一种蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定方法

1.本发明涉及公路隧道火灾安全技术领域，尤其涉及一种蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定方法。


背景技术：

2.近年来，我国经济的不断增强，交通建设事业取得了迅猛发展，高速公路建设的规模和数量不断增加，隧道火灾问题也受到越来越多的关注。公路隧道火灾造成危害极大，火灾发生时，隧道内火源上方拱顶最高温度可以达到1000度以上，隧道内火灾烟气扩散到下游时，烟气温度将按照一定规律衰减。在公路火灾中，火源下游纵向温度是影响人员疏散的重要因素。
3.随着西部山区高速公路建设的不断推进，为克服地形高差、减缓坡度和避开不良地质条件等因素，复杂线型隧道逐渐增多，隧道平面线型从以往直线型发展到曲线型，甚至蛇型。例如，正在修建的雅安至叶城国家高速公路康定过境段项目跑马山1号隧道就是典型的蛇型曲线隧道。蛇型曲线隧道线型的特殊性将导致隧道火灾纵向温度场分布特征不同于直线隧道及一般曲线隧道，从而影响火灾下人员疏散设计及隧道衬砌防火设计。因此蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定是蛇型曲线隧道防灾控制设计的基础和关键。
4.通过调研已有成果，发现国内外学者对曲线隧道火灾过程中的火灾模拟及温度场分布特征研究较少，特别是针对蛇型曲线隧道火灾纵向温度场的研究还极其缺乏。蛇型曲线隧道火灾纵向温度计算方法不明确，这对蛇型曲线隧道火灾人员疏散设计及隧道衬砌防火设计造成了较大的困难，对蛇型曲线隧道运营安全将产生严重影响。
5.因此有必要提出一种新的方案，来解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定方法，目的是弥补目前蛇型曲线隧道火灾温度场分布特性研究的空白，为蛇型曲线隧道火灾下的人员疏散设计及衬砌防火设计提供科学依据，以保障蛇型曲线隧道运营安全。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.步骤1，采用流体力学cfd方法，利用流体力学三维数值软件fluent，建立如下模型，具体为：
10.步骤101，建立蛇型曲线隧道火灾温度扩散的数学模型，应用了连续性方程、动量方程、能量方程和标准k-ε模型；
11.步骤102，建立蛇型曲线隧道的几何模型，蛇型曲线隧道几何模型包括一次曲线段和反向曲线段；
12.步骤103，建立蛇型曲线隧道空间内气体流动模型；
13.步骤2，依据蛇型曲线隧道火灾温度扩散的数学模型、蛇型曲线隧道的几何模型、
蛇型曲线隧道空间内气体流动模型和流体力学cfd方法，对蛇型曲线隧道火灾温度场分布进行三维数值模拟计算，得出计算结果；
14.步骤301，根据上述计算结果，确定蛇型曲线隧道火灾工况下火源正上方拱顶最高温度t0和距离火源不同纵向距离的拱顶温度t(x)；
15.步骤302，根据上述确定的拱顶最高温度t0和距离火源不同纵向距离的拱顶温度t(x)，并获得距离火源不同纵向距离的拱顶温度t(x)与拱顶最高温度t0的比值t(x)/t0。
16.步骤4，通过对蛇型曲线隧道距离火源不同纵向距离的拱顶温度与拱顶最高温度的比值进行非线形拟合，整理得到蛇型隧道火灾纵向温度的计算公式：
17.t(x)＝t0·
exp[-0.00183(x-x0)](1)
[0018]
公式(1)中，x-x0为距离火源的纵向距离，t(x)为距离火源纵向距离x-x0的拱顶温度，t0为拱顶最高温度。
[0019]
优选地，所述步骤1中，蛇型曲线隧道的一次曲线段半径为1000m，长度为1800m；反向曲线段半径为1000m，长度为1800m。
[0020]
优选地，所述步骤1中，建立蛇型曲线隧道空间内气体流动模型，建立该气体流动模型时在隧道各处取的边界条件如下：
[0021]
隧道入口及出口均为压力边界条件，隧道内火源为质量流量边界条件，隧道壁面和地面为静止的壁面边界条件，设置为绝热壁面条件。
[0022]
优选地，所述步骤2中，在进行三维数值模拟计算前，在三维数值软件fluent进行初始设定，火灾规模为30mw，燃烧模型采用体积热源模型，火源温度和环境温度分别设置为750℃和12℃。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
本发明采用数值计算方法和模型，得到了蛇型曲线隧道火灾温度场分布特征及纵向温度的计算方法。本发明不仅填补了目前对蛇型曲线隧道火灾温度场分布研究的空白，而且为蛇型曲线隧道火灾下的人员疏散设计及衬砌防火设计提供科学依据，保障蛇型曲线隧道运营安全，具有重要的工程意义。
附图说明
[0025]
图1为本发明的跑马山1号隧道断面图。
[0026]
图2为本发明的蛇型曲线隧道几何模型示意图。
[0027]
图3为本发明的蛇型曲线隧道拱顶最高温度随纵向距离(x-x0)的变化曲线；
[0028]
图4为本发明的蛇型曲线隧道距离火源不同纵向距离的拱顶温度与拱顶最高温度的比值非线形拟合函数。
[0029]
图5为基于本发明的一种蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定方法的流程图。
[0030]
具体实施方法
[0031]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
实施例1
[0033]
如图1所示，本发明模型断面采用跑马山1号隧道实际断面形式，本实施例提供了一种蛇型曲线隧道火灾纵向温度的确定方法，包括如下步骤：
[0034]
步骤1，采用流体力学cfd方法，利用流体力学三维数值软件fluent，建立如下模型，具体为：
[0035]
步骤101，建立蛇型曲线隧道火灾温度扩散的数学模型，应用了连续性方程、动量方程、能量方程和标准k-ε模型；具体如下：
[0036]
连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表述形式，如下所示：
[0037][0038]
公式(1)中，ρ是气体密度，单位为kg/m3，是平均速度矢量，单位为m/s；
[0039]
动量方程包括x、y和z三个方向的动量方程，具体如下：
[0040]
x方向上的动量方程：
[0041][0042]
y方向上的动量方程：
[0043][0044]
z方向上的动量方程：
[0045][0046]
公式(2)、(3)、(4)中，u表示x方向的速度矢量，v表示y方向的速度矢量，w表示z方向的速度矢量，x表示x方向的位移矢量，y表示y方向的位移矢量，z表示z方向的位移矢量，su表示x方向的源项，sv表示y方向的源项，sv表示z方向的源项，p表示气体的压强，μ为常数。
[0047]
能量方程形式如下：
[0048][0049]
公式(5)中，k
eff
为有效导热系数，j
′
是组分，jj′
是组分j
′
的扩散通量，sh是包括化学反应热和其他体积热源的源项，hj′
是组分的焓，e为总的能量，(τ
ij
)
eff
是偏应力张量，表示的是粘性加热。
[0050]
标准k-ε模型需要求解湍流动能及其耗散率方程，形式如下：
[0051][0052][0053]
公式(6)、(7)中，k表示湍流动能，ε表示耗散率，d为隧道断面水力直径，gk表示由于平均速度梯度产生的湍流动势能，gb表示由于浮力产生的湍流动势能，ym表示可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，μ
t
表示湍流粘性系数，其中
[0054]
在fluent中，作为默认值常数，c
1e
＝1.44，c
2e
＝1.92，c
μ
＝0.09，湍流动能k和耗散
率ε的湍流普朗特数分别为σk＝1.0，σ
ε
＝1.3，可以通过调节“粘性模型”面板来调节这些常数。
[0055]
步骤102，建立蛇型曲线隧道的几何模型，蛇型曲线隧道几何模型包括一次曲线段和反向曲线段。
[0056]
如图2所示，作为本发明优选的一种实施方式，所述蛇型曲线隧道一次曲线段半径r1为1000m，长度为1800m；反向曲线段半径r2为1000m，长度为1800m。
[0057]
步骤103，建立蛇型曲线隧道空间内气体流动模型，建立该气体流动模型时在隧道各处取的边界条件如下：
[0058]
隧道入口及出口均为压力边界条件，隧道内火源为质量流量边界条件，隧道壁面和地面为静止的壁面边界条件，设置为绝热壁面条件。
[0059]
步骤2，依据蛇型曲线隧道火灾温度扩散的数学模型、蛇型曲线隧道的几何模型、蛇型曲线隧道空间内气体流动模型和流体力学cfd方法，按照火灾规模30mw对蛇型曲线隧道火灾温度场分布进行三维数值模拟计算，得出计算结果；
[0060]
如图1所示，作为本发明优选的一种实施方式，火源模型采用体积热源模型；
[0061]
火源规模尺寸：长*宽*高＝4.6m*1.7m*1.5m；
[0062]
火源规模大小：30mw；
[0063]
火源温度：750℃；
[0064]
初始条件：隧道内空气密度：0.9kg/m3；隧道内环境温度为12℃；壁面粗糙度：0.022m；出口相对压力0.0pa；
[0065]
步骤301，根据上述计算结果，如图2所示，确定蛇型曲线隧道火灾工况下火源正上方拱顶最高温度t0和距离火源不同纵向距离的拱顶温度t(x)；
[0066]
步骤302，根据上述确定的拱顶最高温度t0和距离火源不同纵向距离的拱顶温度t(x)，并获得距离火源不同纵向距离的拱顶温度t(x)与拱顶最高温度t0的比值t(x)/t0。
[0067]
步骤4，如图2和图3所示，通过对蛇型曲线隧道距离火源不同纵向距离的拱顶温度与拱顶最高温度的比值进行非线形拟合，整理得到蛇型隧道火灾纵向温度的计算公式：
[0068]
t(x)＝t0·
exp[-0.00183(x-x0)](1)
[0069]
公式(1)中，x-x0为距离火源的纵向距离，t(x)为距离火源纵向距离x-x0的拱顶温度，t0为拱顶最高温度。
[0070]
至此完成了整个方法的流程。
[0071]
结合具体实施，可以得到本发明的优点是，采用数值计算方法和模型，得到了蛇型曲线隧道火灾温度场分布特征及纵向温度的计算方法。本发明不仅填补了目前对蛇型曲线隧道火灾温度场分布研究的空白，而且为蛇型曲线隧道火灾下的人员疏散设计及衬砌防火设计提供科学依据，具有重要的工程意义，保障蛇型曲线隧道运营安全。
[0072]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0073]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。