计算流体力学在纵向式公路隧道火灾通风中的仿真

来源：个人技术集锦

　A辑第16卷第4期　　　　　水动力学研究与进展　　　Ser.A,Vol.16,No.4　　2001年12月　　　　　　　JOURNALOFHYDRODYNAMICS　　　　　Dec.,2001文章编号:100024874(2001)0420511206

计算流体力学在纵向式公路隧道

火灾通风中的仿真

①

舒宁1,　　徐建闽1,　　钟汉枢2,　　林钢1

(1.华南理工大学交通学院,广东广州510640;2.华南理工大学自动化系,广东广州510640)

　　摘　要:　隧道一旦发生火灾,如果处理不当,将造成严重后果。为了预防和控制隧道中的火灾,必须研究烟气在隧道中的流动,进行数值仿真是一条简洁有效的途径。随着国外在计算流体力学(CFD)的兴起与发展,为这一问题的研究提供了可能。鉴于此,本研究以京珠高速公路粤境南段隧道工程为工程依托,采用计算流体力学的研究方法进行通风仿真,对研究国内公路隧道火灾通风控制具有现实意义。关　键　词:　公路隧道;计算流体力学;通风仿真中图分类号:　U457.5　　　文献标识码:A

1　引言

纵向式通风由于具有鲜明的特点,在国内隧道工程中的应用越来越广泛[1],且国际上特长公路隧道工程应用纵向通风成功的范例很多,隧道单洞长度远远超过我国1999年制定的《公路隧道通风照明设计规范》所推荐的长度限制[2]。继成渝高速公路中梁山、缙云山隧道之后,纵向式通风为越来越多的公路长隧道所采用,例如广东省现在建设的京珠粤北段隧道群、大宝山、靠椅山隧道,都将采用纵向式通风。

但同时应该看到,由于隧道内纵向风速较大,火灾时对下风侧不利,如果排烟风速控制不当,将引起烟气的回流现象。对上游人员和车辆造成直接的危害。给抢险救灾带来很大的难度。国外在这个领域做了大量的研究[3～5],国内相对较少。鉴于此,本文采用计算流体力学(CFD)对火灾时纵向式公路隧道通风进行仿真,重点研究火灾时烟气在隧道内的流动状况,以便更好对火灾时纵向式公路隧道的通风进行控制。

①

收稿日期:　2001201217

作者简介:　舒宁(1975～),男,硕士。

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2　计算流体力学理论

烟气流动的控制方程包括连续方程,动量方程,能量方程,湍能方程和湍能耗散率方程,所有这些方程都满足下列形式的通风方程[6,7]:

5()ττ(1)Υ+div(ΘuΥ+JΥ)=SΥΘ5t

ττ

其中,Υ代表一种通用的物理量,Θ,u,JΥ,SΥ分别表示气体的密度,速度矢量,扩散通量矢量和源项,扩散通量矢量由下式给出:

τ(2)JΥ=-#ΥgradΥ其中#Υ表示通用变量的有效交换系数,表1为所涉及的场模型的控制方程

表1　场模型的控制方程

#Υ

SΥ

uΛeff-

5p5(5u)5(5v)5(5w)+gx(Θ-Θ+Λ+Λ+Λref)

5x5xeff5x5yeff5x5zeff5x5p5(5u)5(5v)5(5w)+gy(Θ-Θ+Λ+Λ+Λref)

5y5xeff5y5yeff5y5zeff5y5p5(5u)5(5v)5(5w)+gz(Θ-Θ+Λ+Λ+Λref)

5z5xeff5z5yeff5z5zeff5z

vΛeff-wΛeff-

ΛeffΡkΛeffΡΕ

GkGb-ΘΕ

Ρ(

[Gk+Gb)C1-C2ΘΕ]

Λeff=Λl+Λt　　　　Λt=CDΘk2󰃗Ε

Gk=Λt2[(

5u)25v5w5u5w25w5v)25u5v)2

)+(+()2+()2]+(+++(+

5x5y5z5z5x5y5z5y5x

g5ΘΘ5y

Gb=Λt

C1=1.44,C2=1.92,CD=0.09,Ρk=1.0,ΡΕ=1.3

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其中,C1,C2,CD是湍流模型中的经验常数,Λeff是有效粘性系数,Λl,Λt是层流和湍流动力粘性系数,Gk,Gb是湍能方程的生成项。

3　仿真研究

3.1　确定问题的区域

采用ANSYS软件进行仿真研究,由于采用的有限元单元为四节点四边形,节点数7020,用于解算单相粘性流体的二维流动、压力和温度分布。允许的自由度为速度、压力、温度、湍流动能、湍流能量耗散[8]。本问题主要是研究烟气对车行横洞及下行隧道的影响,所以把隧道车行横洞及其连接的上、下行隧道段作为研究对象。如图1所示的隧道俯视图,隧道几何参数为:

隧道长度:200m　隧道宽度:14m　车行横洞长度:20m　车行横洞宽度:4.5m

坐标原点定在上行隧道的起点处(0,0),火灾点位置位于(50,6),火灾点大小为2×2m2

的正方形范围。车行横洞位于上,下行隧道的中间。为便于对隧道风速进行研究,设置了5个隧道断面。由于雷诺数超过2300,使用湍流模型。

图1　隧道俯视轮廓图

3.2　施加边界条件

指定压力:在出口边界上施加相对压力(零),在没有重力和旋转的条件下,绝对压力等于相对压力和参考压力之和。

静止壁面:这被认为是无滑移条件,所有速度分量均设置为零。来流边界条件:工况1:入口排烟风速2m󰃗s　下行隧道出口风速-3m󰃗s。

工况2:入口排烟风速0.5m󰃗s　下行隧道出口风速-2m󰃗s。

火灾点温度:为了简化模型,设火灾点中心温度为1000K(参考实验数据)。3.3　检查结果及结果分析

工况1分析:

当进入稳态时,火灾点周围的烟气速度在高温的作用下,中心速度达到3.8m󰃗s,在2m󰃗s的隧道风速的控制下,烟气将向下游扩散,当达到车行横洞时,由于下行隧道风速为-3m󰃗s,横洞两端存在压力差,在此驱动下,一部分烟气将由车行横洞进入下行隧道,与下行隧道流场汇合。图2是隧道风速矢量图。

从图3～图8断面风速分布图可以看出,车行横洞的风速分布不均匀,靠近火灾点的横洞

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图2　隧道风速矢量图

一侧由于处于内侧,存在一涡流区,风速很低,外侧风速可达到2.0m󰃗s左右。由于烟气的分流,使得上行隧道下游排烟风速分布比较均匀,但风速不到2.6m󰃗s。对下行隧道而言,情况恰恰相反,由于从车行横洞蔓延过来的烟气与下行隧道流场的汇合,使得隧道风速达到3.3m󰃗s,将造成烟气的快速扩散,对行人和车辆的安全将造成十分不利的影响。

图3　52m上行隧道风速分布　　　　　　　　　　　图4　90m上行隧道风速分布

图5　114m上行隧道风速分布　　　　　　　　　　　图6　114m下行隧道风速分布

工况2分析:

当进入稳态时,上行隧道烟气将向下游扩散,当达到车行横洞时,由于下行隧道风速为-2m󰃗s,横洞下行端的压力大于上行端的压力,在此压力驱动下,下行隧道一部分能量由车行横洞进入上行隧道,加速上行隧道烟气的蔓延,隧道流场方向与工况1相反。图9是隧道风速矢量图。

从图10～图14断面风速分布图可以看出,车行横洞的风速分布不均匀,远离火灾点的横洞的外侧存在一涡流区,风速很低,内侧风速可达到2.3m󰃗s左右。由于烟气的分流,使得下行隧道下游排烟风速分布比较均匀,但风速不到2.2m󰃗s。对下行隧道而言,情况恰恰相反,由于从车行横洞蔓延过来的空气与上行隧道烟气流场的汇合,将加速烟气的蔓延,使得上行隧道下

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图7　90m下行隧道风速分布　　　　　　　　　　　图8　车行横洞风速分布

游风速达到1.4m󰃗s。

图9　隧道风速矢量图　　　　　　　　　　　　　　　图10　90m上行隧道风速分布

图11　114m上行隧道风速分布　　　　　　　　　　　　图12　114m下行隧道风速分布

图13　90m下行隧道风速分布　　　　　　　　　　　　　　图14　车行横洞风速分布

以上仿真是针对上行隧道车行横洞前方发生火灾时,烟气在不同的通风风速驱使下,对下行隧道和车行横洞的影响。一旦发生火灾时,直接对人们生命构成危害的是烟气,所以火灾时的通风控制模式就是应该尽量将烟气控制在小范围内,使其尽量不蔓延。但火灾发生时,由于

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火灾发生地点,火灾发生当量的差异,通风风速以及隧道内交通状况的不同,利用手动开启风机将烟气控制在小范围内具有很大的困难。所以有必要设置防烟气的横洞门。

4　结论

这一仿真主要是研究上行隧道烟气对横洞和下行隧道的影响,从而得出设置车行横洞门的重要性,具有实际工程应用价值,希望引起工程设计人员足够的重视。

参　考　文　献:

[1]吕康成.公路隧道运营设施[M].北京:人民交通出版社,1999.7.

[2]曾艳华,关宝树.公路隧道全射流纵向通风方式的适用长度[J].公路,1998,(1):38241.

[3]RICHARDBETTIS.Controllingsmokeintunnelfires[J].FirePrevention,June1995,280:19223.[4]SKUMAR,GCOX.Mathematicalmodellingoffiresinroadtunnels[A].Proceedingsofthe5th

InternationalSymposiumontheAerodynamics&VentilationofVehicleTunnels[C].Lille,France,1985,BHRA,theFluidEngineeringCentre,61276.[5]JDIAZ,FKRAMESBERGER.Safeandeconomicventilationofamotorwaytunnel[A].Proceedings

ofthe5thInternationalSymposiumontheAerodynamics&VentiationofVehicleTunnels[C].Lille,France,1985,BHRA,theFluidEngineeringCentre,932100.[6]是勋刚.湍流[M].天津:天津大学出版社,1994.

[7]SVPATANKAR著,郭宽良译.传热和流体流动的数值方法[M].合肥:安徽科学技术出版社,1994.[8]ANSYS.计算流体动力学分析指南[M].ANSYS中国,2001.1.

Thesimulationofventilationinlognitudinalroadtunnelinfirebyusingcomputationalfluiddynamics

SHUNing,　　XUJian2min,

ZHONGHan2shu,　　LINGang

(1.TrafficandCommunicationCollegeofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640;

2.AutomationDepartmentofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640)

Abstract:　Itwillcauseterribledisasterifafireroadtunnelcatchesisincorrectlytreated.Therefore,usingcomputationalfluiddynamicsisaefficientwaytostudytheflamespreadingintunnelinordertopreventandcontroloffire.WiththerapiddevelopmentofCFD,itprovidesanaccessiblewaytoresearchthisproblem.WiththetunnelprojectoftheJING2ZHUfreewayinGuangdongprovinceasabackground,thispaperusesCFDmethodtoconducttunnelventilationsimulation,ithaspracticalsignificanceofstudyingfirecontrolinroadtunnelmethodinChina.

Keywords:　roadtunnel;computationalfluiddynamics;ventilationsimulation

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