坡度对隧道火灾烟气温度分布的影响

赵红莉，徐志胜，李洪，姜学鹏，李冬

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)

摘要：从能量守恒的角度出发，建立预测隧道火灾烟气沿程温度变化的理论模型，研究坡度对隧道烟气温度的纵向衰减和最高温度的影响。并通过缩尺寸火灾模型试验进一步研究隧道坡度对火灾烟气温度分布的影响规律，共考虑0%，1%，2%和3% 4种坡度。并将试验数据与烟气温度的理论模型预测值进行对比，验证其可靠性。试验结果表明：烟气自由蔓延时，无论沿隧道下坡方向还是隧道上坡方向，与火源相同距离处的烟气温度变化与坡度近似呈线性关系；随着坡度的增加，隧道下坡方向的烟气温度降低，隧道上坡方向的烟气温度则逐渐升高，但温度变化幅度不大；当纵向通风风速较大时，不同坡度间的温度差异性逐渐降低；隧道坡度的存在，既有可能加速燃烧，也有可能降低热量。

关键词：坡度；隧道火灾；烟气温度；缩尺寸试验

中图分类号：U459. 2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)10-4257-07

Impact of slope on smoke temperature distribution in tunnel fires

ZHAO Hongli, XU Zhisheng, LI Hong, JIANG Xuepeng, LI Dong

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Based on conversation of energy, a theoretical model was derived to predict the longitudinal distribution of the smoke temperature in tunnel fires, the effect of the tunnel gradient on the smoke temperature distribution was studied. The variations of the smoke temperature in tunnel fires with the tunnel gradient were studied through reduced-scale fire tests, and four slopes of 0%, 1%, 2% and 3% were taken into account. Moreover, the experimental results of smoke temperature were compared with the predictions of theoretical model. The results show that the variations of the smoke temperature at the same distance from the fire source with the tunnel slope can be approximately approached by a linear line under on ventilation, both in downhill and uphill directions of tunnel. The smoke temperatures below the ceiling in downhill direction decrease with larger tunnel slopes, but the smoke temperatures in uphill direction of tunnel increase at a low rate. When the longitudinal ventilation velocity is rather large, the smoke temperature differences among tunnels with different slopes are reduced. The presence of tunnel slope can lead to the possibilities of accelerating the fuel burning as well as reducing the heat in tunnel.

Key words: gradient; tunnel fires; smoke temperature; reduced-scale fire tests

隧道内发生火灾时，由于其狭长空间的特性，火灾烟气不易排出，内部温度会越来越高，不仅严重威胁人的生命、财产安全，而且会对隧道的建筑结构造成严重的破坏。尤其是带有坡度的隧道内发生火灾时，“烟囱效应”使得烟气在隧道上坡方向的蔓延变得异常强烈，增加了隧道火灾下烟气控制的难度，为通风排烟设计带来挑战，而且其火灾发生的概率要远远比无纵坡隧道的高^[1]，因此，隧道坡度对烟气蔓延扩散的影响不容忽视。近年来，隧道火灾造成的严重后果^[2-3]引起人们对隧道消防安全问题的高度重视，国内外很多学者对此展开研究，重点集中在隧道火灾烟气控制的临界风速^[4-7]确定上。关于坡度隧道内烟流温度分布的研究，张兴凯等^[8-10]选取倾斜井巷一段由火灾烟气与壁面构成的控制体，根据控制体能量平衡方程获得烟流最高温度和沿程温度分布的计算模型，在考虑控制体位压变化时引入坡度，计算模型中虽包含坡度因素，可以体现出坡度的变化会引起烟气温度一定的变化，但是究竟烟气温度随着坡度的变化遵循何种规律仍然未知，上坡方向和下坡方向烟气温度随坡度的变化趋势是否一致、隧道内有纵向通风和无纵向通风时坡度对烟气温度的影响是否不同等这些也未知。Atkinson等^[5]采用1/10缩尺寸模型研究下坡隧道的临界风速，在模型隧道下坡方向选取2个温度测量截面，与火源的距离分别是隧道高度的8倍和19倍，发现在一定的纵向风速下，坡度对下坡方向烟气的混合程度有重要影响。由于试验过程中只测量2处温度，且距离火源较远、间距又大，不能完全代表下坡方向烟气沿程温度分布随着坡度的变化规律，并且未涉及上坡方向烟气温度随坡度的变化。陶刚等^[11-12]利用FDS模拟隧道坡度对火灾烟气流动的影响，认为坡度的存在导致隧道内烟气向上坡方向发生偏移，温度沿纵向上坡方向高于下坡方向，但没有分析不同坡度之间隧道同一处温度差异。易亮等^[13]通过试验手段分析纵向通风下隧道坡度对拱顶最高温度的影响，将上坡、下坡隧道的拱顶最高温度分别与同风速下的零坡度隧道对比，并对Kurioka等^[14]所建立的预测零坡度隧道最高温度的模型进行坡度修正。本文对无纵向通风下隧道坡度对拱顶最高温度的影响进行补充说明。现有的研究都说明隧道坡度对烟气温度分布有一定的影响，但是，关于烟气温度随着坡度的变化遵循何种规律、有无纵向通风的情况是否相同、坡度对上坡和下坡方向的温度影响规律是否一致等并没有阐述清楚，因此，有必要深入研究隧道坡度因素对火灾烟气温度分布的影响。JTGD 70—2004(《公路隧道设计规范》)规定隧道纵坡一般情况下不应大于3%，因此，本文共考虑0%，1%，2%和3%等共4种隧道坡度，采用理论分析和模型试验研究相结合的方法，着重考虑隧道坡度参数的影响，研究火灾烟气温度分布的变化规律。

1  坡度对烟气温度影响的理论分析

隧道某处发生火灾后，烟气在浮力效应的作用下离开火源向上运动，在撞击顶棚之后，烟气向火源2侧流动。随着时间的推移，烟气前锋离开火源的距离增大，受烟气影响的范围不断扩大。由于烟气温度高于隧道围岩的温度，所以，烟气流动过程中不断与周围的物体进行热交换，烟气失去热量，温度逐渐下降。

把火灾烟气作为一维稳定流，以隧道的纵向为x方向，假设在纵向蔓延阶段，在距离火源任意x处的整个隧道断面的烟气层温度一致，且在稳定状态下假定烟气的质量流量不变，忽略烟气在流动过程中对外界所做的功，将隧道火灾烟气看作不可压缩流体，并只考虑隧道火灾烟流与环境之间的热交换，由微元体能量守恒可得到自由蔓延情况下隧道内火源下游烟气温度的微分方程式^[8]：

  (1)

其中：m为烟气质量流量，kg/s；c_p为空气的定压比热容，J/(kg·K)；a_b为烟气与墙壁的不稳定传热系数，W/(m²·K)；v为烟气流动速度，m/s；J为坡度(烟气沿坡度向上J取正，烟气沿坡度向下J取负)；g为重力加速度，m/s²；T为距离火源为x m处的烟气热力学温度，K；T₀为隧道围岩的原始热力学温度，K；U为烟气横截面与隧道的接触长度，m。

忽略烟气流动过程中的动能变化项，并且认为烟气流动是个准稳态过程。对于坡度隧道(J≠0)，式(1)可简化为

            (2)

对式(2)进行积分，并代入初始条件(x=0，T=T_f)，整理得出烟气运动过程温度变化计算公式：

          (3)

即

     (4)

其中：K₁为系数，表达式为

                (5)

对于水平隧道(J=0)，式(3)可简化为

            (6)

对比式(4)和(6)，坡度隧道烟气温度沿程衰减公式比水平隧道多了，该部分体现隧道坡度产生的作用，是由位能变化引起的温度变化。

T_f为火源上方烟气温度，当火区长度L_r较短时，其表达式为^[8]

 (7)

其中：q_r为单位长度火区释放出的热量，J/(m·s)，T_a是火区入风端风流的热力学温度，K。

式(7)可变形为

             (8)

可认为T_a=T₀，式(8)可变为

      (9)

K₁的表达式可用下式表示^[16]：

    (10)

其中：W为隧道跨度，m；h为烟气层厚度，m；h_r为辐射传热系数，W/m²·K；ρ为烟气密度，kg/m³。在上坡隧道中，烟气在浮力效应的作用下逐渐向上坡方向发生偏移，随着坡度的增大，上坡方向的烟气蔓延速度v增大，烟气质量流量m增加，导致烟气层厚度h增大，因此，由式(10)可知K₁随着坡度的增大而减小。式(9)中，假设火源充分燃烧，即q_r不发生变化，增大隧道坡度时，随着K的减小而减小，随着坡度的增大而增大。因此，可推断出(T_f-T₀)随着坡度的增大而减小，也说是说，上坡隧道中拱顶下方烟气最高温度随着坡度的增大而减小。

式(4)和(6)分别从理论分析方面表明：隧道坡度对烟气沿程温度分布和拱顶最高温度存在一定的影响，下节将借助模型试验进一步研究有无纵向通风下上坡方向、下坡方向的烟气温度随隧道坡度的变化规律，并利用试验测试数据对预测坡度隧道内烟气自由蔓延时的沿程温度分布和拱顶最高温度的理论模型进行验证。

2  火灾模型试验

2.1  相似方法

通过1:9缩尺寸模型试验来研究铁路隧道列车火灾的烟气温度分布特性。在隧道火灾中，浮力效应起主导作用，火源附近的烟气流动为重力流，因此，模型试验采用Froude准则作为相似准则^[17]，试验数据可以根据一定的比例关系转换为全尺寸条件下对应的同名参数的值，重现实际隧道火灾场景。该比例关系如下：模型和全尺寸隧道的尺度比例关系为L_m/L_p，速度比例为(L_m/L_p)^1/2，流量和火源功率为(L_m/L_p)^5/2，温度为(L_m/L_p)⁰(其中，L指隧道的长度，m；下标m和p分别指模型隧道和全尺寸隧道)。

2.2  试验装置

以广深港狮子洋水下铁路隧道为原型，模型隧道长52.5 m，采用钢板制造，截面内径1.1 m，内部净空高为0.96 m，称为热模型。同时，为直观地观察烟气在隧道内的蔓延过程，专门利用透明的钢化玻璃制造1个相同长×宽×高的隧道模型，称为烟雾蔓延模型。每节列车的尺寸为2.5 m×0.37 m×0.45 m，火源两边各放2节，建成的模型隧道放置在1个大型的室内空间里，受自然风的影响较小，如图1所示。

油池火源位于隧道中间，放置在与列车相连的钢板上，距地面0.2 m，燃料采用甲醇。对10种尺寸油盘稳定燃烧下的燃料质量损失速率进行标定，与甲醇热值相乘获得了不同油盘面积与火源功率的对应关系，确定采用长×宽×高为0.45 m×0.30 m×0.08 m的油盘来模拟63 kW的火源，对应全尺寸火源功率15 MW。为研究坡度对火灾烟气温度场的影响，模型隧道下方设置高度可调节支架，可按照试验需要调节隧道坡度。试验所需风速由设在进风段的通风风机提供，其可采用调速电机对风量进行调节，在隧道内火源两侧每隔10 m布置1个测速截面，共有4个测速截面，与火源中心的距离分别为-20，-10，10和20 m，每个截面上有3个测速点，通过观察隧道内的流速测点来判断隧道内风速与风机转速的关系，可在隧道内形成0~2 m/s的纵向风速。

为减少隧道入口段对隧道内气体流动的影响，在模型隧道出入口设置格栅，使流动尽快进入湍流充分发展段。在实际隧道中，壁面材料为导热和散热都比较差的混凝土材料，为减小火源附近高温区的传热损失，在火源附近模型内部壁面张贴耐高温且导热和散热较差的石棉，以尽量接近混凝土的传热情况，并不会影响模型试验结果的推广应用。

为测量不同坡度下隧道内火灾烟气的温度分布，在隧道拱顶中心线下方2 cm处沿纵向布置51个K型热电偶，其中第1个和最后1个热电偶距离火源25 m，热电偶之间的间距为1 m，精度为0.5 ℃，各测点布置如图2所示。共使用6个温度数据采集模块，共测量火源上下游50 m范围内的温度，如图3所示。

温度采集系统通过RS-232总线以及EWRF-302系列2UT型射频芯片来实现与智能传感器、上位PC机的无线通信，采集控制器定时与智能传感器通信以获得实时温度，上位机与采集控制器进行定时或随时通信可以得到各个传感器的最新采样值。

2.3  试验工况

共进行12组试验，火源功率为63 kW，隧道坡度分别为0%，1%，2%和3%，各工况的具体设置如表1所示。

图1  模型隧道图

Fig. 1  View of model tunnel

图2  模型隧道测点布置图

Fig. 2  Distribution of thermocouples in model tunnel

图3  温度采集模块

Fig. 3  Data collection module for temperature

表1  试验工况

Table 1  Testing conditions

3  试验结果与分析

3.1  烟气沿程温度分布

3.1.1  自由蔓延时的温度分布

图4所示为带有坡度的隧道内火灾烟气自由蔓延过程，由于坡度的存在，烟气沿隧道两侧蔓延不对称，浮力效应使烟气沿上坡方向蔓延速度较快，沿下坡方向蔓延速度较慢。从图4可见：点火后，烟气离开火源向上坡方向蔓延较长一段距离，烟气沉降速度较快，迅速充满整个隧道断面，而向下坡方向仅蔓延一小段距离，烟气分层明显。可见：隧道坡度对火灾烟气的蔓延是有影响的。这主要是因为带有坡度的隧道两端存在高度差，同时隧道出入口之间的烟气存在密度差，在浮力效应的作用下，烟气将沿着隧道坡度方向由低向高流动，这种作用于烟流的附加作用力称为火风压，方向总是沿着上坡方向；当其产生在上坡隧道时，即推动热烟气流向上坡方向运动，表现为动力，当其产生在下坡隧道时，即阻碍热烟气向下坡方向流动，表现为阻力。

图4  坡度隧道内火灾烟气自由蔓延过程

Fig. 4  Smoke movement in sloping tunnel without ventilation

图5所示为火灾烟气自由蔓延条件下稳定后的沿程温度分布图。在水平隧道内，拱顶下方烟气温度基本以火源呈对称分布，随着坡度的增大，温度分布曲线逐渐向上坡侧发生偏移，呈不对称分布，与火源相同距离处上坡侧烟气温度要高于下坡侧烟气温度，表明坡度使烟气流动产生一定的偏离，对沿程温度分布具有一定的影响。

图5  烟气自由蔓延时隧道拱顶温度纵向分布

Fig. 5  Longitudinal distribution of smoke temperature below ceiling under no ventilation

为观察隧道坡度对火灾烟气沿程温度分布产生的影响，分别提取各坡度下沿隧道下坡方向、上坡方向与火源不同距离处的烟气温度，如图6和图7所示，并将试验条件下的参数代入到理论模型中得到相应的模型预测值，与试验测量值进行对比。从图6和7可见：在自由蔓延情况下，烟气温度随着与火源距离的增大而降低，无论沿隧道下坡方向还是隧道上坡方向，与火源相同距离处的烟气温度变化与隧道坡度近似呈线性关系；随着坡度的增大，隧道下坡方向的烟气温度逐渐降低，隧道上坡方向的烟气温度则逐渐升高，但随坡度的增大温度变化幅度不大。这是因为坡度的存在，使得火羽流逐渐向隧道上坡方向倾斜，更多的热烟气向上坡方向蔓延，上坡侧烟气温度升高；随着坡度的增大，烟气流动会更加强烈，隧道内的烟气分层被扰乱，导致卷吸的冷空气量增加，又会带走一部分热量；另外，坡度隧道内烟气沿程温度分布理论模型预测值与试验值比较接近，证明理论分析的正确性，可较准确得预测出隧道烟气温度的沿程衰减过程。

图6  下坡方向温度随坡度的变化

Fig. 6  Variations of smoke temperatures in downhill direction with slopes

图7  上坡方向温度随坡度的变化

Fig. 7  Variations of smoke temperatures in uphill direction with slopes

3.1.2  纵向通风时的温度分布

图8所示为纵向通风下不同隧道坡度拱顶下方烟气温度分布的试验结果，纵向通风风速分别为0.34 m/s和0.67 m/s。从图8可见：有纵向通风的情况下，随着坡度的增大，隧道下坡方向的烟气温度逐渐降低，与自由蔓延时的情况相比，由于沿下坡方向蔓延的烟气流动方向与纵向通风方向相反，纵向通风的存在使下坡方向烟气温度随坡度降低的幅度减小；当纵向风速增大到0.67 m/s时，下坡方向拱顶温度在大部分区域都接近于常温，只在靠近火源的区域随坡度降低。隧道上坡方向的烟气温度随坡度的增大逐渐升高，但随坡度的增大温度变化幅度较小。由此可知，有纵向通风时隧道坡度对拱顶下方烟气温度存在一定的影响，而当纵向通风风速较大时，以通风带走热量为主，不同坡度间的温度差异性逐渐降低。

图8  纵向通风下隧道拱顶温度纵向分布

Fig. 8  Longitudinal distribution of smoke temperature below the ceiling under ventilation

3.2  拱顶最高温度分布

无纵向通风时，隧道拱顶最高温度随着隧道坡度的发展呈现一定的变化规律，如表2所示。

从表2可知：拱顶最高温度随坡度的增大先升高后下降。这是因为在0%坡度时63 kW的火源燃烧不完全，随着坡度的增大，隧道两端压差增大，空气流动加强，更多新鲜空气流向火源，使燃烧更充分，火灾燃烧生成的总热量增大，火源处最高温度升高；继续增大隧道坡度，烟气沿上坡方向流动加快，使得高温烟气在火源正上方隧道顶壁处积聚的时间减少，以带走热量为主，温度开始下降。这说明隧道坡度使得空气流动性加强，更多的新鲜空气流向燃烧区，既有加速燃烧的可能性也有降低热量的可能性。对比上坡隧道烟气最高温度的试验数据和理论预测值可以看出：上坡隧道拱顶下方最高温度随坡度的增大而降低，变化规律同前述理论分析的结果一致。在纵向通风下，隧道坡度的不同对拱顶最高温度的影响见文献[13]。

表2  火源处最高温度

Table 2  Maximum smoke temperature below ceiling over fire source

4  结论

(1) 基于能量守恒方程，建立预测坡度隧道内火灾烟气沿程温度变化和拱顶最高温度的理论模型，从理论分析的角度说明隧道坡度对烟气沿程温度分布的影响是由位能变化引起的温度变化，上坡隧道中拱顶最高温度随着坡度的增大而减小。

(2) 通过缩尺寸火灾模型试验研究，揭示温度分布曲线向隧道上坡侧发生偏移，通过对比自由蔓延时烟气温度沿程分布和拱顶最高温度的试验测试结果和理论模型预测值，验证理论模型预测隧道火灾烟气温度分布的有效性。

(3) 无论沿隧道下坡方向还是隧道上坡方向，与火源相同距离处的烟气温度变化与坡度近似呈线性关系，随着坡度的增加，隧道下坡方向的烟气温度逐渐降低，隧道上坡方向的烟气温度则逐渐升高，温度变化幅度不大。

(4) 有纵向通风存在的情况下，随着坡度的增大，隧道下坡方向的烟气温度逐渐降低，上坡方向的烟气温度逐渐升高；当纵向通风风速较大时，不同坡度间的温度差异性逐渐降低。

(5) 坡度的存在使空气流动性加强，既有加速燃烧的可能，也有降低热量的可能。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2012-07-09；修回日期：2012-10-31

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2006G007-A-1，2006G007-C-1)

通信作者：赵红莉(1986-)，女，河南商丘人，博士，从事隧道通风排烟的研究；电话:0731-82656625；E-mail：zhaohonglixh@126.com