency rescue plan by the study of tunnel fire for different tunnel section. Key words：highway tunnel, tunnel fire, heat release rate, personnel escape, control ventilation volecity III 目目 录录 第一章 绪 论 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.2.1 国外研究概况 . 3 1.2.2 国内研究概况 . 5 1.2.3 存在的问题 . 7 1.3 本文的研究方法与内容 . 7 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 8 2.1 火灾理论基础 . 8 2.1.1 隧道通风中的基本假设 8 2.1.2 流体动力学控制方程 8 2.1.3 求解条件 9 2.2 火灾热释放率 . 9 2.2.1 热释放率研究现状 10 2.2.2 本文采用的热释放率函数 14 2.3 人员逃生条件 . 15 2.4 本章小节 . 17 第三章 矩形隧道火灾控制风速研究 18 3.1 双车道 18 3.1.1 计算模型 18 3.1.2 模拟工况 18 3.1.3 模拟结果与分析 18 3.2 三车道 30 3.2.1 计算模型 30 3.2.2 模拟工况 31 3.2.3 模拟结果与分析 31 3.3 四车道 41 3.3.1 计算模型 41 3.3.2 模拟工况 41 3.3.3 模拟结果与分析 42 3.4 本章小结 48 第四章 圆形隧道火灾控制风速研究 50 IV 4.1 双车道 50 4.1.1 计算模型 50 4.1.2 模拟工况 50 4.1.3 模拟结果与分析 50 4.2 三车道 57 4.2.1 计算模型 57 4.2.2 模拟工况 57 4.2.3 模拟结果与分析 58 4.3 四车道 64 4.3.1 计算模型 64 4.3.2 模拟工况 65 4.3.3 模拟结果与分析 65 4.4 本章小结 72 第五章 马蹄形隧道火灾控制风速研究 73 5.1 双车道 73 5.1.1 计算模型 73 5.1.2 模拟工况 73 5.1.3 模拟结果与分析 73 5.2 三车道 . 80 5.2.1 计算模型 80 5.2.2 模拟工况 80 5.2.3 模拟结果与分析 81 5.3 四车道 . 88 5.3.1 计算模型 88 5.3.2 模拟工况 88 5.3.3 模拟结果与分析 89 5.4 本章小结 95 第六章 结论及建议 97 6.1 结论 97 6.2 进一步研究的建议 97 参考文献 98 致 谢 101 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景 在我国的地理、地形环境中，山地和丘陵占据了主要部分。公路隧道由于具有改善 线路线形、缩短行车里程、提高行车速度、提高车辆行驶的安全性和舒适性、节约土地 保护环境等众多优点，在公路交通建设中得到了大力的发展。近年来公路隧道的建设数 目以及里程均呈现出较快的发展趋势， 截止到 2011 年底， 我国已建成公路隧道 8522 座， 总长度达 6253.4 公里，其中特长隧道 326 座，总长度约 1433.2 公里，长隧道 1504 座， 总长度约 2518.4 公里1。表 1.1 和图 1.1 给出 2001 年以来我国每年隧道建设情况。 表表 1.1 2001 年以来年以来我国隧道的建设情况我国隧道的建设情况 已建公路隧道 特长隧道 长隧道 数量/座 里程/公里 数量/座 里程/公里 数量/座 里程/公里 2011 8522 6253.4 326 1433.2 1504 2518.4 2010 7384 5122.6 265 1138.0 1218 2020.8 2009 6139 3942.0 190 821.1 905 1500.7 2008 5426 3186.4 120 525.7 743 1226.2 2007 4673 2555.5 83 361.0 607 1001.1 2006 3788 1841.8 49 191.8 444 723.2 2005 2889 1527.0 43 165.9 381 625.1 2004 2495 1245.6 33 126.3 299 493.3 2003 2175 1001.0 27 99.7 242 385.6 2002 1972 835.0 21 75.9 194 305.2 2001 1782 705.0 18 66.0 155 242.0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 里 程/公里里 程/公里 年 份年 份 已 建 隧 道 特 长 隧 道 长 隧 道 图图 1.1 我国隧道的建设情况我国隧道的建设情况 随着我国公路建设事业的蓬勃发展， 隧道在数量、 里程和长度方面不断增加和突破， 其在给人们交通出行创造有利条件的同时，各类事故隐患也不断增多不断突显，其中隧 项 目 年 份 第一章 绪 论 2 道火灾事故更是此起彼伏， 时有发生。 表 1.2 统计了 2001 年以来我国部分隧道火灾事故 的发生原因和人员伤亡情况。 表表 1.2 2001 年来年来我国部分隧道火灾事故统计我国部分隧道火灾事故统计 序号 发生时间 隧道名称 发生地 人员伤亡 事故原因 1 2001.11 马道岭隧道 辽宁 12 死 6 伤 发电机起火 2 2002.1 猫狸岭隧道 浙江 无 发电机自燃 3 2003.7 燕居岭隧道 浙江 无 发电机起火 4 2003.9 试刀山隧道 河南 无 货物自燃 5 2005.1 飞鸾岭隧道 福建 8 伤 车轮着火 6 2006.3 温泉隧道 广东 无 轮胎起火 7 2006.5 响河隧道 甘肃 1 死 4 伤 追尾碰撞起火 8 2006.7 洋门岭隧道 福建 无 发电机自燃 9 2007.5 重庆大学城隧道 重庆 6 伤 自燃 10 2007.11 三狼岔隧道 陕西 3 伤 追尾碰撞起火 11 2008.4 女娘山隧道 湖北 无 碰撞起火 12 2008.5 大宝山隧道 广东 2 死 5 伤 追尾碰撞起火 13 2010.1 大溪岭隧道 浙江 无 轮胎起火 14 2010.7 惠山隧道 江苏 24 死 19 伤 客车起火 15 2010.10 朱家岩隧道 湖北 2 死 相撞起火 16 2011.4 七道梁隧道 甘肃 4 死 1 伤 追尾爆炸 17 2011.5 李家河三号隧道 陕西 2 死 侧翻起火 18 2011.6 石门隧道 陕西 4 死 4 伤 追尾碰撞起火 19 2011.12 飞鸾岭隧道 福建 无 追尾碰撞起火 20 2012.5 雪山隧道 台湾 2 死 31 伤 追尾碰撞起火 21 2013.3 朱家垭隧道 陕西 4 死 追尾碰撞起火 虽然隧道内火灾的发生是小概率事件，但是一旦发生，其所带来的后果是非常严重 的。由于隧道结构的复杂、空间的狭小、通风条件的限制、出入口数量的有限以及隧道 的长度，使得火灾事故持续的时间较长、影响范围较大、烟雾也难以排出，进而带来火 势扑救和人员疏散的困难；如果救援和处理不及时，往往会带来二次灾害，造成较大的 结构物破坏、经济损失、人员伤亡和恶劣的社会影响。图 1.2 列出了隧道火灾的特点。 长安大学硕士学位论文 3 隧道空间中封闭、狭长，火灾发生后容易发生爆炸 火灾发生时,隧道内能见度差，温度高，救援很困难 容易造成人员伤亡和重大的经济损失 人员、车辆的疏散工作十分困难 火灾发生的时间、地点、类型以及规模具有随机性 需投入的消防灭火力量多，扑救难度大 遇液化槽车泄露、塌方等严重事故，极易造成重大的 经济损失，政治影响大 隧 道 火 灾 的 特 点 图图 1.2 隧道火灾特点隧道火灾特点 纵向通风较大时 v 冷空气 无纵向通风 冷空气 v 纵向通风较小时 图图 1.3 不同纵向不同纵向风速下烟气分布风速下烟气分布 面对如此肆虐的隧道火灾，如何进行有效的控制手段，使人员能够安全逃离，首先 想到的是通过控制通风使火灾烟气、温度控制在有利条件下。图 1.3 给出不同的纵向通 风风速下隧道内烟气的分布规律：在无纵向通风风速时，隧道内火源上下游的烟气是相 对于火源位置对称分布的； 在纵向通风风速较小时， 有部分烟气会向火源上游逆流而去； 在纵向通风风速较大时，烟气将全部被抑制在火源的下游。能够使隧道内烟气不发生逆 流或有效地把烟气控制在火源下游的最小纵向通风风速，定义为临界风速。临界风速将 烟气有效控制，为火灾后人员的疏散提供了方便，对隧道的消防安全起到重要作用，得 到了国内外学者的广泛关注。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究概况 国外对隧道火灾的研究比较早，在这方面积累了丰富的经验，并取得了许多重要而 第一章 绪 论 4 有意义的成果。1965 年，瑞士在奥芬耐格隧道内进行了全尺寸火灾试验，对不同通风条 件下隧道内温度、烟气浓度和能见度进行了测量研究2；1968 年，Thomas3在一个风洞 内对临界风速进行了试验研究，分析试验数据得出了临界风速与火源热释放率的三分之 一次方成正比；1975 年，奥地利在 Zwenberg 隧道内进行了全尺寸火灾试验，研究了不 同火灾规模、不同通风方式条件下燃料燃烧速率、烟气流向和温度分布的情况4；1980 年，日本进行了 PWRI 隧道火灾试验，测试了纵向空气流速对需风量的影响；1985 年， 德国在盖尔森基兴隧道进行一系列火灾试验，得到了在不同通风方式和火灾荷载条件下 温度与时间的关系5；1996 年，Yasushi Oka 和 Graham T.Atkinson 在一条马蹄形隧道进 行了临界风速的试验研究和理论分析，并将火源热释放率和临界风速进行无量纲化，同 时研究了火源形状、位置、面积等因素对临界风速的影响，提出了无量纲临界风速的半 经验预测公式， 并对预测公式的适用性和广泛性进行了验证6； 同年G.T.Atkinson和Y.Wu 等人7在相同隧道模型中研究了坡度对临界风速的影响，并提出了临界风速的坡度修正 公式；1996 年，MTFVTP 实验项目在美国纪念碑公路隧道进行了全尺寸试验，研究了 在不同通风方式、20MW100MW 火源热释放率下温度场和速度场的分布，最终的试验 结果的临界风速要比半经验的临界风速预测公式的预测值大8 9；2000 年，Y.Wu 和 M.Z.A.Baker 等人10对不同截面形状和面积的隧道模型进行了临界风速的试验研究和理 论分析，得出：当火源热释放率较小时，临界风速与热释放率的三分之一次方成正比， 随着火源热释放速率的增加，临界风速将与火源热释放率无关，同时提出与水力直径相 关的临界风速预测公式；2003 年，在 UPTUN 框架下在挪威鲁内哈马公路隧道内，瑞典 国家试验与研究院、荷兰应用科学研究组织和挪威火灾研究实验室合作，对重型货运车 辆进行了大型综合火灾试验，对火灾后隧道内温度分布、隧道壁热负荷、临界风速以及 火势发展等进行了深入研究11 12。 随着科技的进步，计算机技术的不断发展和成熟，数值模拟在隧道火灾研究中起到 越来越重要的作用。19701975 年，美国布林克霍夫针对地铁环境开发了相应的火灾数 值模拟计算机程序； 英国火灾研究中心 Cox 等人应用计算流体力学使用有限差分法建立 了 JASMINE 数学模型来研究公路隧道火灾问题，该程序考虑通风条件和坡度对不同火 灾场景下的温度场分布和速度场分布进行了研究 13；1991 年，Fletcher.D.F 和 S.R.Bishop14采用 CFD 数值模拟方法对隧道内纵向通风条件下火势蔓延、温度分布、火 势发展等问题进行了研究；2000 年，M.Dobashi 和 T.Imai 等15采用数值模拟对火灾后横 向通风和纵向通风的效果进行了对比分析， 并将研究成果应用于 Higashiyama 隧道； 2002 长安大学硕士学位论文 5 年， 瑞士的J.P.Kunsch 设计出一种隧道火灾的简化计算模型用于预测纵向通风临界风速； 2003年， W.K.Chow16采用Phoenics软件对隧道不同通风排烟方式进行了比较研究。 2006 年， 韩国中央大学的 Sung Ryong Lee 和 Hong Sun Ryou17用 FDS 模拟了不同宽高比的条 件下纵向通风时隧道内烟气流动规律。 1.2.2 国内研究概况 就公路隧道火灾通风排烟和临界风速方面而言，国内的研究要比国外起步晚一些， 但是在国内研究者、学者的刻苦钻研下，取得了突飞猛进的发展，在试验研究和数值模 拟方面都获得了累累硕果。 1989 年，广州铁路局科研所和铁科院西南所在某个巷道内采用 1:3 的大尺寸模型， 对火灾后隧道的消防进行了试验研究和探讨；1998 年，依托大溪岭湖雾岭隧道，浙江 省交通规划设计研究院和交通部重庆公路科学研究所对隧道运营防灾问题采用 1:11 的 大尺寸模型进行试验研究，了解了火灾发生后在纵向通风情况下隧道内烟气的分布规律 18；2000 年，依托秦岭终南山公路隧道，西南交通大学杨其新、王明年等人19建立 1:10 公路隧道通风网络缩尺模型，对火灾展开试验研究，完善了隧道火灾发展过程各阶段的 划分，并对隧道火灾后纵向及横断面温度场和压力场的分布情况进行了研究；2004 年， 在云南昆石高速公路阳宗隧道、元墨高速公路大风垭口隧道和元江 1 号隧道中中国科学 技术大学胡隆华、 霍然等人20对火灾过程中烟气逆流长度及临界风速进行了全尺寸试验 研究，建立了两者相关的预测模型，并与 Y .Wu 和 M.Z.A. Sakar 的临界风速公式的预测 结果进行了对比；2006 年，广州大学周孝清等人21结合某地铁工程对不同隧道断面、 不同火灾工况下的临界风速进行了研究，对结果进行拟合得出了临界风速的预测公式， 并对预测公式的准确性进行了验证；2009 年，依托狮子洋水下隧道工程，中南大学徐志 胜等人22建立 1:9 缩尺村试验模型对烟气逆流情况和临界风速进行了研究，得到了在纵 向通风情况下隧道火灾后烟气逆流的规律、烟气逆流长度的关系式以及临界风速的变化 规律，进而提出了烟气逆流长度的预测公式、临界风速的预测公式以及坡度修正公式， 同时对预测公式的可用性进行了验证。 在隧道火灾数值模拟方面，国内研究起步比较晚，但进步快。目前国内对隧道火灾 进行数值模拟的单位有长安大学、中南大学、西南交通大学、清华大学、北京工业大学、 重庆公路研究院、 台湾中山大学、 香港理工大学等等， 使用程序 CFDesign、 CFX、 Fluent、 Phoenics、STAR-CD 等，研究了隧道火灾温度场、射流风机对火灾温度场的影响、烟气 的扩散规律、 隧道断面以及横通道竖井对火灾温度和烟雾扩散的影响等等。 具体有： 2004 第一章 绪 论 6 年，中国科学技术大学李元洲等23使用区域模拟软件 CFAST 和场模拟软件 FDS 对隧道 有无纵向通风条件下火灾烟气分布情况进行了模拟，结果表明在无纵向通风下二者的模 拟结果比较一致，而在有纵向通风条件下，场模拟受通风的影响比较大点，而区域模拟 对通风基本不敏感；2006 年，同济大学韩新、王克拾、李振兴等24采用 CFD 模拟软件 对大断面公路隧道火灾的温度和烟气的分布特性进行了研究，并对不同通风风速和烟道 板设置情况下火灾烟气分布情况进行了着重分析；2007 年，同济大学张旭、徐琳等25 利用 CFD 模拟软件研究了火源模型、环境温度、热释放率、断面形状和坡度对临界风 速的影响，并和已有的隧道火灾试验数据进行了对比，对比结果表明模拟结果与无量纲 临界风速预测结果保持了较好的一致性，并对 Kennedy 模型的不足之处提出了修正方 法；2007 年，中国科学技术大学胡隆华等26利用 FDS 对靠近边墙的公路隧道火灾临界 风速进行了研究，并得出边墙火灾的临界风速要比中心火灾的临界风速大；2009 年，中 南大学徐志胜等利用 FDS 对特长公路隧道的临界风速进行了研究，提出了临界风速的 预测公式和坡度修正公式，并对临界风速预测公式的适用性进行了验证；2009 年，中南 大学防灾科学与安全技术研究所和浙江省交通规划设计研究院27合作对特长公路隧道 纵向通风模式下独立排烟道系统进行了研究，通过 CFD 数值模拟手段对顶部独立排烟 道系统下，火灾烟气蔓延过程及温度分布规律进行了研究；2010 年，中南大学赵望达， 李洪等28以狮子洋隧道为背景，采用 CFD 对不同火源热释放率、不同通风风速、不同 坡度及不同断面当量直径情况下的火灾烟气逆流长度进行了数值模拟，并提出了相应的 临界风速计算公式；2011 年，中南大学周庆、徐志胜等29采用 FDS 数值模拟和缩尺寸 模型试验两种方法对临界风速与隧道坡度的关系进行分析, 二者结果保持了较好的一致 性，并得出无论在正坡度还是负坡度下临界风速都随着坡度增大而减小；2012 年，中南 大学的于年灏30采用 FDS 模拟软件对双车道公路隧道火灾进行了模拟，研究了火源热 释放率、火源位置、火源长度宽度、阻塞比、隧道坡度对临界风速的影响。 关于人员逃生，长安大学隧道工程安全研究所对公路隧道火灾在考虑温度、烟雾、 CO 时人员安全逃生进行了一系列的数值模拟计算研究，如周永狄31在硕士论文中模拟 分析了长大公路隧道发生火灾时的温度场，并对人员在高温环境下的逃生进行了研究； 卫巍32在硕士论文中模拟分析了公路隧道发生火灾时的烟雾场， 并对人员在烟雾条件下 的逃生进行了研究；要忠茹33根据温度和烟雾对人体伤害等效的原则，给出了温度和烟 雾浓度的等效公式；王东48依托厦门翔安海底隧道，以火灾时的温度和烟雾人员安全逃 生条件为判别准则， 提出对于20MW火灾保证人员安全逃生的最小控制风速不小于3m/s 长安大学硕士学位论文 7 和 30MW 时不小于 4m/s。 1.2.3 存在的问题 首先，隧道火灾一般是经历快速发展、保持稳定、缓慢下降的过程，在这期间，火 源的热释放率是随着时间不断变化的，而现有研究大多数取固定的热释放率，或者是火 源发展到稳定之后就保持在最大热释放率不再变化，这种对火源发展过程的处理相对比 较保守一些，这样会浪费很多资源。 其次， 现有文献对于临界风速的研究大多数是针对一种断面形式或两种断面形式进 行了研究，并没有现有的所有隧道断面形式进行研究。 虽然公路隧道通风照明设计规范 （JTJ026.1-1999）49中，沿袭美国矿业局的煤 矿火灾临界风速的概念， 规定 “采用纵向通风的隧道， 隧道内的换气风速不低于 2.5m/s” ， 在后边的条文说明中又提到“通常可取 2m/s-3m/s” 。纵向通风时隧道临界风速到底应该 取多少？不同的隧道断面和车道有什么样差别？临界风速只是为了将烟气控制在火灾 下游方向， 还是像文献48那样， 控制隧道内高温辐射， 为人员逃生创造较安全的条件？ 显然，有关公路隧道纵向通风临界风速还存在许多值得研究的问题。 1.3 本文的研究方法与内容 （1）以修正后的非稳态火源热释放率函数为基础，研究矩形、圆形、马蹄形隧道在 不同车道、不同热释放率、不同环境风速下的温度场和烟气场； （2）以人员逃生为判断条件，研究相应情况下保证人员安全逃生的控制风速。 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 8 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 2.1 火灾理论基础 2.1.1 隧道通风中的基本假设 隧道通风中把隧道内的空气假定为稳定流、连续介质并且具有不可压缩性，各个假 设的具体描述如表 2.1 所示 表表 2.1 隧道通风中的隧道通风中的基本基本假设假设 基本假设 具体表现 稳定流 流场中各种流动要素（如压力、流速）均不随时间变化 连续介质 流体质点充满占据整个空间的一种连续介质模型 不可压缩的 温度不变，流体体积和密度随所受压强的变化而变化。 2.1.2 流体动力学控制方程 流体动力学中流体要遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，在有组分 输运时还要满足组分守恒定律，下面逐一介绍。 （1）各守恒定律的基本概念，如表 2.2 所示。 表表 2.2 流体动力学流体动力学守恒定律守恒定律 名称 概念 质量守恒定律 流过一定空间之前流体的总质量=流过该空间之后流体的总质量 动量守恒定律 微元体动量随时间的变化率=该微元体所受的外力 能量守恒定律 微元体的能量的增加量=净热流通量+质量力做功+表面力做功 组分守恒定律 某种化学组分对时间的变化率=通过系统界面净扩散流量+化学反应产生该 组分的生产率 （2）各控制方程的具体表达形式 1）质量守恒方程 0 z w y v x u t （2.1） 2）动量守恒方程 分别沿x方向、y方向、z方向进行分解。 x方向上的动量方程： 长安大学硕士学位论文 9 u S x p z u zy u yx u x z uw y uv x uu t u )()()()( （2.2） y方向上的动量方程： v S y p z v zy v yx v x z vw y vv x vu t v )()()()( （2.3） z方向上的动量方程： w S z p z w zy w yx w x z ww y wv x wu t w )()()()( （2.4） 3）能量守恒方程 T ppp S z T C k zy T C k yx T C k x z wT y vT x uT t T )()()()( （2.5） 4）组分质量守恒方程 s s s s s s s ssss S z c D zy c D yx c D x z wc y vc x uc t c )()()( )()()()( （2.6） 2.1.3 求解条件 初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程和相应的初始条件和边 界条件构成对一个物理过程完整的数学描述。表 2.3 给出了隧道通风中求解条件的具体 设置。 表表 2.3 求解条件求解条件设置设置 求 解 条 件 初始条件 定常流动 0 t 非定常流 流场各点实时的流动参数 边界条件 进口条件 入口边界温度、速度、紊流动能及 动能耗散率 出口条件 出口不影响 壁面条件 壁面速度为 0 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 10 2.2 火灾热释放率 火灾的发展主要分为三个阶段34，主要是发展阶段、稳定阶段以及衰减阶段。如 图 2.1 是一个典型的火灾发展过程。图 2.2 介绍了火灾发展过程各阶段的特点。 图图 2.1 火灾的典型过程火灾的典型过程 热释放率达到最大值后，维持一定的时间稳定阶段 热释放率逐渐减小，直至将为0衰减阶段 火 灾 发 展 发展阶段热释放率逐渐增加，在较短时间内增加到最大值 图图 2.2 火灾发展各阶段火灾发展各阶段特点特点 2.2.1 热释放率研究现状 （1）热释放率 目前，火源模型可分为两种，稳态火源和非稳态火源。顾名思义，稳态火源是指放 热量为常数的火源，非稳态火源是指放热量随时间变化的火源。对于非稳态火源，热释 放速率是一个重要的衡量参数。 火灾热释放率的大小直接决定了火灾过程中能量释放的快慢与多少。 在模拟火灾发 展过程中隧道内温度变化、烟气的分布、压力的分布等等一系列的问题，都是在确定的 火灾热释放率下进行计算的。因此，如果能够准确的确定火源的热释放率，对于隧道的 运营安全、火灾时人员的安全逃生的研究有重大意义。 国内外学者通过大量的实验和试验，以及对火灾事故的调查分析总结，对不同的火 灾规模，给出了相应的热释放率：表 2.4 为 PIARC 对不同类型火灾场景的推荐值，表 2.5 为赫塞尔登火灾规模，表 2.6 为国外文献给出的不同场景火灾最高温度，表 2.7 为荷 兰给出的纵向通风下隧道的火灾热释放率及相应场景。 长安大学硕士学位论文 11 表表 2.4 PIARC 对不同类型火灾场景的推荐值对不同类型火灾场景的推荐值35 火灾类型 小轿车 3 辆小轿车 货车 重型卡车 油罐车 总热释放率（MW） 4 8 15 30 100 烟雾流速（m3/s） 20 30 50 80 200 表表 2.5 赫赫塞尔登火灾规模塞尔登火灾规模36 火源 产生热量（MW） 火灾规模 汽车（小客车） 3 小型 货运汽车 10 中型 卡车或公共汽车 20 中型 泄漏汽油的油罐车 50100 大型 表表 2.6 国外文献给出的不同场景火灾最高温度国外文献给出的不同场景火灾最高温度37 车辆类型 最高温度（） 最大热量释放率（MW） 轿车 400-500 35 公共汽车或有轨车辆 700-800 1520 大货车或油罐车 1000-1200 50100 火车车厢 800-900 1520 表表 2.7 荷兰纵向通风隧道的火灾热释放率及场景荷兰纵向通风隧道的火灾热释放率及场景38 火灾规模 热释放率 （MW） 火灾场景 备注 小型火灾 6 1、1 辆小轿车完全燃烧 2、估计火灾持续时间：25min 3、火源几米内烟雾温度低于 150 4、风速为 1.5m/s 5、如果增压机火灾时完好，小型维修就可以 6、火源几米内就可以进行灭火 7、对隧道内部损坏不大 8、墙壁呈煤烟色得很少 中型火灾 100 1、装载木材的货车完全燃烧 2、距火源 50 米的烟雾温度高达 800风速 1.5m/s 3、穿着消防服能在距离火源 20 米出灭火 4、隧道内部有损坏，呈烟灰色预计火灾下游 150300 米出有增压机掉落 城市隧道或禁止 危险货物运输的 二级公路 大型火灾 300 1、50m3汽油的油罐车完全完全燃烧 2、估计火灾的持续时间为 2h 3、当风速增至 3m/s 时候、且穿着消防服能 在距离火源 1020 米处灭火 4、可考虑使用水枪 5、在下游 20 米出烟雾温度高达 1400 6、火灾下游 300500 米处的增压机都受到 损坏 7、 火灾下游很大距离的隧道内部受到较大的 损坏，当风速较大时，距离更长。 用于危险货物运 输的隧道普通标 准 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 12 （2）热释放率函数研究 对于热释放率函数研究方面，国内外做了许多相关的研究，其中比较常用的有以下 三种：线性增长模型、平方增长模型和指数增长模型。 1）线性增长模型 线性增长模型是由法国学者提出的。主要将火灾的整个过程分为三个阶段：火灾发 展阶段、 稳定阶段以及下降阶段， 且各个过程均采用直线进行描述， 其具体形式如图 2.3。 法国给出的热释放率-时间变化图 0 5 10 15 20 25 30 35 0102030405060708090 100 110 120 TIME（MIN） FIRE SIZE(MW) 5MW 15MW 30MW(无载重货物） 30MW(有载重货物） 图图 2.3 法国对于不同火灾场景热释放率曲线（法国对于不同火灾场景热释放率曲线（CETU，2003a）39 2）平方增长模型39 40 平方增长模型同样也是将火灾的发展分为三个阶段，发展阶段平方增长、稳定阶段 保持恒定、下降阶段指数下降，其数学模型函数如表 2.8。 表表 2.8 平方增长模型平方增长模型 火灾热释放率平方增长模型 热释放率数学模型 时间 2 atHRR max 0tt 2 max atHRR d ttt max )( max tdta eQHRR ttd 其中：tmax是火灾达到最大热释放率的时间；td维持最大热释放率的时间；Qmax火灾最大 热释放率；HRR火灾的热释放率。 3）指数增长模型41 42 指数增长模型主要有燃料控制、通风控制两种模型，具体以下介绍。 燃料控制的火源热释放率模型 1 max (1) k tnk t HRRQn ree (2.7) 式中： max Q 最大热释放率；r、k根据实际条件定出的变量；n选取的变量，无物理 意义。 长安大学硕士学位论文 13 通风控制的火源热释放率模型 10 /10 /7 /7 /720 max(18.96 (1)37.59(1) dddd t tt tt tt t HRRQeeee (2.8) 式中： max Q 最大热释放率； d t火灾的持续时间。 对于这三种比较常用的热释放率曲线，各有各自的优缺点见表 2.9 表表 2.9 线形、指数以及平方模型的线形、指数以及平方模型的优缺点优缺点 模型 优点 缺点 线性模型 简单明了，大体反映全过程 与实际偏差过大 指数模型 给出了不同控制条件下的热释放率数 学模型 模型复杂 平方模型 形式简单，简单确定 此外，国内也有相关的学者对非稳态火灾进行了广泛的研究，在防灾领域中比较采 用 2 t型的火源热释放率曲线，其具体的表达形式如下： 2 Qa t (2.9) 式中：Q火灾功率，kw；a增长系数， -2 kw s ；t燃烧时间，s。 在 2 t型的火源热释放率曲线中引入了增长时间 g t，即火灾发展到功率为 1055kw所 需的时间。按 g t的长短可分为慢速、中速、快速以及极快四种43，具体情况见表 2.10， 相应的热释放率曲线如图 2.4 所示。 表表 2.10 t2型非稳态火灾分类表型非稳态火灾分类表 类型 慢速 中速 快速 极快 增长系数a/ kws-2 0.002931 0.01127 0.04689 0.1878 增长时间tg/s 600 300 150 75 / / 慢速 中速 快速极快 图图 2.4 2 t型火源热释放率型火源热释放率曲线曲线 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 14 2.2.2 本文采用的热释放率函数 本文将采用的是长安大学杨涛44硕士论文中依据火荷载误差最少的原理，对 Ingason.H 的改进数学模型。以下是针对其不同火灾工况下的热释率曲线。 （1）小轿车（5MW）火源热释放率函数和热释放率曲线 2 1 2 - 0 . 0 7 5- 9 . 5 3 = 0 . 1 26 . 5 mi n = 56 . 59 . 5 mi n = 5 e9 . 51 2 0 mi n t fttt Qftt ftt （） （） （） （） （） （） （） （2.10） 0 1 2 3 4 5 6 020406080100120140 时间(min) MW 5MW热释放曲线 拟合曲线 图图 2.5 5MW 火源热释放率曲线火源热释放率曲线 （2）大客车（20MW）火源热释放率函数和热释放率曲线 2 1 2 -0.04-13.5 3 =0.476.5min =206.513.5min =20e13.5120min t f ttt Qftt f tt （） （） （） （） （） （） （） （2.11） 0 5 10 15 20 25 020406080100120140 时间(min) MW 20MW热释放曲线 分段拟合 图图 2.6 20MW 火源热释放率曲线火源热释放率曲线 长安大学硕士学位论文 15 （3）无载重货车（30MW）火源热释放率函数和热释放率曲线 2 1 2 -0.04-13.5 3 =0.716.5min =306.513.5min =30e13.5120min t f ttt Qftt f tt （） （） （） （） （） （） （） （2.12） 图图 2.7 30MW 的热释放曲线的热释放曲线 对于以上几种火源热释放率曲线各阶段所持续的时间如表 2.11 所示。 表表 2.11 不同火灾场景对应的火灾热释放率不同火灾场景对应的火灾热释放率 热释放率 （MW） 增长时间 (min) 持续时间 (min) 下降时间 (min) 火灾持续时 间(min) 火荷载 (GJ) 5 6.5 3 110.5 120 5.2 20 6.5 7 106.5 120 42.96 30 6.5 7 106.5 120 65.99 2.3 人员逃生条件 公路隧道由于其封闭性，在火灾发生后其热量不容易散失，空气温度可能会达到几 百度或者几千度，高温空气对人体具有较强的危害性。在高温环境中，人员会感觉到口 干舌燥、软弱无力，接着思维活动受到干扰而行动减慢，进而眩晕，严重时会出现昏迷 休克。而火灾温度对人体影响的重要指标是人体表面所能够承受的热荷载值，这就与隧 道的纵向通风风速有关了，有研究已经表明：纵向风速为 24m/s，人体皮肤所能够承受 的极限热荷载温度高于 300，然而在静止空气条件下则为 100。火灾发生后，人体 皮肤承受的热荷载临界值、人员与火源的距离、隧道纵向通风风速，三者之间存在的相 关关系45，如图 2.8 所示。 第二章 隧道火灾热释放率及人员逃生条件 16 一度烧伤 150米 200米 300米 400米 火灾开始前纵向风速 （ / ） 热量 （ / ） 图图 2.8 不同情况下不同情况下人体皮肤人体皮肤所能承受所能承受的热荷载的热荷载临界临界值值 火灾后，高温对人体的威胁是众所周知的。表 2.12 参考文献46给出了不同温度下 人员所能够忍受的极限时间。 表表 2.12 高温下人能够忍受的时间高温下人能够忍受的时间 温度（） 极限忍受时间（min） 120 15 140 5 170 1 300-400 片刻也不能停留 克拉尼给出了健康着装成年男子的极限忍受时间与温度之间的克