公路隧道火灾通风数值模拟分析及逃生研究

引言

近年来随着我国隧道建设的不断发展以及公路交通流量的日益增长，公路隧道发生火灾的频率也在不断增加，这些频发的火灾事故给隧道的结构带来了巨大的损害，同时对人员的生命财产安全造成了巨大的威胁。隧道火灾中影响人员逃生的主要因素是高温有毒烟流的蔓延。本文以pyrosim火灾仿真软件为平台，对建立的隧道火灾场模型进行仿真模拟，重点分析了火灾中烟流的蔓延情况，得出临界风速，并在此基础上，探讨了隧道火灾时温度和CO浓度的分布规律，从而得出发生火灾时在各影响因素综合作用下人员的安全逃生时间及逃生区域。

1公路隧道火灾场模型

1.1隧道模型

本文选取高5.2m，坡度2%,双洞单向行车，人行横洞间距约为400m，并采用全射流风机纵向式机械通风方式的隧道。取该隧道长度为400m的一段对其进行数值模拟。火源在路中央，距离入口50m，并且选择火源点在射流风机下游的情况下进行模拟。

1.2火源设定

我国现行的《公路隧道通风照明设计规范》中规定火灾时排烟风速可按2m/s〜3m/s取值，此取值设计的前提是隧道火灾功率为20MW的中型火灾规模。一般情况下隧道消防系统的设计也是针对该中型火灾规模。因此，本文火灾数值模拟也选取中型火灾规模且采用如下火灾模型来表示非稳态火灾。

式中：Q是火灾功率，单位为KW；a是火灾增长系数，单位为KW/s2,可取0.1878；是燃烧时间，单位为s。

由式（1）可算出，当燃烧时间大于326s，火灾功率大于20MW时，火源才能处于完全燃烧状态，之后，火灾功率可视为恒定不变。

1.3模拟边界条件

隧道两侧墙壁设为厚25cm的钢筋混凝土结构，混凝土层的外部为岩土层，内部为导热模型，且内外温度都设为20。。的恒温。导热模型的导热系数为1.8W/m-k，定压比热为1.04kJ/kg-k„隧道的进口设有纵向式通风，风速采用临界风速；出口为开放条件。隧道内的初始环境温度设为20初始气压为一个标准大气压。

2公路隧道火灾模拟分析

隧道发生火灾时，由于在临界风速条件下，火源上游是安全的，所以主要研究火源下游，并以断面上人体高度位置处的温度、CO浓度作为研究对象，分析其分布规律。

2.1烟流蔓延

此次模拟火灾为中型火灾，在模拟过程中，采用插入法,从2m/s开始不断增大纵向风速，速度值最小为0.1m/s。在火灾稳态状况下，烟流正好不发生回流时的纵向风速即确定为临界风速。下面的通风风速为2.5m/s和2.8m/s时的模拟烟流蔓延如图1所示。

根据模拟结果显示当t=327s达到稳态时，风速为2.5m/s的烟流模拟出现了明显的回流现象，而风速为2.8m/s时，直至t=327s时，烟气充满整个空间都没有发生明显的回流现象。由此可得，当纵向风速为2.8m/s时，可抑制火灾时烟气的回流,即可确定火灾功率为20MW时的临界风速为2.8m/s。

2.2温度分布

图2和图3分别给出了隧道火灾时，在临界风速下，距地面高度为1.75m处，离火源不同距离的各断面温度的横向和纵向分布图。

从分析可知：隧道火灾时，隧道顶部温度较高，而底部温度偏低；火源下游的温度在距火源150m之内主要集中在200〜300°C左右，150m以外主要集中在150°C左右，且温度随着离火源距离的增大而降低。

2.3CO浓度分布

火灾中主要产生的有毒气体为CO,如果人员长时间处于高浓度CO的环境中，容易造成人体重要器官严重缺氧而导致窒息甚至死亡。在临界风速的通风模式下，模拟距火源不同距离处CO浓度的横向分布图如图4所示。

分析上图可得出：各断面CO浓度在距火源100m之内时，随着离火源距离的增大而增大，在距火源100m以外时,随着离火源距离的增大而减小；其变化规律基本上关于隧道中心线呈对称分布，且CO浓度在隧道中心线附近较低，而隧道两侧墙壁较高。由此可知隧道火灾时人员应沿着隧道中心线方向逃生。

3隧道火灾时人员的逃生研究

3.1隧道火灾时人员逃生的判定条件

隧道发生火灾时，隧道内的人员能否迅速逃至安全区域由两个因素决定，一个是个人的自身条件，包括人的心理素质、反应速度、安全常识等；另一个是火灾时隧道内的恶劣环境,如产生的高温空气、有毒烟气、较低的光线能见度等。当隧道发生火灾时，影响人员逃生的主要环境因素有隧道内产生的高温和浓烈的烟雾，通过对这两影响因素的研究，将分别得到以下两个人员逃生的判定条件。

3.1.1克拉尼公式

克拉尼公式反映的是人在高温环境中的最大忍受时间与温度的对应关系。本文采用周勇狄的硕士论文中提出的的克拉尼公式作为人员逃生的判定条件(T为空气的温度)[5]:

由此公式可绘出如图5所示的人员忍受极限时间与温度之间的关系图。

3.1.2FED窒息模型

FED窒息模型反映的是人员的最大忍受时间与烟气(主要为CO)浓度的对应关系。本文采用卫巍论文中提出的FED窒息模型作为人员逃生的判定条件:

当FED=0.3时，为CO导致人员失能的极限值；当FED=0.01时，表示CO导致人员失能的可能有1%。由此公式画出的人员忍受极限时间与CO浓度之间的关系如图6所示。

由图5可以看出，发生火灾时，隧道内某位置的温度随时间变化位于图5所示曲线的下方，即该位置各时刻的温度所对应的人员忍受时间均小于人员的极限忍受时间，则表示该位置是安全区域。

由图6可以看出，发生火灾时，隧道内某位置的CO浓度随时间变化位于图6所示曲线的下方，即该位置各时刻的CO浓度对应的人员忍受时间均小于人员的极限忍受时间，则表示该位置是安全区域。

由于隧道火灾时温度和CO浓度都会影响人员的逃生,所以本文将同时以公式（2）、（3）和图5、6作为隧道火灾时人员逃生的判定条件。

3.2人员逃生模拟分析

在本文建立的隧道模型基础上，经模拟仿真计算后，可以得到隧道发生火灾时，隧道内各断面位置的温度与CO浓度随时间的变化关系。然后结合图5和图6,综合绘出的火灾时隧道各断面温度和CO浓度分别与人员极限忍受时间的关系如图7所示。

从图7中可以看出，各断面在5min后的温度均在人员忍受极限值的上方，这说明如果逃生人员在5min内还未逃离危险区域，那么他将面临生命危险。火源下游200m外CO浓度在人员忍受极限值的下方，均能逃离危险区域，其他区域的逃生人员如果在7min内还没有逃离危险区域，那么他们就面临CO中毒窒息的危险，并最终导致死亡。

3.3人员逃生研究

根据以上两个判定条件，经计算可得火灾时人员平均忍受温度和CO浓度的时间及从火灾处逃离至各处的时间，并由此可以得出，火源下游的逃生人员在火灾发生1min后逃生的最远区域及可能的逃生区域如表1和表2所列。

由表1和表2可以看出，在火源下游，火源附近的逃生人员如果在1min内逃不至离火源50m夕卜，那么他将有生命危险；火源下游离火源100m处的人员最多能逃至200m外,只有离火源150m以外的人员，才能逃至安全区域。从最坏的情况考虑，假设火源在人行横洞口，那么如果每300m设有人行横洞，贝映源下游一部分人员可逃离至下一个横洞口；但如果每350m设有人行横洞，那么只有离火源150m以外的人员才能逃离至下一个横洞口，其他位置的人员将有生命危险，因此合理的人行横洞的设置对火灾时人员的逃生有很大帮助。

4结语

本文在建立的隧道中型火灾模型下，研究了隧道火灾时的烟流蔓延、温度及CO浓度的综合分布规律，得出了以下结论：隧道发生火灾时，纵向通风风速为2.8m/s比较合适，此时火源附近的人员，选择往火源上游方向逃生均能到达安全区域；而选择往火源下游方向逃生则应尽量沿着隧道中心线方向逃离，如果在1min内逃不至离火源50m夕卜，那么他将有生命危险；火源下游只有离火源150m以外的人员，才能逃至安全区域。由此隧道内发生火灾时，火源下游的横洞应及时开启，使下游逃生人员在1min后逃得更远，对于长大隧道中内置横洞间距设为300m时，更有利于人员的逃生。

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