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【摘要】本文利用FDS软件对无通风工况下公路隧道火灾进行了瞬态的数值模拟。本模拟选取的是公路隧道中的一段500m作为模拟对象，模拟对象选为下坡隧道，坡度为1.1％，着火点位于隧道路面中央。研究结果显示，对于坡度不大的隧道，利于人员的逃生，而对于坡度比较大的隧道，人员伤亡的危险性较高；烟流在上坡方向扩散速度与隧道坡度成正比，下坡方向相反；没有任何通风时，隧道内温度升高非常快，短期内火源附近隧道顶部温度可至1000℃左右，对隧道结构破坏严重。
【关键字】隧道，火灾，FDS，烟气，温度
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
据交通部统计，20世纪五十年代，我国仅有30多座隧道，总长约2.5公里；六七十年代，我国干线公路上曾修建了百米以上的公路隧道；到1979年，我国公路隧道通车里程仅为52公里，数量为374座。1979年改革开放以后，在国家加大公路基础设施建设的政策下，公路隧道顺应社会需要像雨后春笋般迅猛发展起来。
但同时，隧道规模的增加，交通压力的增加，也使得公路隧道内火灾的危险性呈上升趋势。据不完全统计，近年来欧洲已经发生的重大隧道火灾有数十起之多。2001年10月25日，欧洲第二长的公路隧道，连接瑞士与意大利的ST.Gotthard隧道（16918m），在距离瑞士Airolo端出口前约一公里处，两辆货车因为超车不当发生猛烈碰撞，大火燃烧一整天，浓烟密布整条隧道，当天即造成十一人死亡，隧道顶部坍塌；2005年6月4日，法国与意大利之间的Frejus隧道（12895m），一辆载运轮胎的货车起火燃烧，造成至少二人死亡，二十余人吸入过量有毒气体而受伤，隧道也严重受损 [1-3] 。
我国也曾经多次发生公路隧道火灾事故，1991年上海延安东路隧道发生火灾事故；1998年7月7日，福建盘陀山第二公路隧道因货车在隧道内起火引发火灾； 2002年1月10日，浙江狐狸岭隧道发生火灾隧道等[4]。
因此，隧道火灾模拟研究工作显得尤为重要。
1、隧道火灾物理数学模型
火灾的燃烧和烟气的蔓延是非常复杂的物理现象，是由火区的燃烧与蔓延过程、辐射传热过程、烟气流动与控制过程等各种火灾分过程组成的，情况十分复杂。然而，火灾过程中参数的变化仍遵循质量守恒（连续性方程）、动量守恒（Navia-Stokes方程）、能量守恒（能量方程）以及化学反应定律等[5]。
连续性方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
2、FDS软件介绍
FDS是美国国家标准与技术研究所(NIST) 建筑物与火灾研究实验室开发的一种场模拟程序，是最具特色的火灾烟气运动场模型，应当指出FDS在模型的构建过程中較其它模型采用了尽可能少的假设，其理论基础坚实，能够描述很宽范围的火灾现象，代表了目前火灾烟气运动数值模拟的世界领先水平。
FDS 是主要针对火灾驱动下的流体流动进行计算模拟。它主要有两部分，第一部分主要采用大涡模拟方法数值求解低速的、热驱动下流动的Navier-Stokes方程，重点在于火灾中的烟气和热量的传输计算。第二部分称为Smokeview，主要是用来显示计算结果的绘图程序。
3、模型介绍
本次数值模拟选取的是公路隧道中的一段500m作为模拟对象，隧道结构横断面如图1所示。坐标系原点（0,0,0）位于进口断面底线中点，考虑到临界风速的较不利情况，模拟对象选为下坡隧道，坡度为1.1％，着火点位于隧道路面中央，无通风工况时距隧道入口200m处，其他工况时距隧道入口50m处。整个模型长500m，隧道宽为10.92m，高为7.6m。隧道火源面积采用PIARC,1987的推荐值：2mx6m。
图 1 隧道断面及火源位置示意图
3、模拟结果
3.1 烟气分布
在无任何纵向通风时，烟气在火源上方迅速积聚，然后沿着隧道顶部对称地向隧道两边蔓延，但烟流与空气分层明显，除了火源附近，隧道内一半左右的高度内并没有被烟气污染。但是随着烟气不断地把热量传递给隧道壁而冷却，烟气开始沉积，并逐渐充满整个隧道。在t＝200s时，烟气几乎弥漫火源附近50m内的整个空间，如图2。
同时，烟流扩散的速度非常快，尤其是沿着上坡方向，当t＝140s时，烟气蔓延到隧道上坡入口处（距火源位置300m），由此可得上坡方向的蔓延速度v上为2.15m/s；而沿着下坡方向，烟气速度略微缓慢，当t＝131s时，烟气到达隧道下坡出口处（距火源位置200m），因此v下为1.57m/s。
图2 无通风时烟气的蔓延
3.2 温度分布
从图3可以看出，无通风工况下火源处烟流的温度升高非常快，当t＝120s时，隧道顶部的温度已经升高到800℃左右，但是隧道底部的温度变化并不大，结合图4-6中烟气扩散的规律，我们可以看出此时烟流还没有扩散到隧道下部，烟流运动方式主要为纵向蔓延；当t＝200s时，烟气此时已经弥漫了火源附近的每一处空间，因此隧道底部的空气温度也有100℃左右，而隧道顶部的温度已经接近1000℃；这样的高温能使混凝土的强度损失75％以上[43]，对隧道的结构破坏非常严重，因此必须进行及时的纵向通风，控制烟流流动，降低隧道温度，避免造成隧道坍塌的危险。
图3 t＝150s时隧道纵向温度分布
从隧道纵向的温度分布图上，可以发现沿着隧道下坡方向，烟气平均温度比较高，隧道底部的温度也比较高；沿着隧道上坡的方向，隧道顶部温度比较高，而平均温度比较低。这说明在上坡方向，由于烟气的烟囱效应，烟流迅速弥漫整个隧道断面并且向前蔓延速度较快，烟气与隧道壁接触面积很大，二者的热量交换也很大，所以上坡烟气的平均温度高于下坡方向的，而最高温度却较低；而沿着下坡方向，烟气在隧道上半部贴着顶棚以较低的速度前进，造成上坡方向最高温度（隧道顶部温度）反而较高。
4、结论
根据隧道无通风工况的模拟结果，可以看出，对于坡度不大的（如1.1％和0.3％）隧道，烟气在火灾初期分层明显，利于人员的逃生，而对于坡度比较大（如3.5％）的隧道，烟气在火灾初期即扩散到整个断面，人员伤亡的危险性较高；其次，烟流向上坡方向扩散明显，且速度较高，向下坡方向扩散较为缓慢；再次，烟流在上坡方向扩散速度与隧道坡度成正比，坡度越大，速度越大，下坡方向烟流的蔓延情况则与上坡方向的相反；最后，没有任何通风时，隧道内温度升高非常快，短期内火源附近隧道顶部温度可至1000℃左右，对隧道结构破坏严重。
参考文献
[1] 王明年.秦岭终南山特长公路隧道防灾方案研究[J].公路,2000（11）.
[2] 王永宏.隧道与火灾[J]. 消防技术与产品信息,2004（10）.
[3] 张祉道.公路隧道的火灾事故通风[J].现代隧道技术,2003（20）.
[4] 范维澄，王清安，姜冯辉等.火灾简明教程[M].中国科技大学出版社,1995.
[5] Li Xianting,Yan Qisen. Numerical analysis of smoke movement in subway[J].Fire Safty Science,1993,2(2):6-13.
【关键字】隧道，火灾，FDS，烟气，温度
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
据交通部统计，20世纪五十年代，我国仅有30多座隧道，总长约2.5公里；六七十年代，我国干线公路上曾修建了百米以上的公路隧道；到1979年，我国公路隧道通车里程仅为52公里，数量为374座。1979年改革开放以后，在国家加大公路基础设施建设的政策下，公路隧道顺应社会需要像雨后春笋般迅猛发展起来。
但同时，隧道规模的增加，交通压力的增加，也使得公路隧道内火灾的危险性呈上升趋势。据不完全统计，近年来欧洲已经发生的重大隧道火灾有数十起之多。2001年10月25日，欧洲第二长的公路隧道，连接瑞士与意大利的ST.Gotthard隧道（16918m），在距离瑞士Airolo端出口前约一公里处，两辆货车因为超车不当发生猛烈碰撞，大火燃烧一整天，浓烟密布整条隧道，当天即造成十一人死亡，隧道顶部坍塌；2005年6月4日，法国与意大利之间的Frejus隧道（12895m），一辆载运轮胎的货车起火燃烧，造成至少二人死亡，二十余人吸入过量有毒气体而受伤，隧道也严重受损 [1-3] 。
我国也曾经多次发生公路隧道火灾事故，1991年上海延安东路隧道发生火灾事故；1998年7月7日，福建盘陀山第二公路隧道因货车在隧道内起火引发火灾； 2002年1月10日，浙江狐狸岭隧道发生火灾隧道等[4]。
因此，隧道火灾模拟研究工作显得尤为重要。
1、隧道火灾物理数学模型
火灾的燃烧和烟气的蔓延是非常复杂的物理现象，是由火区的燃烧与蔓延过程、辐射传热过程、烟气流动与控制过程等各种火灾分过程组成的，情况十分复杂。然而，火灾过程中参数的变化仍遵循质量守恒（连续性方程）、动量守恒（Navia-Stokes方程）、能量守恒（能量方程）以及化学反应定律等[5]。
连续性方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
2、FDS软件介绍
FDS是美国国家标准与技术研究所(NIST) 建筑物与火灾研究实验室开发的一种场模拟程序，是最具特色的火灾烟气运动场模型，应当指出FDS在模型的构建过程中較其它模型采用了尽可能少的假设，其理论基础坚实，能够描述很宽范围的火灾现象，代表了目前火灾烟气运动数值模拟的世界领先水平。
FDS 是主要针对火灾驱动下的流体流动进行计算模拟。它主要有两部分，第一部分主要采用大涡模拟方法数值求解低速的、热驱动下流动的Navier-Stokes方程，重点在于火灾中的烟气和热量的传输计算。第二部分称为Smokeview，主要是用来显示计算结果的绘图程序。
3、模型介绍
本次数值模拟选取的是公路隧道中的一段500m作为模拟对象，隧道结构横断面如图1所示。坐标系原点（0,0,0）位于进口断面底线中点，考虑到临界风速的较不利情况，模拟对象选为下坡隧道，坡度为1.1％，着火点位于隧道路面中央，无通风工况时距隧道入口200m处，其他工况时距隧道入口50m处。整个模型长500m，隧道宽为10.92m，高为7.6m。隧道火源面积采用PIARC,1987的推荐值：2mx6m。
图 1 隧道断面及火源位置示意图
3、模拟结果
3.1 烟气分布
在无任何纵向通风时，烟气在火源上方迅速积聚，然后沿着隧道顶部对称地向隧道两边蔓延，但烟流与空气分层明显，除了火源附近，隧道内一半左右的高度内并没有被烟气污染。但是随着烟气不断地把热量传递给隧道壁而冷却，烟气开始沉积，并逐渐充满整个隧道。在t＝200s时，烟气几乎弥漫火源附近50m内的整个空间，如图2。
同时，烟流扩散的速度非常快，尤其是沿着上坡方向，当t＝140s时，烟气蔓延到隧道上坡入口处（距火源位置300m），由此可得上坡方向的蔓延速度v上为2.15m/s；而沿着下坡方向，烟气速度略微缓慢，当t＝131s时，烟气到达隧道下坡出口处（距火源位置200m），因此v下为1.57m/s。
图2 无通风时烟气的蔓延
3.2 温度分布
从图3可以看出，无通风工况下火源处烟流的温度升高非常快，当t＝120s时，隧道顶部的温度已经升高到800℃左右，但是隧道底部的温度变化并不大，结合图4-6中烟气扩散的规律，我们可以看出此时烟流还没有扩散到隧道下部，烟流运动方式主要为纵向蔓延；当t＝200s时，烟气此时已经弥漫了火源附近的每一处空间，因此隧道底部的空气温度也有100℃左右，而隧道顶部的温度已经接近1000℃；这样的高温能使混凝土的强度损失75％以上[43]，对隧道的结构破坏非常严重，因此必须进行及时的纵向通风，控制烟流流动，降低隧道温度，避免造成隧道坍塌的危险。
图3 t＝150s时隧道纵向温度分布
从隧道纵向的温度分布图上，可以发现沿着隧道下坡方向，烟气平均温度比较高，隧道底部的温度也比较高；沿着隧道上坡的方向，隧道顶部温度比较高，而平均温度比较低。这说明在上坡方向，由于烟气的烟囱效应，烟流迅速弥漫整个隧道断面并且向前蔓延速度较快，烟气与隧道壁接触面积很大，二者的热量交换也很大，所以上坡烟气的平均温度高于下坡方向的，而最高温度却较低；而沿着下坡方向，烟气在隧道上半部贴着顶棚以较低的速度前进，造成上坡方向最高温度（隧道顶部温度）反而较高。
4、结论
根据隧道无通风工况的模拟结果，可以看出，对于坡度不大的（如1.1％和0.3％）隧道，烟气在火灾初期分层明显，利于人员的逃生，而对于坡度比较大（如3.5％）的隧道，烟气在火灾初期即扩散到整个断面，人员伤亡的危险性较高；其次，烟流向上坡方向扩散明显，且速度较高，向下坡方向扩散较为缓慢；再次，烟流在上坡方向扩散速度与隧道坡度成正比，坡度越大，速度越大，下坡方向烟流的蔓延情况则与上坡方向的相反；最后，没有任何通风时，隧道内温度升高非常快，短期内火源附近隧道顶部温度可至1000℃左右，对隧道结构破坏严重。
参考文献
[1] 王明年.秦岭终南山特长公路隧道防灾方案研究[J].公路,2000（11）.
[2] 王永宏.隧道与火灾[J]. 消防技术与产品信息,2004（10）.
[3] 张祉道.公路隧道的火灾事故通风[J].现代隧道技术,2003（20）.
[4] 范维澄，王清安，姜冯辉等.火灾简明教程[M].中国科技大学出版社,1995.
[5] Li Xianting,Yan Qisen. Numerical analysis of smoke movement in subway[J].Fire Safty Science,1993,2(2):6-13.