公路遂道火灾人员疏散数值仿真

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摘要：随着社会的不断发展，公路建设的数量和要求也在不断升高，公路的使用率也在不断提高，为了更好的实现公路隧道火灾人员的及时疏散，对隧道火灾的实际情况进行了仿真模拟。

关键词：公路运输；人员逃生；数值模拟；公路隧道；临界风速

随着公路交通建设行业的不断发展，公路隧道的建设量和使用量也在不断升高，随之而来的公路隧道的火灾发生率也在不断提高，火灾事故的发生会对整个公路隧道造成巨大的影响，包括隧道结构的稳定性、隧道内人员的生命安全，以及相应的财产安全等多个方面都会造成较大的影响。其中对于隧道内人员的生命安全造成威胁的最主要的因素为高温有毒气体的流动。本文对福建省厦沙高速公路泉州安溪段岩山隧道的火灾情况进行模拟分析，分析对于隧道内人员生命安全造成最大影响的因素，主要参考隧道内由于火灾产生的烟气的扩散规律以及温度变化的规律，根据分析与计算的结果为隧道火灾的防控以及人员疏散提供参考。主要使用数值模拟技术进行相关操作，通过对仿真模拟的结果进行分析和研究，对于火灾实际的临界风速以及隧道内的温度情况、CO浓度的情况，进行数值分析并计算相关分布规律，利用相关计算公式以及模型对于火灾人员逃生进行综合判定，主要考虑到火灾时隧道内的实际情况以及隧道内部人员的情况，并对两者的关系进行分析，最终计算出公路隧道发生火灾时，最佳安全逃生方向，以及逃生区域和逃生时间。

1.疏散条件

据研究以及实际分析表明，在公路隧道发生火灾的过程中，影响人员疏散的因素有多种，其中最为重要的三种因素为低可视距离、有毒烟气以及高温，这三种因素会直接影响人们的顺利疏散，甚至于直接影响生命安全，火灾发生时，公路隧道内会产生高温的现象，当温度高于50°C时，会使得人员无法正常逃生，在火灾发生时会由于化学反应，产生一定量的有毒气体CO，同时由于火灾所造成的隧道内缺乏新鲜空气，导致人们会吸入一定量的CO，CO在进入体内后会与体内的相关血红蛋白产生化学反应，结合使血红蛋白丧失原有的输氧功能，且人体在吸入CO后会产生头晕、乏力等不良反应，随着吸入量增加会出现头痛呕吐昏迷甚至于死亡的现象，超出一定的临界浓度会使得人员无法逃生。

2.数值模拟

在进行公路隧道火灾模拟时，需要使用相关数值模拟分析软件进行操作，可以更好的对于火灾发生时烟气的传播流动情况进行模拟分析，在处理湍流流动分析时有两种具体的模拟方法，直接数值模拟（DNS）以及大涡模拟（LES）的方法，同时在进行数值模拟的过程中，需要注意热驱动流的定量计算方法，以及数值算法中求解的方程，主要分为四种，包括能量方程、组分质量守恒方程、动量方程以及连续性方程等。

2.1模拟场景

本文模拟隧道的数据为福建省厦沙高速公路泉州安溪段岩山隧道中间部分K2+60～K2+260处的200m，宽10.92m、高6.969m。其中，岩山隧道总长4225米。在进行场景模拟的过程中需要注意隧道的结构特点，并且明确其实际建模长度。在进行实际模拟的过程中，除了对于长度宽度等基本要素进行分析和模拟外，对于公路隧道内部的通风系统也需要进行模拟和分析，在发生火灾进行实际疏散的过程中多为逆风行走，故在实际模拟的过程中需要模拟逆风侧的方向，也需要设定烟气抽排的速度以及根据相关指标对于火源功率的大小进行模拟，同时对于火灾发生时的具体情况进行模拟。

2.2监测点设置

在进行公路隧道火灾情况进行实际模拟过程中，需要设置相关的监测点，对于公路隧道内的实际情况进行检测和分析，监测点的设置需要遵循相关规律，首先在位置上要设置在临近出口的方向，其次在排列上，越贴近火源，监测点的数量越密集。设置监测点的目的在于对于隧道内的温度、CO气体的体积分数以及可视距离进行分析，对所收集到的数据进行分析整合。

3模拟结果及分析

3.1温度场

在进行场景模拟的过程中，根据监测点所监测到的数据表明，各个监测点的数据会随着时间的改变而产生一定的变化，改变的规律是随着距离的改变而产生一定的变化，距离越近，越先上升，同时在开始改变时，温度会出现一个比较大波动，波动之后会呈现稳定的状态，最后会趋于稳定在不同的层次上。整个温度传递的过程需要一定的时间才可以完成，且最后会稳定在不同的温度上且在能量传递的过程中会造成一定的消耗，使得距离与滞后时间呈现正比的关系，温度在不断上升的过程中最终都会到达一定的临界点，和火源之间的距离决定了到达临界点时间的长短，距离越短，到达时间越短，传递越快。

3.2一氧化碳浓度

各监测点CO浓度随时间的变化方式与温度的变化方式相类似，火灾发生后，各个监测点的CO体积分数均呈现上升的状态，在发生的初期会产生一定的波动，波动结束后逐渐趋于稳定。且经数据分析表明，距离火源越近相应的CO体积分数上升的速度也越快且浓度越高，且在火灾发生过程中，随着不断地燃烧，火源点会不断产生新的CO气体，距离火源点较远的地方，由于CO气体扩散速度较慢，且CO气体体积分数在浓度最高时也没有超过临界量，不影响人员在短时间内的疏散。

3.3可视距离

与温度和CO气体体积分数类似，可视距离也会随着距离而发生一定的变化，随着距离的缩小，可视距离也会不断降低，造成可是距离下降的原因主要是由于烟雾的产生，烟雾产生于火源处，距离火源点较远的地方滞后时间会更长，可视距离的变化在初期也会呈现波动的状态，波动结束后会逐渐趋于稳定，由于烟雾的特殊性，在一段时间内会以均匀的密度储存于隧道空间内，最终隧道内各点的可视距离较近。

3.4危险源比较

在进行实际模拟的过程中，对于三种人员逃生的因素进行数值比对和分析，可以看出，在一定的时间内，温度和可视距离相较于CO体积分数更容易到达临界值，且温度到达的速度远超于可视距离的速度，由此可见，在实际发生火灾的情况下，温度对于人员的伤害性高于可视距离和CO有毒气体，可视距离的危害性大于CO有毒气体。

3.5火灾各项数据分布规律

根据数据分析的结果可以得出，在公路隧道发生火灾的过程中，在纵向通风风速呈现为2.8m/s时，更利于隧道内人员的疏散撤离至安全区域，且在撤离过程中，需要分两种情况进行考虑，第一种是上游方向逃离，该速度下人员向上游方向逃离均能到达安全区域，另一种是下游方向逃离，需要选择沿着中心线方向，需要保证在1分钟内可以到达距离火源50米外的距离，且据研究表明，在隧道内内置横洞的间距为300米时更利于人员的撤离，在公路隧道的空间内，发生火灾时，烟气的分布有较明显的规律性，初期会出现一定的波动，同时，距离火源点越远，温度的改变、可视距离的改变以及CO有毒气体体积分数的改变都相对较为滞后，且危险程度也会随之降低，在燃烧中产生的CO的体积分数也会随之降低，会给人员疏散提供一定的时间。

结束语：

本文在建立的福建省厦沙高速公路泉州安溪段岩山隧道中型火灾模型下，对于公路隧道发生火灾时的具体情况进行分析，包括温度、CO浓度以及烟流蔓延的规律，且经相关模拟以及数据分析的结果表明，降低隧道内温度是发生火灾后的工作重点。

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