公路隧道内不同横向位置的双火源火焰合并概率试验研究.pdf

消防理论研究Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10公路隧道内不同横向位置的双火源火焰合并概率试验研究彭伟,谢奇,刘贤浩,臧雪（安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232000）摘要：为探究自然通风隧道内双火源的火焰合并概率，利用 1:10小尺寸隧道模型开展了一系列试验。重点分析了火源的横向位置和火源间距对火焰合并概率的影响。结果表明：不同隧道横向位置的双火源火焰合并都存在持续合并阶段、间歇合并阶段和不合并阶段。在持续合并阶段内，火焰合并概率始终等于 1，在间歇合并阶段内，火焰合并概率随着火源间距的增大而快速减小；在不合并阶段内，火焰合并概率始终为 0；贴壁位置处的双火源火焰合并概率下降至 0 所需要的火源间距更大。在无量纲火源间距大于等于 0.27 且小于等于 0.8 区间内：当无量纲火源横向位置小于等于 0.06时，火焰合并概率比值随着无量纲火源横向位置的增大而线性减小；当无量纲火源横向位置大于 0.06时，火焰合并概率比值不再随无量纲火源横向位置的增大而发生明显变化。关键词：自然通风隧道；双火源；火焰合并概率；火源间距；隧道横向位置中图分类号：X913.4；X932 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）10-1350-06隧道内车辆的碰撞经常会引起火灾事故的发生，基于隧道狭长空间的特殊结构，当发生火灾时，包括火焰和高温烟气在内的火羽流会向邻近车辆传递大量的热，在很短的时间内就能引起邻近车辆的起火燃烧1，引起隧道内多处火灾2。多火源的燃烧特性不同于单火源，当火源间距较近时，由于火焰卷吸空气受限，火焰会发生倾斜甚至合并3-5，这会大大增加火焰高度，产生更多有毒有害性烟气，对隧道内人员安全造成严重威胁6-7。因此，为最大限度降低隧道内多处火灾的危害，需要深入研究隧道内多处火灾的火焰特征。在过去的一段时间内，前人开展了大量关于隧道内双火源羽流特性的研究工作，例如 SHAFEE S 等8利用试验探究了隧道内纵向通风速度和油池深度对双火源热释放速率的影响。HE K9等探究了自然通风隧道内火源热释放速率和火源间距对火焰合并、火焰倾角和火焰高度的影响，并建立了相关预测模型。WAN H X等10探究了自然通风隧道内火源热释放速率和火源间距对双火源的火焰长度和倾斜角度的影响。然而，在以往对隧道内双火源的研究中只假设火灾发生在隧道中轴线上，但是在实际情况中火灾发生的位置更为复杂，其可以位于隧道的任意横向位置11，当火灾发生在隧道侧壁附近时，火羽流的空气卷吸作用就会受到侧壁的影响，此时火焰形态与隧道中轴线附近的火灾会有较大差别12。为此，笔者利用 1：10小尺寸隧道模型，探究了火源尺寸、火源横向位置以及火源间距对火焰合并概率的影响，旨在为隧道火灾探测、消防救援和隧道结构防护提供基础数据。1试验设置1.1试验平台及试验工况试验全部在 1：10 的小尺寸隧道模型中完成，如图 1所示，小尺寸隧道模型的长、宽、高分别为：10.5、1.0、0.6 m。为保证隧道模型壁面传热性能与实际隧道相似，隧道的顶棚、底板以及内侧侧壁都采用 1.5 cm 厚的防火板，外侧侧壁采用耐高温的防火玻璃以便观察火焰形态特征。试验采用 3个尺寸大小的油池火作为模拟火源，以 92#乙醇汽油作为燃料13，单个油池尺寸分别为：0.10 m0.10 m、0.15 m0.15 m、0.20 m0.20 m，高度均为 0.08 m。在隧道中轴线上的火源功率分别为 4.38、13.86、22.05 kW，按照弗洛德相似准则对应的实际功率为 1.06、3.37、5.36 MW14，如式（1）所示。Qm/Qf=(lm/lf)5/2（1）式中：Qm为小尺寸隧道模型中的火源热释放速率，kW；Qf为实际隧道中的火源热释放速率，MW；lm/lf为隧道模型和实际隧道的尺寸比例。图 2为隧道内不同横向位置的火源布置俯视图，x 方向为隧道的纵向，y 方向为隧道的横向，即隧道的断面方向。w为隧道的宽度，火源靠近隧道内壁的一侧与隧道内壁的距离为r，火源的间距为s，D为火源尺寸。另外图2中还给出了 3种特殊的隧道横向位置，分别为贴壁位置（r=0），邻壁位置（r=w/4-D/2）和中轴线位置（r=w/2-D/2）。考虑火源尺寸、火源横向位置以及火源间距对火焰融合概率的影响，设计了 240 组小尺寸隧道火灾试验，具体试验工况如表 1所示，由于试验所用的两个火源尺寸相同，所以表 1中只给出了 1个火源的尺寸。DV11.0 m0.6 mDV2火源 2火源 1电子天平防火板10.5 m图 1试验装置布置图Fig.1Experimental setup diagram1.2数据采集及处理本试验利用视频采集设备记录火焰形态以判断火焰在不同工况下的合并概率。火焰正前方视频采集设备录像帧率为 60 帧，分辨率为 1 9201 080，侧方视频采集设备录像帧率为 30 帧，分辨率为 1 9201 080。为降低试验误差，每组试验都在点火后等待 150 s，使火源热释放速率和火焰稳定后再进行记录。试验时关闭实验室门窗，防止外界风干扰。THOMAS P H 等15将两个火焰达到刚好接触的状态定义为火焰合并，但是火焰的间歇性使其飘忽不定，很难准确判断其是否合并。因此本研究利用张少杰16判断火焰合并概率的方法：从每个试验视频中截取处于稳定燃烧状态的 45 s，然后导出 2 700张彩色图片，将彩图转换为灰度图，通过计算某像素点上灰度值并与灰度阈值比较来判断此点是否有火焰，通过这些操作，可以使火焰图像从 RGB 图像转化为二值图，如图 3 所示。利用循环算法将试验过程中获取的所有图片转化为二值图，如此便可以获得图片中各个像素点火焰出现的概率，即可获得火焰的概率分布图，如图 4所示。2结果与讨论2.1火焰合并特性从以往的研究来看，隧道的侧壁会严重影响火焰对周围空气的卷吸17，具体表现为位于中轴线附近的火源无任何限制，火焰四周均能稳定卷吸空气，随着火源与侧壁的距离逐渐减小，侧壁的约束作用逐渐显现18，火焰从火源与侧壁间区域卷吸空气的受限程度增大，因此火焰会从未受限的其他区域卷吸更多的空气以保证充分燃烧，因此在火源间距相同的条件下，靠近壁面的火焰倾斜角度更大，火焰合并概率也更高。在进行量纲分析时应找出所有能影响试验结果的相关关键参数19。根据前人的研究发现，隧道中双油池火的火焰合并概率Pm受火源热释放速率Q，火源尺寸D和火源间距s的影响20，而在本研究中还探究了双火源火焰贴壁邻壁中轴线外壁内壁ww/2w/4sryx0图 2隧道内火源位置俯视图Fig.2Top view of the location of the fire source inside the tunnel表 1试验工况Table 1Experimental conditions图 3火焰合并图像处理过程Fig.3Image processing steps of flame merging1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1s图 4火焰间歇概率图Fig.4Flame intermittency probability plot1350消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期1.2数据采集及处理本试验利用视频采集设备记录火焰形态以判断火焰在不同工况下的合并概率。火焰正前方视频采集设备录像帧率为 60 帧，分辨率为 1 9201 080，侧方视频采集设备录像帧率为 30 帧，分辨率为 1 9201 080。为降低试验误差，每组试验都在点火后等待 150 s，使火源热释放速率和火焰稳定后再进行记录。试验时关闭实验室门窗，防止外界风干扰。THOMAS P H 等15将两个火焰达到刚好接触的状态定义为火焰合并，但是火焰的间歇性使其飘忽不定，很难准确判断其是否合并。因此本研究利用张少杰16判断火焰合并概率的方法：从每个试验视频中截取处于稳定燃烧状态的 45 s，然后导出 2 700张彩色图片，将彩图转换为灰度图，通过计算某像素点上灰度值并与灰度阈值比较来判断此点是否有火焰，通过这些操作，可以使火焰图像从 RGB 图像转化为二值图，如图 3 所示。利用循环算法将试验过程中获取的所有图片转化为二值图，如此便可以获得图片中各个像素点火焰出现的概率，即可获得火焰的概率分布图，如图 4所示。2结果与讨论2.1火焰合并特性从以往的研究来看，隧道的侧壁会严重影响火焰对周围空气的卷吸17，具体表现为位于中轴线附近的火源无任何限制，火焰四周均能稳定卷吸空气，随着火源与侧壁的距离逐渐减小，侧壁的约束作用逐渐显现18，火焰从火源与侧壁间区域卷吸空气的受限程度增大，因此火焰会从未受限的其他区域卷吸更多的空气以保证充分燃烧，因此在火源间距相同的条件下，靠近壁面的火焰倾斜角度更大，火焰合并概率也更高。在进行量纲分析时应找出所有能影响试验结果的相关关键参数19。根据前人的研究发现，隧道中双油池火的火焰合并概率Pm受火源热释放速率Q，火源尺寸D和火源间距s的影响20，而在本研究中还探究了双火源火焰贴壁邻壁中轴线外壁内壁ww/2w/4sryx0图 2隧道内火源位置俯视图Fig.2Top view of the location of the fire source inside the tunnel表 1试验工况Table 1Experimental conditions试验编号1-110111-120121-240火源尺寸/mm0.10.10.150.150.20.2火源横向位置（火源与侧壁的距离）/m00.020.040.060.080.100.150.200.250.5000.020.040.060.080.100.150.200.250.5000.020.040.060.080.100.150.200.250.5火源间距/m0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.14、0.18、0.22、0.25、0.400、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.18、0.22、0.26、0.500、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.22、0.28、0.60图 3火焰合并图像处理过程Fig.3Image processing steps of flame merging1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1s图 4火焰间歇概率图Fig.4Flame intermittency probability plot1351Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10合并概率与火源横向位置的关系，因此除了上述 3个控制参数以外，还将火源与侧壁的距离r和隧道的宽度w加入双火源火焰合并概率的量纲分析中。因此隧道内不同横向位置的双火源火焰合并概率可以表达为式（2）。Pm=f(Q,D,s,r,w)（2）式中：Pm为火焰合并概率；Q为火源热释放速率，kW。对于油池火，其热释放速率不仅会受到火源尺寸的影响，还会受到火焰和外界环境对其产生的热反馈作用20，而当火源间距以及火源与侧壁的距离较小时，另一火源和高温的侧壁会对其进行加热，增大火源的热释放速率，所以改变火源尺寸D、火源间距s和火源与侧壁的距离r均能使火源热释放速率发生变化。因此可以将火源热释放速率Q表示为式（3）。Q=f(D,s,r)（3）结合式（2）、式（3）可得式（4）。Pm=f(D,s,r,w)（4）基于量纲分析可得式（5）。Pm=f(s/D,r/w)（5）式（5）表明，隧道内双火源火焰合并概率是无量纲火源间距s/D和无量纲火源横向位置r/w的函数。首先探究火焰合并概率Pm与无量纲火源间距s/D之间的相关性，图 5 给出了火源分别位于贴壁位置、临壁位置和中轴线位置的火焰合并概率与无量纲火源间距的关系。可以看出，火源位于隧道不同横向位置时，火焰的合并都存在 3个阶段：1）火源间距较近时，火焰从火源间区域卷吸的空气较少，而从火源外部卷吸空气较多，这种空气卷吸不平衡会引起火焰倾斜并发生合并，如图 5（a）所示，可以称之为“持续合并阶段”。2）由于火焰从合并状态逐渐转变为分离状态过程中，火焰的合并点逐渐升高21，此时仅有火焰尖端发生融合，在这个区域内火焰的间歇特性更加明显，因此在此阶段火焰的合并概率会随着火源间距的增大而快速降低，如图 5（b）所示，将此阶段称为“间歇合并阶段”。3）随着火源间距继续增大，火焰能从火源间区域卷吸较多的空气，火焰两侧卷吸空气的不平衡无法再使火焰发生合并，此时火焰合并概率基本降为 0，火焰处于分离状态，如图 5（c）所示，称此阶段为“不合并阶段”。在相同火源间距条件下，火源合并概率随着火源功率的增大而增大，这一点也已经得到广泛的研究4-5，9。相较于临壁双火源和中轴线处的双火源，贴壁双火源的火焰需要在更大的火源间距条件下合并概率才会降至 0，这是因为：一方面，位于临壁和中轴线处的火焰可以通过 4个面卷吸空气，而贴壁位置的火焰只能通过 3个面卷吸空气，如图 6 所示，此时火焰需要从每一面卷吸更多的空气量才能保证充分燃烧，这会导致火焰两侧的压力更大，合并的火焰也更难分离；另一方面，火源距离侧壁较近时，由于积聚的高温烟气和高温侧壁对火源的热反馈增大了火源热释放速率，这也导致火焰合并概率降低至 0需要更大的火源间距。火源外部火焰合并点火源外部火源内部Ds（a）持续合并阶段sD（b）间歇合并阶段sD（c）不合并阶段图 5火焰由合并到分离的三个阶段（正视图）Fig.5Three stages of flame merging to separation（front view）（b）贴壁处的火焰卷吸空气途径（a）中轴线处的火焰卷吸空气途径图 6中轴线处和贴壁处的火焰卷吸空气的途径（俯视图）Fig.6Flame entrainment at the centerline and near the wall（top view）1352消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期采用 Boltzmann函数对图 7散点进行拟合，得式（6）。Pm=1()1+exp()s/D-mn（6）式中：m为Pm=0.5时s/D的值；n为Pm的变化区间长度，n越小，曲线的趋势就越陡峭，s/D的影响因素越高。2.2不同横向位置的火焰合并概率预测模型为得到火焰合并概率Pm与无量纲火焰横向位置r/w的表达式，将贴壁火焰概率Pm，0作为分母，其余横向位置的火焰合并概率Pm，r作为分子，表达式见式（7）。Pm,rPm,0=f(r/w)（7）表 2给出了部分火源合并概率比值Pm，r/Pm，0的试验数据，可以看出，无量纲火源间距s/D小于 0.27 或大于0.80 时，火焰合并概率比值Pm，r/Pm，0大致等于 1 或 0，此时火焰合并概率几乎不受火源横向位置的影响，所以无量纲火源间距s/D小于 0.27 或大于 0.80 这部分数据未体现在图 8中。由图 8可以看出，无量纲火源横向位置r/w小于 0.06时，火焰合并概率比值Pm，r/Pm，0随着无量纲火源横向位置r/w的增大呈线性下降；而无量纲火源横向位置r/w大于 0.06 时，火焰合并概率比值Pm，r/Pm，0会随着无量纲火源横向位置r/w的增大在一定值附近稳定波动。另外给出了r/w小于 0.06时火焰合并概率比值Pm，r/Pm，0与无量纲火源横向位置r/w的数学模型，见式（8）式（10）。Pm,rPm,0=0.277(r/w)-0.3（8）由图 7（a）可得式（9）。Pm,0=0.011+11+e()s/D-0.76/0.181（9）结合式（8）、（9）可得式（10）。Pm,r=0.003(r/w)-0.3+0.277()r/w-0.31+e()s/D-0.76/0.181,0.27 s/D 0.8,0 0.06时火焰合并s/D-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.51.21.00.80.60.40.20-0.2Pm0.10 m0.10 m0.15 m0.15 m0.20 m0.20 my=0.011+11+e(x-0.76)/0.181（a）火源位于贴壁位置s/D-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.51.21.00.80.60.40.20-0.2y=-0.012+1.031+e(x-0.61)/0.165（b）火源位于邻壁位置0.10 m0.10 m0.15 m0.15 m0.20 m0.20 mPms/D-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.51.21.00.80.60.40.20-0.2y=-0.005+1.11+e(x-0.52)/0.222（c）火源位于中轴线位置0.10 m0.10 m0.15 m0.15 m0.20 m0.20 mPm图 7火焰合并概率Pm与无量纲火源间距s/D的关系Fig.7Relationship between flame merging probability Pm and non-dimensional distance between fire sources s/D表 2火焰合并概率比值部分试验数据Table 2Partial experimental data of flame merging probability ratio无量纲火源横向位置（r/w）0.020.040.060.080.100.150.200.250.50无量纲火源间距 s/D01.001.001.001.001.001.001.001.001.000.20.990.990.990.940.930.990.960.980.960.270.960.840.730.720.710.750.740.750.740.50.910.700.680.690.650.660.700.670.670.80.770.670.570.510.470.500.520.480.510.930.500.000.000.000.000.000.000.000.001.20.000.000.000.000.000.000.000.000.00r/w0.011.2Pm，r/Pm,0s/D=0.27s/D=0.30s/D=0.40s/D=0.50s/D=0.53y=0.277x-0.30.80.250.20.55s/D=0.60s/D=0.67s/D=0.70s/D=0.80r/w=0.06图 8r/w 0.06时火焰合并概率比值Pm,r/Pm,0与无量纲火源横向位置r/w的关系Fig.8Relationship between flame merging probability ratio Pm,r/Pm,0 and non-dimensional lateral position of fire sources r/w when r/w 0.061353Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10概率Pm随着无量纲火源间距s/D的变化。可发现散点较为集中，进行拟合的结果见式（11）。Pm=0.18(s/D)-1.05,0.27 s/D 0.8,r/w 0.06 （11）综上所述，火焰合并概率可以用分段函数进行表示见式（12）。Pm=1,s/D 0.270.003(r/w)-0.3+0.277(r/w)-0.31+e(s/D-0.76)/0.181,0.27 s/D 0.8,0 0.060,s/D 0.8（12）4结 论1）双火源位于不同隧道横向位置时，火焰的合并概率都呈现相似的规律：火源间距较小时，火焰内外侧卷吸空气不平衡，此时火焰合并概率始终为 1，不会随着火源间距的增大而下降；随着火源间距的逐渐增大，火焰仅在间歇区域发生合并，此时火焰合并概率快速下降；最后由于火源间距足够大，火焰能够从火源间区域卷吸大量空气，此时火焰不再发生合并，火焰合并概率等于 0。2）需要更大的火源间距才能使贴壁位置处的双火源合并火焰发生分离，这主要是因为高温侧壁和积聚的高温烟气对火源的热反馈使其热释放速率增大，此外侧壁对火焰周围空气流动的限制作用使其仅能通过三面卷吸空气，火焰侧面的压力更大，也使合并火焰更难分离。3）无量纲火源间距s/D小于 0.27时，火焰合并概率等于 1；s/D大于 0.80时，火焰合并概率等于 0。在无量纲火源间距s/D大于 0.27 且小于 0.80 的区间内：无量纲火源横向位置r/w小于 0.06 时，火焰的合并概率会受到侧壁限制的影响；而r/w大于 0.06时，侧壁限制对火焰合并概率的影响可忽略不计。利用分段函数表征不同无量纲火源间距s/D以及不同无量纲火源横向位置r/w的火焰合并概率Pm表达式。参考文献：1 王明年,田源,于丽,等.基于隧道火灾蔓延下的车辆引燃时间预测研究J.中国安全科学学报,2018,28(12):46-51.2 VASANTH S,TAUSEEF S M,ABBASI T,et al.Multiple pool fire:Occurrence,simulation,modeling and managementJ.Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2014,29:103-121.3 HE K,CHENG X D,YAO Y Z,et al.Characteristics of multiple pool fires in a tunnel with natural ventilationJ.Journal of Hazardous Materials,2019,369:261-267.4 WAN H X,GAO Z H,JI J,et al.Experimental study on ceiling gas temperature and flame performances of two buoyancy-controlled propane burners located in a 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probability Pm and non-dimensional distance between fire sources s/D when r/w 0.061354消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期effect on flame characteristics and air entrainment factor of methanol pool firesJ.Applied Thermal Engineering,2016,102:1314-1319.18 JI J,HARADA K,OHMIYA Y,et al.Tilt of flame from an item burning close to a wallJ.Fire Technology,2018,54(5):1383-1404.19 JI J,WAN H X,GAO Z H,et al.Experimental study on flame merging behaviors from two pool fires along the longitudinal centerline of model tunnel with naturalJ.Combustion and Ventilation Flame,2016,173:307-318.20 万华仙.不同受限条件下双方形对称火源相互作用燃烧行为研究D.合肥:中国科学技术大学,2018.21 HU L H,HUANG L L,WANG Q,et al.Experimental study and analysis on the interaction between two slotburner buoyant turbulent diffusion flames at various burner pitchesJ.Combustion and Flame,2017,186:105-113.Experimental study on flame merging probability of double pool fires at different transverse positions in road tunnelPeng Wei,Xie Qi,Liu Xianhao,Zang Xue(School of Safety Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Anhui Huainan 232000,China)Abstract:To investigate the flame merging probability of dual fires in a naturally ventilated tunnel,a series of experiments were conducted using a 1 10 scale model of the tunnel.The study focused on how the position and spacing of the fires affected the merging probability.The results showed that the merging of fires in different positions can be categorized into three stages:continuous merging,intermittent merging,and nonmerging.In the continuous merging stage,the probability of flame merging is always 1.In the intermittent merging phase,the probability of flame merging decreases rapidly as the distance between the fires increases.In the nonmerging phase,the probability of flame merging is always 0,and a greater distance between the fires is needed for the probability of flame merging at the walladhering position to reach 0.In the range of dimensionless fire source spacing between 0.27 and 0.80,when the dimensionless fire source lateral position is less than or equal to 0.06,the probability ratio of flame merging decreases linearly with the increase of nondimensional lateral position of the fire source.When the nondimensional lateral position of the fire source is greater than 0.06,the ratio of flame merging probability no longer changes significantly with the increase of nondimensional lateral position of the fire source.Key words:naturally ventilated tunnel;dual fires;flame merging probability;fires spacing;transverse position of the tunnel作者简介：彭 伟（1981-），男，安徽淮南人，安徽理工大学安全科学与工程学院教授，主要从事火灾防治方面研究，安徽省淮南市田家庵区泰丰大街 168号，232000。收稿日期：2023-05-05（责任编辑：董里）（上接第 1349页）were obtained.The maps had important reference significance for studying the inhibition mechanism of C6F12O,and they also provided basic dates for establishing theoretical model of the inhibition mechanism.The experimental results showed that parameter H which meant the vertical height of OH distribution was stretched slowly if C6F12O was low volume fraction(3.91%).However,parameter H would decline rapidly then gradually gently if the concentration of C6F12O was rising continuously.In addition,parameter D which meant the thickness of OH distribution zone and parameter S which meant the proportion of OH distribution area were showing obvious downward trend if the concentration of C6F12O was rising continuously.Key words:aviation kerosene;C6F12O;OH-PLIF;combustion inhibition;fluorescence signal;difference method;OH distribution作者简介：王林森（1993-），男，中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所助理研究员，硕士，主要从事先进光学测试技术研究，四川省绵阳市二环路南段 6号，621000。通信作者：周 全，男，中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所工程师，博士。收稿日期：2023-03-20（责任编辑：董 里）1355