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摘要：本文以武汉长江隧道为例，通过phonics有限元计算软件对隧道火灾进行研究，得到不同运营风速工况下隧道内的烟雾分布规律，找出利于人员逃生的隧道断面风速。
关键词：隧道，控制风速，烟雾分布
Abstract: Based on the case of Wuhan Yangtze River Tunnel project，In This paper，we use phonics finite element calculation software, doing some research on the tunnel fire. In order to check smoke distribution law in Different operational wind speed and then we can find the suitableTunnel cross-section wind speed which is good for human escape.
Keywords：tunnel，Reasonable wind speed，smoke distribution
中文分类号：U458.1 文献标识码：A 文章编号：
引言
据国外资料统计,公路隧道发生火灾的机率是铁路隧道的20～25倍；在隧道内汽车每行驶5000公里就有一次火警的发生。根据PIARC的调查统计，国外公路隧道火灾发生率不超过25次/亿车公里，在长大隧道或交通量大的隧道火灾发生的概率从1次/月～1次/年不等。我国部分高速公路火灾事故发生的概率约为4次/亿车公里。通过对已掌握的国内外资料和未来隧道交通安全发展的预测，可以发现公路隧道内火灾事故的发生在呈逐年上升的趋势，公路隧道防灾救援的研究任务迫在眉睫[1]。
一、工程概况
武汉长江隧道位于武汉长江大桥和武汉长江二桥之间，隧道起于汉口大智路铭新街平交口，止于武昌友谊大道东侧，与规划的沙湖路衔接，并在汉口端设胜利街右进隧道匝道、天津路右出隧道匝道，在武昌端设友谊大道南北方向右进匝道和右出匝道各两条。该隧道总建筑长度3630米分左、右两条隧洞，其中东线隧道长3295米，西线隧道长3303.6米， 设计车速50公里/小时。
二、特长隧道火灾特点
1、火灾的发生、发展具有不确定性
隧道中的车流量不均衡,车载物品不确定,火灾荷载不确定,起火源不确定,这些决定了特长隧道火灾的不可预见性。
2、烟雾大、温度高、能见度低
由于特长型隧道呈狭长型，内部空间较小，近似于封闭空间，很难进行自然排烟。火灾发生后，隧道中空气不足，多产生不完全燃烧，烟雾较大，热量不容易散发，起火点附近能见度低。机械排烟设施启动后，空气流动加快，燃烧猛烈，蔓延快，易造成隧道拱顶混凝土塌落[2]。
3、车辆多，通道容易堵塞
4、人员疏散困难
特长型公路隧道一般都采用灯光照明，发生大火时往往有可能断电，隧道内照明无保障。其次隧道内发生火灾时缺氧现象也是很严重的，对逃生人员构成很大威胁[3]。
三、火灾工况下隧道通风组织要点
当隧道发生火灾，为确保人员能顺利逃生，隧道内气流组织需做到两点：
1、确保隧道断面风速能控制火灾下烟雾的逆流，从而确保着火点上有的人员能弃车逃生[5]。
2、隧道内断面风速不能过大，防止破坏火源下游烟雾分层，使得烟雾迅速扩散开，从而确保着火点下游人员在车辆无法行驶的情况下有弃车逃生的机会。其次若风速过大很有可能造成火灾蔓延引起更大的事故灾害。
四、隧道火灾数值模拟计算
4.1模型的建立
根据相关资料中所给出的尺寸，建立隧道模型，见图2.1。
图4.1武汉长江隧道模型
区间模型尺寸：长度800m，宽度为8m，高度为5m。
火源模型尺寸：长×宽×高＝4m×1.5m×1.5m。火源位置为区间中央250m处。
初始条件：站内平均温度：20℃；站内空气密度：1.2kg/m3；运动粘滞系数：1.544×10-5；浮升加速度：9.8m/s2；比热系数：1005；热传导系数：0.0258；热膨胀系数：0.003410。
边界条件：区间出口、入口相对压力：0.0Pa；
壁面粗糙度：0.022m；
模拟工况（3）模拟工况
·火源能量5MW（小车），隧道入口风速V取1m/s 、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；
·火源能量10MW（卡车），隧道入口风速V取1m/s 、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；
·火源能量20MW（大型车辆如拖挂车），隧道入口风速V取1m/s 、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；
4.2模拟结果与分析
通过数值模拟，旨在找出合理的断面风速（既能控制烟雾逆流，又能保证火源下游烟雾分层明显不会被迅速吹散）。目前烟气浓度没有一个量化的值，烟气浓度图是以火源处烟气浓度为100计算的，由此得出的浓度分布，不代表烟气浓度的真实值，但可反映出烟气的相对值，作为分析烟气层运动规律。
图4-2 断面风速1m/s，火源能量10MW
图4-3 断面风速3m/s，火源能量10MW
图4-4 断面风速5m/s，火源能量10MW
如图4-2所示，由于断面风速较小，无法压制住10MW火源所产生的火风压导致隧道严烟雾逆流，这对上游弃车人员逃生很不利，当断面风速提高到3m/s时，如图4-3所示所示烟雾逆流被成功抑制住，保证的火源上游人员的逃生；并且下游煙雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度较小，这对火源下游人员逃生是很有利的。图4-4所示烟雾逆流虽然被成功抑制，不过由于断面风速过大，下游烟雾全部被吹散，这对火源下游人员逃生极其不利。
汇总10MW火源隧道横断面高度1m、2m、3m、4m处各工况下中心点烟雾浓度值见表：
分析10MW的火灾规模下烟雾分布，表4-1所示，断面风速为1m/s时，隧道断面3m以下烟雾浓度较大（烟雾的质量分数约为50~67），不利于下游人员逃生；当断面风速提高到3m/s时，表4-3所示烟雾分层较好，烟雾浓度随断面的高度明显减小（其中断面1m高度处烟雾质量分数约为12~15），对火源下游人员逃生是很有利，断面风速为5m/s时，如表4-3所示，隧道断面3m以下烟雾浓度较大（烟雾的质量分数约为50~61），说明断面风速过大，将烟雾吹散，不利于下游人员逃生。
五 结论
通过数值模拟，火源能量为5MW工况下，断面风速为1m/s时烟雾发生逆流，断面风速为2m/s时烟雾逆流被控制并烟雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度小利于火源下游人员逃生，当断面风速大于2m/s时烟雾被吹散。
火源能量为10MW工况下，断面风速为1、2m/s时烟雾发生逆流，断面风速为3m/s时烟雾逆流被控制并烟雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度小利于火源下游人员逃生，当断面风速大于3m/s时烟雾被吹散。
火源能量为10MW工况下，断面风速为1、2、3m/s时烟雾发生逆流，断面风速为4m/s时烟雾逆流被控制并烟雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度小利于火源下游人员逃生，当断面风速大于5m/s时烟雾被吹散。
因此得出武汉长江隧道在不同火源规模中较合适的控制风速，5MW控制风速应为2m/s左右，火源10MW控制风速应为3m/s左右，火源20MW控制风速应为为4m/s左右。
六 下一步工作建议
目前关于区间的火灾烟气控制研究多采用单项流来进行数值模拟，然而烟雾是一个具有颗粒和多种气体组成的混合体，下一步应采用多项流来对区间火灾工况进行模拟，从而更加接近实际。、
[1] 吕康成．公路隧道运营管理[M]．北京：人民交通出版社，2006
[2] 周勇狄．长大公路隧道火灾数值模拟及逃生研究[D]．西安：长安大学，2006
[3] 康晓龙，王伟，赵耀华．公路隧道火灾事故调研与对策分析[A]．中国安全科学学报，2007年5月
[4] 冯炼，王婉娣，杨其新等．公路隧道火灾模式下烟流的稳态分析[J]．地下空间，2004,
[5] 张发勇，冯炼．终南山特长公路隧道火灾通风数值模拟分析[J]．地下空间，2004，
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：隧道，控制风速，烟雾分布
Abstract: Based on the case of Wuhan Yangtze River Tunnel project，In This paper，we use phonics finite element calculation software, doing some research on the tunnel fire. In order to check smoke distribution law in Different operational wind speed and then we can find the suitableTunnel cross-section wind speed which is good for human escape.
Keywords：tunnel，Reasonable wind speed，smoke distribution
中文分类号：U458.1 文献标识码：A 文章编号：
引言
据国外资料统计,公路隧道发生火灾的机率是铁路隧道的20～25倍；在隧道内汽车每行驶5000公里就有一次火警的发生。根据PIARC的调查统计，国外公路隧道火灾发生率不超过25次/亿车公里，在长大隧道或交通量大的隧道火灾发生的概率从1次/月～1次/年不等。我国部分高速公路火灾事故发生的概率约为4次/亿车公里。通过对已掌握的国内外资料和未来隧道交通安全发展的预测，可以发现公路隧道内火灾事故的发生在呈逐年上升的趋势，公路隧道防灾救援的研究任务迫在眉睫[1]。
一、工程概况
武汉长江隧道位于武汉长江大桥和武汉长江二桥之间，隧道起于汉口大智路铭新街平交口，止于武昌友谊大道东侧，与规划的沙湖路衔接，并在汉口端设胜利街右进隧道匝道、天津路右出隧道匝道，在武昌端设友谊大道南北方向右进匝道和右出匝道各两条。该隧道总建筑长度3630米分左、右两条隧洞，其中东线隧道长3295米，西线隧道长3303.6米， 设计车速50公里/小时。
二、特长隧道火灾特点
1、火灾的发生、发展具有不确定性
隧道中的车流量不均衡,车载物品不确定,火灾荷载不确定,起火源不确定,这些决定了特长隧道火灾的不可预见性。
2、烟雾大、温度高、能见度低
由于特长型隧道呈狭长型，内部空间较小，近似于封闭空间，很难进行自然排烟。火灾发生后，隧道中空气不足，多产生不完全燃烧，烟雾较大，热量不容易散发，起火点附近能见度低。机械排烟设施启动后，空气流动加快，燃烧猛烈，蔓延快，易造成隧道拱顶混凝土塌落[2]。
3、车辆多，通道容易堵塞
4、人员疏散困难
特长型公路隧道一般都采用灯光照明，发生大火时往往有可能断电，隧道内照明无保障。其次隧道内发生火灾时缺氧现象也是很严重的，对逃生人员构成很大威胁[3]。
三、火灾工况下隧道通风组织要点
当隧道发生火灾，为确保人员能顺利逃生，隧道内气流组织需做到两点：
1、确保隧道断面风速能控制火灾下烟雾的逆流，从而确保着火点上有的人员能弃车逃生[5]。
2、隧道内断面风速不能过大，防止破坏火源下游烟雾分层，使得烟雾迅速扩散开，从而确保着火点下游人员在车辆无法行驶的情况下有弃车逃生的机会。其次若风速过大很有可能造成火灾蔓延引起更大的事故灾害。
四、隧道火灾数值模拟计算
4.1模型的建立
根据相关资料中所给出的尺寸，建立隧道模型，见图2.1。
图4.1武汉长江隧道模型
区间模型尺寸：长度800m，宽度为8m，高度为5m。
火源模型尺寸：长×宽×高＝4m×1.5m×1.5m。火源位置为区间中央250m处。
初始条件：站内平均温度：20℃；站内空气密度：1.2kg/m3；运动粘滞系数：1.544×10-5；浮升加速度：9.8m/s2；比热系数：1005；热传导系数：0.0258；热膨胀系数：0.003410。
边界条件：区间出口、入口相对压力：0.0Pa；
壁面粗糙度：0.022m；
模拟工况（3）模拟工况
·火源能量5MW（小车），隧道入口风速V取1m/s 、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；
·火源能量10MW（卡车），隧道入口风速V取1m/s 、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；
·火源能量20MW（大型车辆如拖挂车），隧道入口风速V取1m/s 、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s；
4.2模拟结果与分析
通过数值模拟，旨在找出合理的断面风速（既能控制烟雾逆流，又能保证火源下游烟雾分层明显不会被迅速吹散）。目前烟气浓度没有一个量化的值，烟气浓度图是以火源处烟气浓度为100计算的，由此得出的浓度分布，不代表烟气浓度的真实值，但可反映出烟气的相对值，作为分析烟气层运动规律。
图4-2 断面风速1m/s，火源能量10MW
图4-3 断面风速3m/s，火源能量10MW
图4-4 断面风速5m/s，火源能量10MW
如图4-2所示，由于断面风速较小，无法压制住10MW火源所产生的火风压导致隧道严烟雾逆流，这对上游弃车人员逃生很不利，当断面风速提高到3m/s时，如图4-3所示所示烟雾逆流被成功抑制住，保证的火源上游人员的逃生；并且下游煙雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度较小，这对火源下游人员逃生是很有利的。图4-4所示烟雾逆流虽然被成功抑制，不过由于断面风速过大，下游烟雾全部被吹散，这对火源下游人员逃生极其不利。
汇总10MW火源隧道横断面高度1m、2m、3m、4m处各工况下中心点烟雾浓度值见表：
分析10MW的火灾规模下烟雾分布，表4-1所示，断面风速为1m/s时，隧道断面3m以下烟雾浓度较大（烟雾的质量分数约为50~67），不利于下游人员逃生；当断面风速提高到3m/s时，表4-3所示烟雾分层较好，烟雾浓度随断面的高度明显减小（其中断面1m高度处烟雾质量分数约为12~15），对火源下游人员逃生是很有利，断面风速为5m/s时，如表4-3所示，隧道断面3m以下烟雾浓度较大（烟雾的质量分数约为50~61），说明断面风速过大，将烟雾吹散，不利于下游人员逃生。
五 结论
通过数值模拟，火源能量为5MW工况下，断面风速为1m/s时烟雾发生逆流，断面风速为2m/s时烟雾逆流被控制并烟雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度小利于火源下游人员逃生，当断面风速大于2m/s时烟雾被吹散。
火源能量为10MW工况下，断面风速为1、2m/s时烟雾发生逆流，断面风速为3m/s时烟雾逆流被控制并烟雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度小利于火源下游人员逃生，当断面风速大于3m/s时烟雾被吹散。
火源能量为10MW工况下，断面风速为1、2、3m/s时烟雾发生逆流，断面风速为4m/s时烟雾逆流被控制并烟雾分层明显，隧道较低处烟雾浓度小利于火源下游人员逃生，当断面风速大于5m/s时烟雾被吹散。
因此得出武汉长江隧道在不同火源规模中较合适的控制风速，5MW控制风速应为2m/s左右，火源10MW控制风速应为3m/s左右，火源20MW控制风速应为为4m/s左右。
六 下一步工作建议
目前关于区间的火灾烟气控制研究多采用单项流来进行数值模拟，然而烟雾是一个具有颗粒和多种气体组成的混合体，下一步应采用多项流来对区间火灾工况进行模拟，从而更加接近实际。、
[1] 吕康成．公路隧道运营管理[M]．北京：人民交通出版社，2006
[2] 周勇狄．长大公路隧道火灾数值模拟及逃生研究[D]．西安：长安大学，2006
[3] 康晓龙，王伟，赵耀华．公路隧道火灾事故调研与对策分析[A]．中国安全科学学报，2007年5月
[4] 冯炼，王婉娣，杨其新等．公路隧道火灾模式下烟流的稳态分析[J]．地下空间，2004,
[5] 张发勇，冯炼．终南山特长公路隧道火灾通风数值模拟分析[J]．地下空间，2004，
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。