隧道火災不同CFD 模型的對比分析及試驗驗證

高才馳 ,陳寧威 ,陳 飛 ,張小寧

(1.蘇交科集團股份有限公司,南京 210019;2.南京地鐵運營有限責任公司,南京 210008;3.山東大學土建與水利學院,濟南 250061)

隨著交通網絡的不斷完善,我國隧道的數量也在逐年增加[1]。據中華人民共和國交通運輸部發布的《2021 年交通運輸行業發展統計公報》,截至2021 年年底,我國已有公路隧道23 268 處,總長2 469.89 萬延米。隧道在方便人們出行、提高運輸效率的同時,也伴隨著火災安全隱患。雖然隧道火災事故發生的頻率不高,但是一旦發生,造成的損失往往十分重大[2-5]。2017 年,山東省威海市陶家夼隧道火災造成13 人死亡,其中11 名是兒童;同年,河北省保定市浮圖峪隧道發生火災爆炸事故,造成15 人死亡,直接經濟損失逾4 200 萬元。近年來,新建的隧道結構更加復雜[6-11],傳統的隧道火災煙氣控制方案可能失效,給隧道消防安全帶來了新挑戰。在獲取隧道火災數據時,試驗雖最可信[12],但是存在成本高、周期長、數據少等缺點;而理論分析基本無法給出隧道內物理場的解析解。數值模擬能夠給出隧道火災發生、發展、熄滅全過程的信息[13-15],并合理預測溫度場和煙氣流動的特征[16-17],具有成本低、數據豐富等優點。在隧道火災的數值模擬方面,CFD 模擬是應用最廣泛的方法[18],其代表軟件有FDS(Fire Dynamics Simulator,火災動力學模擬工具)、FLUENT 和PHONIECS。借助這些軟件,學者們對諸多隧道火災場景開展了數值模擬研究。在頂棚下方最大溫度方面,Hu 等[19]通過FDS 模擬與全尺寸試驗的對比,驗證了Kurioka 模型的準確性;姚堅[20]使用FLUENT 軟件模擬了不同縱向風速下的溫度場變化規律,建立了描述隧道火災縱向和橫向溫度的近似公式。陳長坤等[21-22]使用FDS 軟件研究了火源面積對隧道內溫度分布的影響。在煙氣運動方面,Wang 等[23-24]使用FLUENT 軟件模擬了彎曲隧道發生火災時的臨界風速。Yang 等[25]模擬了隧道內發生火災時的煙氣流動。FLUENT 軟件是常用于火災模擬計算的軟件,但使用FLUENT 軟件計算得到的隧道火災溫度一般都偏高[20],因此有必要對FLUENT 軟件支持的多種CFD 模型進行對比分析,提出結果準確、計算成本低的模型,為研究隧道內火災的數值模擬提供參考。

湍流模型和燃燒模型是計算隧道火災的兩個重要工具,受到了眾多學者的關注。Gao 等[26]對比了LES((Large Eddy Simulation,大渦模擬)和標準k-ε方程,認為LES 能夠更好地模擬煙氣回流和隧道斷面的熱分層現象,但是兩者均高估了隧道內的煙氣溫度。Maele 等[27]對比了LES 和RANS(Reynolds-averaged Navier-Strokes equations,雷諾平均方程)模擬的通風良好的水平隧道發生火災時的臨界風速,發現RANS 給出的預測值偏小而LES 偏大。Yang 等[28]和 Xue等[29]對比了體積熱源(volumetric heat source,VHS)模型、渦旋破碎(eddy break up,EBU)模型和概率密度(probability density function,PDF)模型,發現不同燃燒模型對室內火災的預測結果缺乏良好的一致性。

以往的研究使用FLUENT 軟件進行隧道火災數值模擬時,采用的燃燒模型(如體積熱源法、組分PDF 模型等)和湍流模型(如RANS 或LES)不盡相同,甚至物理模型也不相同,如是否擴大計算域、是否考慮壁厚等。Mcgrattan[30]指出,對于一個特定火災場景,不同的CFD 模型沒有對與錯,只有合適與否。鑒于此,本文選取單管直隧道火災場景,首先利用搭建的縮尺試驗臺開展試驗,然后使用FLUENT 軟件,通過對比不同物理模型、燃燒模型和湍流模型的計算值與試驗值的差異,篩選出適用于隧道火災模擬的CFD 模型,為復雜結構隧道火災模擬提供參考。

1 縮尺試驗設計

搭建模型開展試驗,1 ∶6 縮尺寸分岔隧道模型示意如圖1 所示。主隧道長20.0 m,寬1.2 m,高0.9 m,橫截面為矩形,火源位于主隧道中央。隧道骨架由3 mm 厚的鋼板制成,內表面使用5 cm厚的石棉板保護。將石棉板表面處理平整,以盡可能減小壁面摩擦阻力。使用熱電偶樹測量隧道內縱截面上的溫度分布,熱電偶布置如圖1(a)所示。其中,最高的熱電偶位于頂棚下方9 cm 處,用以測量頂棚下方的最大溫度。距離火源1 m 的范圍內,熱電偶樹的間距為0.25 m;這個范圍以外,熱電偶樹的間距為0.5 m。在距離一端口1 m 處安裝一臺攝像機,記錄火焰形態。使用邊長為0.4 m 的方形乙醇池火模擬火源,乙醇純度為99%。用電子天平記錄乙醇的質量損失速率,電子天平精度為1.0 g。熱釋放速率通過質量損失率計算,燃燒效率取1.0。點火前燃料厚度保持在10 cm。環境溫度約為10 ℃。

圖1 1 ∶6 縮尺寸分岔隧道模型示意

2 數值模擬模型及設置

2.1 物理模型

按照縮尺寸試驗裝置建立3 種不同的物理模型。第1 種物理模型與縮尺試驗臺相同,但沒有體現壁厚;第2 種物理模型在隧道兩端口增加兩個六面體,以消除隧道出口邊界條件對隧道內流場的影響;第3 種物理模型在第2 種物理模型的基礎上體現了壁厚,使流體能夠向隧道壁面散熱。后兩種物理模型的具體尺寸如圖2 所示。

圖2 后兩種物理模型的具體尺寸

2.2 燃燒模型

隧道火災模擬常用的燃燒模型有體積熱源法和燃燒速率計算法。體積熱源法不計算化學反應速率,直接將火源簡化為一個發熱體,即對空間內位于火焰內部的網格添加能量源項,其值等于火源功率,計算方法為

式中,cell 表示網格單元,[flame region] 表示火焰區。

體積熱源法雖不能考慮火焰形態,模擬的煙氣生成量也比實際小,但是計算量不大,能給出較合理的臨界風速預測值,因此被很多學者采用[24-25,31-32]。

由于VHS 模型僅考慮了火源對計算域熱量的傳遞,沒有考慮熱煙氣的生成,因此基于Heskestad羽流模型,提出傳質體積熱源(mass transfer-volumetric heating source,MT-VHS)模型,該模型能夠在VHS 模型的基礎上釋放熱空氣以模擬火羽流。Heskestad 模型認為火源熱煙氣的質量流量可以描述為

綜合式(1)～式(3)可得MT-VHS 模型的表達式?？梢钥闯?在質量傳遞方面,該模型能夠將符合實際量的熱煙氣送入計算域;在熱量傳遞方面,該模型繼承了體積熱源法的優點,能夠產生穩定功率的熱量,但該模型沒有考慮空氣卷吸。氣體描述模型決定了氣體的流動傳熱狀態,主要參數包括密度、定壓比熱、導熱系數和動力黏度。為了減少模擬計算量,本文認為熱煙氣是溫度高的空氣?？諝獾奈镄詤凳褂脭M合的曲線來表示[32]。

火災數值模擬中,常用的湍流模型有k-ε雙方程模型和大渦模擬。k-ε雙方程模型是雷諾平均方程中的一種,它采取了工程上可接受的、將溫度等物理量進行時間平均的處理方式,因而極大地減少了計算量;而大渦模擬基于渦旋的能量級串原則,不對物理量進行時間平均,直接對渦旋進行模擬計算。以往學者在進行火災模擬計算時,兩種湍流模型均被使用。下文將對比兩種模型的計算結果。

2.3 模擬工況設置

空氣的流動和熱物性參數對火災時的溫度等有直接的影響。常用的布辛涅斯克近似理論僅能適用于溫度變化不大的場景(如自然對流等)。因此,本文通過對空氣在300～2 000 K 之間進行擬合,使用得到的擬合公式來描述空氣在不同情況下的流動和熱物性?？諝馕镄詤惦S溫度的變化如表1 所示。

表1 空氣物性參數隨溫度的變化

為對比不同物理模型、燃燒模型、氣體描述模型和湍流模型的特點,篩選出合理的模型,模擬工況設置如表2 所示。使用ICEM 軟件劃分結構化網格,并對火源附近的網格進行加密。網格獨立性驗證表明,使用總數為56 萬的網格能夠兼顧準確性和經濟性。試驗中質量損失速率為1.32 g·s-1,折合火源功率為35.34 kW。因此在使用VHS 模型時設定=35.34 kW。試驗中使用的乙醇燃燒時產生的熱煙氣量很少,總的熱釋放中以熱輻射的形式散失的熱量占比較小,因此取

表2 模擬工況設置

3 結果及分析

3.1 頂棚下方的縱向溫度分布

VHS 模型中不同設置的頂棚下方溫度分布預測值與試驗值對比如圖3 所示。

圖3 VHS 模型中不同設置的頂棚下方溫度分布預測值與試驗值對比

圖3(a)為使用VHS 模型(即工況A1～A6)300 s 時頂棚下方的縱向溫度分布?？梢钥闯?使用布辛涅斯克近似計算的頂棚下方溫度比使用擬合參數計算的低200～500 K。布辛涅斯克近似認為空氣物性是常數,而隨著溫度升高,空氣密度降低,導熱系數增大,比熱基本不變,因此空氣的熱擴散系數α=λ/ρc隨著溫度升高而增大,使空氣溫度劇烈升高。VHS 模型不能對頂棚下方溫度給出準確的預測值。此外,由圖3(b)可以看出,若模型沒有擴大計算域,溫度分布可能是嚴重不對稱的,這可能是隧道出口邊界條件設置的影響。實際的隧道出口存在中性面[34],壓強必定有變化。若不考慮擴大計算域,則在設置邊界條件時,隧道端口被認為是等壓強的。是否考慮壁厚對溫度影響不大,因此在工況B 組中僅使用擴大計算域的物理模型。

MT-VHS 模型頂棚下方縱向溫度分布與試驗值的對比如圖4 所示。由圖4 可以看出,當設定氣體性質為擬合參數時,該模型對火源近場的溫度預測效果非常好,但是對火源遠場的預測效果較差?，F實中,煙氣通過卷吸空氣和向壁面散熱降溫,而在模擬中沒有考慮壁面的對流散熱。同時,模擬火源沒有卷吸周圍的空氣,熱煙氣與冷空氣之間的剪切流動不強,這兩個原因導致火源遠場的溫度較高。其他設置相同時,LES 給出的頂棚下方縱向溫度曲線波動較標準k-ε方程的大,原因可能是LES 沒有進行時間平均。

圖4 MT-VHS 模型頂棚下方縱向溫度分布與試驗值的對比

3.2 頂棚下方最大溫度

使用布辛涅斯克近似會明顯低估溫度,未加大計算域可能導致縱向溫度分布不對稱,因此選取工況A4、B1 和B2 的頂棚下方最大溫度做對比,頂棚下方最大溫度如圖5 所示,同時給出了Li 模型[31]的預測值。

圖5 頂棚下方最大溫度

可以看出,VHS 模型高估了頂棚下方最大溫度,而MT-VHS 模型的預測結果與Li 模型很接近,誤差在10%以內。因此,在使用FLUENT 軟件模擬隧道火災時,推薦使用MT-VHS 模型,且在定義空氣性質時推薦使用擬合參數。

4 結論

針對FDS 無法捕捉復雜隧道結構的問題,本文基于Heskestad 羽流模型,提出了空氣卷吸模型和傳質體積熱源模型,并選取典型隧道火災場景,比較了不同物理模型、燃燒模型、氣體描述模型的計算結果,最后將模擬結果與縮尺試驗相比較,篩選出了科學經濟的CFD 模型。具體結論如下:

(1) 在隧道兩端出口加大計算域能夠消除不合理的邊界條件對隧道內溫度場的影響。隧道端口存在中性面,因此端口處的壓強必定有變化,而不擴大計算域的物理模型,簡單地將端口處的壓強認為是一個常數不夠合理。數值模擬結果也表明,若沒有加大計算域,隧道頂棚下方溫度縱向分布可能變得不對稱。隧道壁厚對溫度影響不大。

(2) 空氣熱物性參數決定了隧道內的溫度場。其他模型設置相同時,布辛涅斯克近似給出的隧道內溫度較低,擬合參數給出的溫度較高。布辛涅斯克近似假設空氣性質不變,但實際上隨著溫度的升高,空氣密度降低,導熱系數增大,導致空氣的熱擴散系數增大,使頂棚溫度急劇升高。由于沒有考慮壁面散熱,使用空氣擬合參數計算得到的溫度較高。

(3) 加大計算域、燃燒模型采用MT-VHS 的設置能夠給出隧道頂棚下方最大溫度較好的預測值,本文的誤差在10%以內。但是該模型沒有考慮壁面的散熱和空氣卷吸,因此給出的縱向溫度分布比試驗值高。

本文選取了典型火災場景,對比了不同CFD 模型的計算結果,確認了傳質體熱源模型的科學性和經濟性,為復雜隧道內火災的數值模擬提供了科學的方法。雖然該模型對頂棚下方最大溫度的預測較準確,但是對縱向溫度分布的預測值偏大,需要考慮對流換熱系數。此外,通風情況下的火羽流形態和空氣卷吸發生改變,傳質體積熱源模型中的質量傳遞的量以及火焰長度和傾斜角度需要修正,此外,本文沒有考慮火焰觸頂的工況,將作為下一步的研究方向。