（环境工程专业论文）横向通风隧道烟气控制系统研究.pdf

摘要 摘要 随着交通业的迅速发展，世界上建成了越来越多的隧道。隧道给人们带来 便利交通的同时，也给火灾防治带来了许多新问题。近年来世界各地发生的群 死群伤的隧道火灾表明，隧道火灾虽然是一种小概率事件，但其一旦得不到有 效控制的话，将给人们带来灾难性的损失。统计结果表明，由于不完全燃烧所 产生的有毒有害烟气是隧道火灾中导致人员死亡的最主要因素。因此，研究隧 道火灾的烟气控制系统具有重要意义。 火灾烟气流动本身就是一种复杂的浮力驱动流，同时，由于隧道自身狭长 结构的限制以及隧道通风系统的作用，使得隧道内的烟气流动相比于一般建筑 火灾烟气流动更为特殊。 由于横向通系统的优越性，横向通风隧道被用于世界各地的大长隧道之中， 研究其烟气控制系统，为已有横向通风隧道探究有效的通风组织方式，具有实 际意义。 本文对隧道通风系统做了详细的介绍，对比了隧道纵向，半横向和横向通 风系统的优缺点，同时对世界各地隧道消防和通风系统设计规范做了全面的综 述。 首先，本文根据相似原理设计了缩小尺寸实验，探究了在横向通风条件下 隧道烟气的蔓延特性。实验表明，隧道内排烟率和送风率的比例很大程度上影 响隧道内烟气的蔓延特性；区域式的通风组织模式对于已有的横向通风隧道十 分有效。 其次，采计算流体力学软件f d s ，以n a v i e r - s t o k e s 方程为基础，引入浮力 修正的k - s 湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型，建立了适用于描述隧道内 烟气温度分布和气流流动的计算流体动力学模型，实现了对横向通风隧道内火 灾物理特性的数值模拟分析。 最后，通过实验结果与数值模拟结果对比表明f d s 在模拟浮力驱动流体， 尤其是火灾产生的烟气时，可以得到较为真实的结果。 关键词：隧道；横向通风；火灾；烟气控制：缩小尺寸实验；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t 1 肛l e lf i r es a f e t yi sas p e c i a lt o p i ci nf i r e r e s e a r c h i n c r e a s i n g l yt u n n e l sh a d b e e nc o n s t r u c t e dr e c e n t l yw i t hf a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y t u n n e l sb r i n gn e wf i r e s a f e t yi s s u e sa st h e ym a k et r a f f i cm o r ec o n v e n i e n t d u et ot h ec a t a s t r o p h i ct u n n e l f i r e sa l lo v e rt h ew o r l d ，i ti sh i 曲t i m et op a ym o r ea t t e n t i o nt ot u n n e lf i r es a f e t y s t a t i s t i c ss h o wt h a ts m o k ei st h em o s tf a t a lf a c t o ri nf i r e s ，e s p e c i a l l yi nt u n n e lf i r e s w h e r em u c ht o x i cg a s e sa r er e l e a s e dd u et oi n c o m p l e t ec o m b u s t i o n t h u ss m o k e c o n t r o li si m p o r t a n tt op r o v i d eas a f e t ye n v i r o n m e n tf o rt u n n e lo c c u p a n t si nc a s eo f f i r e h o w e v e r , t h ep h y s i c so fs m o k ep r o p a g a t i o ni nt u n n e l ss h o u l db ew e l lu n d e r s t o o d f i r s t t h ei n t e r a c t i o no ft h et h r e e f a c t o r s ：t h ef i r ei n d u c e db u o y a n c y , t h ec o n f i n e d s p a c e so ft u n n e l sa n dt h ea i rf l o wb yv e n t i l a t i o ns y s t e m s ，m a k e st h em o v e m e n to f s m o k ei nt u n n e l sm u c hm o r ec o m p l e xt h a nt h a ti nn o r m a lc o m p a r t m e n t s f u l l y - t r a n s v e r s ev e n t i l a t i o ns y s t e m sh a db e e na p p l i e dt om a n yo ft h ew o r l d s l o n gt u n n e l sd u et ot h e i rm a n ya d v a n t a g e s i ti so fg r e a tp r a c t i c a lv a l u et oh a v ea d e t a i l e dl o o ka tt h es m o k ec o n t r o la b i l i t i e so fs u c hs y s t e m sa n dt oi n v e s t i g a t e o p t i m i z e dv e n t i l a t i o nc o m b i n a t i o nf o rt h ee x i s t i n gf u l l y - t r a n s v e r s e v e n t i l a t e dt u n n e l s i nt h i st h e s i s ，t h et u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e m sa r ei n t r o d u c e da n dac o m p a r i s o no f d i f f e r e n tv e n t i l a t i o ns y s t e m si sm a d e t u n n e lf i r es a f e t yc o d e sa n dr e g u l a t i o n sa r e r e v i e w e dw o r l d w i d e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h es m o k ec o n t r o lp h y s i c so ff u l l - t r a n s v e r s ev e n t i l a t i o n s y s t e m s ，f i r s t l y , as m a l ls c a l e de x p e r i m e n ti sc o n d u c t e da c c o r d i n g t ot h es c a l i n gl a w s a n do nt h eb a s i so fp r e v i o u sr e s e a r c hw o r k s r e s u l t ss h o wt h a tt h er a t i oo fs u p p l ya n d e x h a u s tr a t ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri ns m o k ep r o p a g a t i o ni ns u c ht u n n e l s ；z o n e v e n t i l a t i o nm e t h o d sa r ee f f e c t i v et op r o v i d eal o n g i t u d i n a la i rf l o wa l o n gt h et u n n e lt o m a k eal o n g i t u d i n a lc o n t r o lo fs m o k e t h e nt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sp a c k a g ef d si sa p p l i e dt om a k e n u m e r i c a ls t u d i e so ff u l l y - t r a n s v e r s ev e n t i l a t e dt u n n e l s 1 1 1 ef d sp a c k a g ei sb a s e do n s o l v i n gn a v i e r - s t o c k se q u a t i o n s ，k - s t u r b u l e n c em o d e l s ，t u r b u l e n c ec o m b u s t i o n t t a b s t r a c t m o d e l sa n dr a d i a t i o nm o d e l s a tl a s t ，t h ec o m p a r i s o no fn u m e r i c a lr e s u l t sw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c t st h a tf d sc a np r e d i c tt h eb u o y a n td r i v e nf l o w , e s p e c i a l l yt h ef i r ei n d u c es m o k e m o v e m e n t ，a tar e l e v a n t l ya c c e p t a b l el e v e l ，c o n s e q u e n t l yb ea b l et op l a ya nc r u c i a l r o l ei np e r f o r m a n c eb a s e df i r ed e s i g n k e yw o r d s ：t u n n e l ；f u l l yt r a n s v e r s ev e n t i l a t i o n ；f i r e ；s m o k ec o n t r o l ；s m a l l s c a l ee x p e r i m e n t ；n u m e r i c a ls t u d y i i i 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景 1 1 1 隧道及其分类 隧道是人们为了发展交通运输或布设某类物品而挖掘的条形地下可用空间 1 】。建筑学中把横截面积超过2 0 m 2 的地下人工建造的通道定义为隧道，隧道是 现代化交通建设中不可缺少的枢纽。人类修建隧道的历史十分久远早，在古代 就有不少国家和地区开挖了隧道。不过古代隧道的规模通常较小，供大型车辆 通行的隧道是在1 9 世纪的英国才出现的，当时英国修建了7 7 0 米长的泰勒山隧 道 2 。 根据用途，隧道大体可分为矿山隧道、市政隧道、交通隧道等 3 。矿山隧 道是从地表之下向外输送矿石的通道；市政隧道主要用于敷设电缆、管路等设 施，一些专供人们逃生和躲避的避难隧道也属于这一类；交通隧道包括公路隧 道、铁路隧道、城市地铁隧道及较长的地下人行通道等，公路隧道供汽车通行使 用，隧道两端与公路相连，汽车和行人可以很容易进入其中，铁路隧道只供火 车通行，地铁隧道一般是封闭的，行人和其他车辆没有允许不能进入。本论文 主要讨论公路隧道。 自改革开放以后，我国隧道建设事业发展迅猛。2 0 0 2 年1 1 月，在中国交 通部和世界道路协会( p i a r c ) 于北京联合召开的国际隧道研讨会上，交通部副部 长胡希捷向7 7 0 多名中外专家宣布，中国已成为世界上隧道最多、最复杂、发 展最快的国家 4 。据交通部综合规划司( ( 2 0 0 5 年公路水路交通行业发展统计公 报，截至2 0 0 5 年年底，全国公路隧道达2 8 8 9 处、1 5 2 7 0 万米。与改革开放 之初( 1 9 7 9 年) 相比，在隧道总数增加6 7 倍的基础上，总长度增加了2 8 4 倍。其 中，特长隧道4 3 处、1 6 5 9 万米，长隧道3 8 1 处、6 2 5 1 万米，两者长度之和占 我国公路隧道总长的5 1 8 。可见，公路隧道发展的趋势是长大化 5 ，6 。 目前世界上超过1 0 k m 的部分隧道如表1 1 所示。 第一章引言 表1 1 世界长隧道举例 1 1 2 隧道火灾实例 隧道在为人类的通行带来便利的同时，也带来了隧道自身结构、通风和火 灾的隐患。对于公路隧道来说，车辆以一定的速度行驶在隧道的密闭空间里， 很可能携带货物或乘客，这样的环境组合特点对隧道的消防安全设计带来了巨 大的挑战【7 。另外隧道的密闭环境对逃生也产生了众多不便。 过去2 0 年里，世界各地发生过隧道火灾事故不计其数。其中一些火灾事造 成了巨大的人员伤亡和财产损失。 香港狮子山隧道( l i o nr o c kt u n n e l ) 火灾 8 狮子山隧道是香港新界连接九龙市区的其中一条主要隧道。2 0 1 2 年3 月8 日凌晨3 时半，狮子山隧道( 南行管道，往九龙方向) 内路面下的水务署管道 发生火警，消防处出动1 0 条化学泡沫喉、1 0 队烟帽队及1 4 0 人扑救。在现场工 作的3 5 名水务署承办商工人，顺利逃生，惟全身熏黑。隧道内浓烟密怖，在抽 风系统及消防的鼓风机启动下，大量浓烟从狮子山隧道九龙出口冒出。浓烟扩 散至第二狮子山隧道( 即北行管道，往沙田方向) ，两条隧道全线封闭约2 小 时。 由于寻找火源有难度，加上灌救困难，消防把火警在早上6 时1 8 分升为三 级火警。早上6 时许，第二狮子山隧道重开，实施单管道双程行车，但隧道内 仍一度烟雾弥漫。运输署呼吁驾驶人士改用青沙公路、大老山隧道或城门隧道， 2 第一章引言 惟第二狮子山隧道及其连接道路( 狮子山隧道公路、沙田路，以及吐露港公路) 交通仍出现严重挤塞，大老山隧道亦出现车龙。火警焚烧9 小时，在下午1 2 时 半扑灭，1 名消防员受伤。 消防指火头位于隧道底，包着水管的沥青。由于管道内多个渠盖散发高热 浓烟，令寻找火源遇到困难。另外，消防员必须打开渠盖，通过沙井，进入水 务署管道，沙井内只可容纳1 人，渠盖则要隔6 0 米才有1 个，火警范围长达2 0 0 米，令灌救难度倍增。消防更预料火警需长时间扑救才可扑灭( 结果火警焚烧9 小时，以三级火警而言时间相当长) 。 火警后隧道管道损毁严重，路政署人员在火警救熄后，曾进入管道视察损 毁情况，发现慢线6 0 米长的地方，有石屎脱落及钢筋外露，而快线亦有部分地 方损毁。路政署表示己派工人尽快施工，已经在3 月1 2 日早上繁忙时间前重开 快线：而慢线的维修工作，则需要更长的时间，预料需时2 星期，隧道慢线维 修工作方可完成。结果在3 月1 9 日，狮子山隧道才可以全面重开。 m o n tb l a n c 隧道火灾 9 m o n tb l a n c 隧道位于法国与意大利间，全长1 1 6 k m ，建于1 9 6 5 年，为单 洞双向交通，原设计的年通过能力为3 5 万辆车，近年来实际年通行量多达2 0 0 万辆，其中7 5 万辆为载重车。隧道采用全横向通风，送、排风道设于隧道底部， 有主从式监控中心两个。隧道由法国和意大利共同管理。 1 9 9 9 年3 月2 4 日早上由一辆装黄油的车自燃引起大火，尽管实施了紧急 救援，但仍造成了烧死4 1 人，烧毁4 3 辆车，交通中断一年半以上的重大损失。 据报告，当第一辆车着火后，按照正常方式应立即发出警报，隧道在1 0 分钟内 关闭。但意大利一方的隧道经营公司没有消防救护队，只好消极等待。1 5 分钟 后法国一方的消防队的消防车才赶到现场。由于法意双方互不协调，使救援工 作收到影响。当时火势异常迅猛，温度高达1 0 0 0 多摄氏度，大量新鲜空气从隧 道上部进入，致使浓烟迅速扩散，并助长了火势。大火持续燃烧了5 5 个小时。 隧道没有撤退疏散通道，没有通风井，在4 4 名死亡者中，3 4 人死亡在汽车内， 7 人死亡在车外隧道内，这表明，当时大多数人都没有意识到危险，因而没有设 法逃生，在大火蔓延到来之前就已经因缺氧而窒息。 英法海底隧道( t h ec h a n n e lt u n n e l ) 火灾 1 0 3 第一章引言 1 9 9 6 年1 1 月1 8 日晚9 时许，一列由2 9 节运载卡车的货车组成的高速列 车，沿英法海底隧道从法国驶往英国。当列车还未全部进入隧道时，两名法国 工作人员发现该列车的一节车辆正在冒烟，并立即报告了英法海峡隧道控制中 心，但此时已经无法阻止列车进入隧道。 列车上的火势随着列车的运行快速发展，在列车驶入隧道约2 k m 处时，隧 道内的火灾报警器开始报警。由于按照规定列车不能退出隧道，所以该列车只 得继续前进，力争将列车驶出隧道后再进行灭火( 全程仅需2 0 多m i n ) 。但当列车 驶到距入口1 7 k i n 处时，司机室内的信号灯显示列车桥板脱落，为了避免列车继 续行驶而发生失控撞车，按照紧急事故应急程序，列车立即停止，紧急通风系 统及所有应急措施也相应启动。 3 4 名乘客及司乘人员在安全系统的协助下，顺利地通过人行通道进入了服 务隧道，再经人行通道进入对面的运行隧道内，乘坐从英国方向驶来的救援列 车撤出隧道。火灾持续6 小时之久，致使欧洲隧道公司不得不暂时关闭这段5 公里长的隧道。大火造成3 4 人受伤，重伤2 人。经证实，燃烧的列车上载有大 量的聚苯乙烯等化工产品。火灾对隧道的破坏十分严重，不仅隧道内的许多设 备遭到了严重破坏，而且几百米长的拼装式钢筋混凝土衬砌也不得不进行更换， 该隧道约有半年时间不能正常运营。 国外2 0 世纪9 0 年代的统计资料显示，隧道火灾的发生频率为l o 一1 7 次 亿车公里，平均1 3 5 次亿车公里 1 1 。虽然隧道火灾是小概率事件，但是火灾 严重的后果不仅导致人员伤亡和财产损失，更会使公众对隧道的使用和隧道的 消防安全产生担忧。表1 2 列举了世界上一些隧道火灾的实例。 表1 2 隧道火灾事故实例 4 第一章引言 a u t h o r i t yt u n n e l 1 1 3 隧道火灾原因 引起隧道火灾的原因是多方面的，归结起来，有以下因素： 隧道因素 隧道内火灾事故的危险性与隧道的长度和交通量成正比。随着隧道长度的 增加，通过携带可燃物品( 油、化工原料等) 车辆的频率也在增加。随着长大 隧道内电气设备的增多，隧道内电路和电器设备短路的概率也在加大，相应的 火灾隐患也在增加。隧道内的环境也是影响火灾发展的重要因素，由于隧道横 断面积的限制，隧道内道路比较狭窄，能见度较差，容易发生车辆相撞引起火 灾的事故。 5 第一章引言 车辆因素 车辆是引起隧道火灾的主要因素。汽车紧急刹车时制动器起火；汽车相撞 或追尾撞击起火；汽车轮打滑或方向失灵与洞壁相撞起火；汽车化油器起火和 汽车自身的机电、设备着火都是发生火灾的诱因。 根据世界道路协会( p i a r c ) 的报告( ( f i r ea n ds m o k ec o n t r o li nr o a dt u n n e l ) ) ( 1 9 9 9 ) ，货车( 卡车) 火灾的发生率要比小汽车高得多，尽管货车只占整个交通 量的1 5 左右，但由其引起的火灾超过3 0 。 货物因素 车辆所携带的可燃物品是助长隧道火灾的一大因素。可燃或易燃物品遇明 火可能发生燃烧或自然，更有可能发生爆炸。 道路因素 研究表明，在公路上，当车辆以5 0 k m h 速度行驶时，气制动距离在冰路上 为9 8 m ，雪路上4 9 m ，潮湿混凝土路面为3 2 m ，潮湿沥青路面为2 4 m ，碎石路 面为1 9 m ，干沥青路面为1 6 m ，干混凝土路面为1 5 m 。由此看来，路面状况对 行车安全有很大影响。 1 1 4 隧道火灾特点 由于隧道的半密闭特性，隧道火灾与一般火灾有明显不同的特征。 起火原因复杂多变【2 ，1l - 1 3 如前文所述，隧道火灾的起火因素众多：隧道车流量不均匀，车型多变， 车载物品与火灾荷载不确定，起火源不确定，这些因素决定了此类隧道火灾具 有多样性和不确定性。隧道越长，交通量越大，发生火灾的概率越大。 烟气的浓度大、温度高 2 ，1 4 ，1 5 隧道呈狭长形，内部空间较小，近似于封闭空间。火灾发生后，隧道中空 气不足，多发生不完全燃烧，产生的烟气浓度很高，而且很难通过自然排烟排 出：同时，燃烧释放的热量不易散发，隧道内部的温度容易迅速升高，在充分燃 烧阶段，温度可达1 0 0 0 1 以上。因此在起火点附近的隧道承重结构体的容易受到 破坏，发生崩落。 火灾容易快速蔓延【2 ，1 l ，1 2 6 第一章引言 隧道内的管道、风道、地沟及通道与地面大气相通，一旦发生火灾，这些 部位将成为火灾蔓延的途径。隧道内具有通风系统，车辆的行走也会对隧道内 的烟气流动造成一定影响。如果在发生火灾时未能及时控制通风设备，则更会 加快火灾蔓延速度。隧道火灾中产生的c o 等不完全燃烧产物较多，在其流动过 程中，当遇到新鲜空气和其它可燃物时，将会引发新的燃烧，从而出现火灾从 一处跳跃到另一处的“跳跃式”蔓延。 可发生着火点的移动 2 ，11 ，1 2 车辆着火后仍在行走，火灾报警的位置往往不是有火的位置，难以处理。 人员疏散极其困难 2 ，1 1 ，1 2 隧道与外界相连的孔洞少，没有门和窗，所以火灾烟气容易迅速充满全洞， 致使其中的能见度降低；此外，不完全燃烧生成的大量c o 等有害气体也会对隧 道内人员的人身安全构成威胁。如果火灾发生在隧道内接近出入口的区域，由 于火焰封锁通道，也会造成人员难以安全疏散。 另外，驾驶人员对火灾的恐惧心理，很容易造成交通堵塞或出现新的交通 事故，而严重影响车辆疏散：隧道越长，车辆疏散所需的时间越长，火灾期间发 生二次灾害的可能性越大。 灭火救援难度大 2 ，1 1 ，1 2 隧道火灾类型、发生蔓延规律不确定，且燃烧强度很高的恶性油品火灾较 多。燃烧生成的浓烟、高温及形成的缺氧状态都对救援造成重要影响。地下交 通隧道出入口少，通道狭窄，距离长，而且灭火工作面和救援途径单一、受限， 且灭火救援路线容易与人员和车辆的疏散路线、烟气流动路线的交叉；而且由 于地下通信困难，地面的灭火指挥员很难准确了解火灾现场的情况，从而难以 实施及时有效的指挥。同时大型灭火设备无法进入隧道，进入的人员也要进行 特殊防护，因此灭火困难较大。 远离城市的隧道缺乏可靠的消防水源，且隧道内灭火条件有限当火场温度 过高时，隧道拱顶混凝土有烧塌崩落的危险，这些都使灭火救援的难度无法估 量。隧道消防设施设置的合理性和使用效率、隧道的管理效率和自救、应急能 力等都对隧道火灾延续时间和火灾扑救的成功率具有重要作用。 火灾损失大 2 ，1 1 ，1 2 】 7 第一章引言 隧道火灾可能成为人员群死群伤、车损洞毁、交通中断的重大恶性火灾， 造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。 以1 9 7 9 年的日本k a n e t s u 隧道大火为例，在这次事故中，共有7 人死亡、 2 人受伤，1 7 4 辆车被全部焚毁。修复隧道的费用加上停运两个月的收入损失共 计6 7 亿日元。m o n tb l a n c 隧道火灾、大邱地铁隧道火灾损失更为巨大。 1 2 文献综述 1 2 1 隧道火灾研究方法 隧道火灾的发生具有随机性，其发展具有确定性。 所谓发生的随机性，是指其发生的原因复杂多变，众多因素会影响起火原 因，但会遵循一般的统计规律。用火灾统计分析的方法可以研究隧道火灾的随 机性，国际上不少的隧道消防法规都是通过总结、整理和分析大量的火灾数据 资料，归纳出隧道火灾发生的统计性规律，找出各种因素对火灾发生的影响程 度及其相互间的关系，并制定相应的对策。 所谓发展的确定性，是指隧道火灾发生之后，一般会按照火灾动力学规律 发展和蔓延，其燃烧、烟气的湍流流动等都满足确定的流体流动、传热传质、 物质守恒等规律。通过工程定量的研究方法可以研究隧道火灾发展的确定性。 物理实验和数值模拟是常用的两种定量研究方法。通过测量和观察隧道火灾发 展过程中的各种物理量随时间或空间的变化，研究者可以确定火灾的发展规律。 数值模拟基于流体所遵循的质量、动量、能量、组分等基本守恒定律，利用计 算机强大的运算能力，求解在流体流动过程中的守恒方程，揭示火灾发展规律。 1 2 1 1 缩小尺寸( s m a l ls c a l e ) 模型实验 由于在真实隧道中研究火灾会花费巨大的人力物力。缩小尺寸模型实验成 为一种可行可靠的代替手段。缩尺模型实验基于相似准则，可以在一定程度上 保证模型和实际火灾的相似程度，从而在实验室再现火灾的发展和蔓延情况。 瑞典s p 的i n g a s o n 等人 1 6 利用缩尺隧道模型研究了设有排烟系统的纵向 通风隧道内火灾和烟气的发展；韩国的l e e 和r y o u 1 7 利用缩尺模型探究了 隧道横截面长宽比对隧道火灾的影响；香港理工大学w k c h o w 教授等 1 8 】在 一个小型隧道模型里研究了隧道坡度对烟气蔓延的影响；西南交通大学的杨其 8 第一章引言 新、阎治国等人 1 9 ，2 0 在长1 0 0 m 、内径1 8 m 的缩尺模型隧道内进行了大量的火 灾实验，对纵向通风隧道火灾时温度和压力的分布变化规律、以及烟气的流动 等进行了深入的研究。 v a u q u e l i n 等人 2 1 通过缩尺模型对隧道的排烟系统做了全面的研究，在一 个1 ：2 0 的隧道模型中，研究人员通过改变排烟口的大小和位置，火源大小来比 较排烟系统的效率。研究结果表明排烟口位置和开口大小对排烟的效果影响不 大，随着火源的增大排烟效率反而会减少。 i n g a s o n 等 2 2 在一个1 ：2 3 的隧道模型里，通过改变火源木材的多少和摆 放方式( 改变火源热释放率) ，纵向通风速度，隧道高度，排烟口位置和排烟 量，研究者发现在隧道顶部的排烟方式是最有效的控制烟气方法。 1 2 1 2 全尺寸( f u l ls c a l e ) 实验 究竟缩小尺寸模型实验是否能够精确的反应隧道火灾的发展规律? 回答这 个问题就要提到全尺寸实验，因为全尺寸的相关实验对己有的小尺寸实验和数 值模拟的结果进行验证和修正尤为重要。 1 9 9 2 年，欧洲的e u r e k a 4 9 9 计划 2 3 】在挪威的一条长2 3 公里、宽6 5 m 、 高5 5 m 的废弃矿道内进行了一系列的全尺寸实验，在这组实验中，考虑到了隧 道内的实际燃烧物，并在一次实验中燃烧了一列实际的火车车厢作为火源，其 火源热释放率达到了i o o m w 。 加拿大火灾研究中心的k a s h e f 等 2 4 在l - h l af o n t a i n er o a dt u n n e l 进行 了全尺寸火灾实验，目的在于探究何种通风策略对这条半横向通风隧道火灾发 展和烟气能起到最大的控制作用。 中国科学技术大学的y a n 等人 2 5 】在一条自然通风的隧道内进行的全尺 寸实验为了研究竖井对隧道顶最高温度，烟气水平扩散距离和隧道内能见度的 影响。 m e m o r i a lt u n n e lf i r ev e n t i l a t i o nt e s tp r o g r a m ( m t f v t p ) 2 6 是一个著名 的全尺寸隧道火灾研究项目。1 9 9 3 年到1 9 9 5 年，美国的火灾研究者在西维吉尼 亚的一条废弃隧道里经行大量全面的研究。整个研究项目为之后的隧道消防设 计提供了全面详细的数据支持，包括这种通风方式和通风量。此项目包含9 8 个 单独的实验，这9 8 个实验被分为6 组，每组的火源热释放率分别为i o m w ， 2 0 m w ，5 0 m w 和i o o m w 。 9 第一章引言 m t f v t p 项目的目的在于建立一个全面的隧道火灾数据库，用于记录火灾 温度，烟气发展规律，通风方式和泡沫灭火装置的使用等。对于通风系统的设 计和安装，通风系统的具体运行方式，次项目都做了详细的研究。现行的 a s h r a e 2 7 规范推荐的10 0 c f m l f 的通风量就是由此次全尺寸实验推导出的。 1 2 1 3 数值模拟研究 数值模拟研究是火灾研究中投入较少并且有效的一种研究方法。火灾过程 的数值模拟方法中，主要有区域模拟( z o n em o d e l ) 、场模拟( f i e l dm o d e l ，计算流 体动力学c f d 模拟) 以及场区网复合模拟技术。 区域模拟 5 ，2 8 区域模拟的基本思想是将所研究的空间，根据物理过程的特征划分成少数 区域，假设各区域中物理参数的空间分布是均匀的，确定其对上述区域的动量、 质量、能量和组分交换的影响，引入基本方程组，从而得到各区域的控制方程 组，经过分析求解得到区域的物理参数随时间的变化过程。 目前世界上的区域模拟软件包括a s e t ，c f a s t ，f i r s t ，h a r a v r a d 等。 香港理工大学w k c h o w 教授 2 9 利用c f a s t 通过m u l t i c e l l 的方法对隧道 烟气的烟层厚度和温度分布进行了研究和预测，就算表明c f a s t 能较准确的给 出区域的平均温度和岩层高度，但是不能得到计算空间内没一点的具体物理值。 总体来看，区域模型在计算火源附近区域时通过增加一些控制体来描述火 焰的烟气羽流与顶棚射流现象，虽然可以在一定程度上了解火焰的成长过程， 也能分析火灾烟气的扩散特征，但在隧道火灾中的应用并不广泛 5 】。 场模拟 5 ，2 8 场模型将研究区域划分为大量的、互相关联的控制体，在每个控制体中数 值求解一系列与质量、动量、能量和反应生成物守恒有关的偏微分方程，包括 浮力、热辐射和扰动等近年来，随着计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，c f d ) 技术的不断成熟以及计算机性能的提升，场模型在隧道火灾研 究领域得到了广泛地应用。 目前世界上的场模型超过1 8 种，例如f l u e n t ，c f x ，f l o w 3 d ，p h o n e i c s ， f d s 等，其中应用最广泛的是由美国标准技术局( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d 1 0 第一章引言 t e c h n o l o g y ，n i s t ) 开发的火灾动态模拟( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ，f d s ) 软件。 原则上，场模型可以对任意几何断面隧道的任何类型火灾进行多维、瞬态的模 拟，但其计算精度受到选用的模型、网格尺寸、边界条件等因素的影响。 世界上众多学者运用场模拟研究过隧道火灾。哈尔滨工程大学的p z g a o 教授与香港理工大学的w k c h o w 教授，n k f o n g 副教授 3 0 合作，发展了 基于大涡模拟的c f d 计算方法，对不同纵向通风风速下的火羽流及烟气蔓延特 性进行了模拟：韩国的l e e 和r y o u 分析了纵向通风隧道内截面长宽比对火灾烟 气运动的影响 1 7 。 1 2 2 国内外研究现状 隧道火灾不仅会造成重大的人员和财产损失，还会造成公众对隧道使用的 担忧。为此国际上和国内都成立了相应的针对隧道安全，隧道消防的研究组织 和部门，旨在通过交流和研究，以及制定相应的引导性规范，保障隧道的使用 安全。国内外针对隧道火灾安全的组织机构如表1 3 所示。 表1 3国内外隧道消防安全相关研究机构和组织 国家名称 国际性组织 国际隧道协会( i n t e r n a t i o n a lt u n n e l l i n ga s s o c i a t i o n ，i t a ) 国际道路协会( p e r m a n e n ti n t e r n a t i o n a lw o r l dr o a da s s o c i a t i o n ，p i a r c ) 德国 s t u v a ( r e s e a r c ha s s o c i a t i o nf o ru n d e r g r o u n dt r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e s ) 荷兰t n o ( n e t h e r l a n do r g a n i z a t i o nf o ra p p l i e ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ) 挪威 s i n t e f n b l ( n o r w e g i a nf i r er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 瑞典 s pf i r e ( s w e d i s hn a t i o n a lt e s t i n ga n dr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 瑞士v s h ( v e r s u c h s s t o l l e nh a g e r b a c ha gh a g e r b a c ht e s tg a l l e r yl t d ) 此外，通过投入资金进行全面详细的隧道火灾研究也是有效可行的办法。 除了前文提到的e u r e k a 4 9 9 计划和m t f v t p 项目，在过去2 0 年国内外机构 和学者还进行过大量的研究。一些著名的隧道火灾研究项目列于表1 4 。 表1 4 国内外隧道火灾安全研究项目举例 项目名时间参与国家或机构 简要介绍 第一章引言 续表 1 2 第一章引言 1 3 本文研究内容及方法 1 3 1 本文研究内容 隧道火灾后果的严重性以及隧道火灾自身所存在的许多特殊之处，使得其 研究具有重要的意义。近年来，我国开始逐渐加大了针对隧道火灾防治的力度。 在隧道火灾中，造成人员伤亡的最主要因素是不完全燃烧的高温有毒有害烟气。 因此本文将重点对隧道火灾下隧道内温度分布和烟气流动状况进行研究。此外， 如前文所示，目前国内外的隧道火灾研究大部分针对纵向通风隧道和半横向通 风隧道( 排烟式) ，很少有研究全面详细的揭示横向通风隧道的火灾发展规律。 因此本文将对设置横向通风系统的隧道进行研究。 本文的具体研究内容包括： 横向通风系统送排风比率对火灾和烟气的影响 从隧道底部送入的新风会影响火源的热释放率以及扰乱烟气的流动，如何 控制送风和排风的比率达到最有效的控制火灾和烟气的效果是本文研究的重 点。 探究已有的横向通风隧道的最佳烟气控制方式 通过将已有的长隧道进行分区，配合合适的分机运转方式( 送风或排风) ， 探究烟气控制的最有效方式。 数值模拟与实验结果的验证 通过实验和数值模拟相互补的研究方法，最大程度上还原真实火灾规律， 得出尽可能可靠的结论。 1 3 2 本文研究方法 本文采取实验和数值模拟相结合的研究方法。利用缩小尺寸的隧道模型和 缩小的火源以及烟气产生装置来研究隧道火灾和烟气规律。同时将进行与实验 想对应的数值模拟研究。最后将实验结果与数值模拟结果相比较、分析，得出 结论。 1 3 第二章隧道紧急通风系统 第二章隧道紧急通风系统 2 1 隧道通风系统介绍 运行于隧道内的车辆所排放的气体中，含有大量的一氧化碳( c o ) 、碳氢 化合物、氮氧化物( n o x ) 和碳烟( c ) 等对人体有害的成分。当隧道内车辆不 断来往时，如不进行必要的通风，所排尾气就会严重污染整个隧道。隧道通风 的目的是为了除去和稀释其有害成分，其设计原则是确保入的新鲜空气量能使 隧道内的空气质量维持在可接受的程度。 一般地，隧道通风系统有正常通风和紧急通风两种运行模式。在隧道正常 运营的过程中，通风系统处于正常通风模式，风机可能处于低负荷运转甚至不 需要运行 2 6 ，3 3 。其目的只在于控制隧道内环境温度，排除隧道内的污染物， 为隧道使用者保障一个安全舒适的环境。 当隧道内发生紧急情况时，例如火灾，隧道通风系统会在火灾报警或控制 人员的控制下转为紧急通风模式。紧急通风模式运行目的在于控制火灾的发展 和烟气的流动，为隧道内人员提供可呼吸的环境，帮助隧道内人员逃生，协助 消防救援人员进入火场进行灭火和救援。 根据世界公路组织( p i a r c ) 的报告 3 4 ，在火灾紧急情况下，隧道通风设 计必须满足以下要点： 控制烟气扩散的目的是为隧道内人员提供尽可能大的无烟环境。这意 味着排烟系统必须排出烟气，以提供给人员一个可视，可呼吸的隧道 环境( 适用双向交通隧道和有堵车现象的单向交通隧道) ；或者通风 系统将烟气吹向隧道的一端来保持另一端的无烟环境( 适用无堵车的 单向隧道并且着火点下风向没有人员) 。 无论何种情况下，人员必须在合理的时间内通过合理长度的路线到达 安全位置。所以，安全出口，防火服和灭火器必须设置在需要的地方。 通风系统必须保证在没有受烟气影响的区域( 例如安全逃生通道) 一 直保持无烟环境。 通风系统必须为消防员灭火提供必要条件。 对于汽油火灾，必须阻止由于不完全燃烧造成的二次爆炸。通风系统 1 4 第二章隧道紧急通风系统 必须提供足够的新风供汽油完全燃烧，或者足够的新风来稀释空气中 的可爆炸气体。 隧道通风系统的设计者在选择隧道通风方式时要考虑的因素很多，例如隧 道几何尺寸，紧急出口的位置，隧道的坡度，隧道交通方向( 单向或双向) ， 交通量，有无重型货物汽车( h e a v yg o o d sv e h i c l e ，h g v ) 通过以及消防设施 的配备等等。自然通风和机械通风都是可供选择的通风方式，机械通风又包括 纵向通风、半横向通风和横向通风。 1 5 第二章隧道紧急通风系统 2 2隧道紧急通风系统分类 2 2 1自然通风系统 自然通风系统是最简单的隧道通风系统，它不借助于机械产生的气流。自 然通风的气流来自于隧道口两端的高度差，隧道口两端的温度差或活塞效应。 因为不借助于机械，自然通风移除隧道内污染物的能力很大程度上依靠于隧道 本身的地理位置和车辆通行产生的活塞效应，所以自然通风的效果不甚稳定。 环境风向或风速的突变可能会彻底改变隧道内的气流大小和方向从而影响到隧 道的通风效果。隧道能的气压差要足够大以克服因为隧道长度、隧道壁面的粗 糙度、隧道当量直径和空气密度产生的隧道阻力。所以自然通风所应用的隧道 有长度的限制，关于自然通风隧道长度的具体限制，将在下一章讨论。自然通 风系统最好应用在单向交通的隧道中，因为单向交通能产生活塞效应。 随着隧道长度的不断加大，自然通风系统已不能满足隧道运行的要求，更 多的隧道开始运用机械通风系统。 2 2 2 机械通风系统 作为对自然通风的补充，机械通风系统能在隧道中产生足够稳定的空气气 流。一般的大长隧道都设置有机械通风系统。根据设计者所设计的通风方式， 隧道中特定位置会安装轴流风机或者离心风机，有的还需要安装风道。这些风 机通常能反向运转，以应对紧急情况下的通风，尤其是火灾。 通常机械通风方式又分为三种：纵向通风，半横向通风和横向通风。对于 这三种通风方式的介绍在下文中有详细介绍。相关具体说明也能够在美国供热 制冷空调工程师学会( a m e r i c a ns o c i e t yo f h e a t i n g ，r e f r i g e r a t i o n ，a n d a i r - c o n d i t i o n i n ge n g i n e e r s ，a s h r a e ) 手册 2 7 中找到。 2 2 2 1 纵向通风系统 纵向通风产生流过隧道长度方向纵向的气流达到通风的目的。如图2 1 所 示，纵向通风可以通过射流风机，射流竖井和射流，排风竖井结合的方式实现。 发生火灾时，纵向通风产生的气流从着火点流向隧道出口，这样可以保证火灾 上风向的汽车和人员不被烟气影响而顺利逃出，而火灾下风向的可能因为拥挤 被困的车辆和人员在一个稳定的烟气层下方，等待救援人员的到来。高温烟气 1 6 第二章隧道紧急通风系统 在隧道顶部的聚集，将隧道内部分为上下两层，上层为高温烟气，下层是相对 较低温的空气，分层给人员提供了可呼吸和可视的逃生环境。然而随着烟气的 扩散，烟气内部的涡流，重力以及温度的降低使烟气在扩散一段距离之后开始 下降，直至弥漫整个隧道空间。纵向通风对于双向交通隧道不是很安全，因为 烟气可能被吹向面朝火灾开来的没发生事故的车道。因为在长隧道中，很有可 能两起火灾事故在不同地点同时发生，所以这种通风方式也受隧道长度的限制。 图2 1 隧道纵向通风系统 2 2 2 2 半横向通风系统 半横向通风可以分为送风和排风两种并且通常应用于2 0 0 0 m 以上的隧道 2 7 。如图2 2 所示，在隧道长度方向上安装有送风或排风管道，管道上间隔一 1 7 第二章隧道紧急通风系统 定距离设有排风或送风口。汽车排出的尾气或者被送出的新风稀