隧道列车着火后行驶速度对热释放速率的影响*

郗艳红　毛军

(北京交通大学 土木建筑工程学院∥轨道工程北京市重点实验室， 北京 100044)

隧道列车着火后行驶速度对热释放速率的影响*

郗艳红毛军

(北京交通大学 土木建筑工程学院∥轨道工程北京市重点实验室， 北京 100044)

摘要:隧道火灾中，列车着火的可能性较大，着火后的应急处置办法是尽量带火运行到前方车站.文中以向前行驶的隧道列车火灾为研究对象，应用槽道科特流、传热传质和燃烧反应动力学理论，结合缩尺火灾模型试验，研究了列车在着火后继续在隧道内行驶时，隧道列车环形空间内的回风风量、隧道内的活塞风效应及其对火灾燃烧特性的影响，给出了回风风量的表达式，建立了火灾热释放速率与列车运行速度的关系模型,得到了使得火灾强度维持在较低水平的列车合理运行速度——48 km/h.研究成果和方法可为隧道列车火灾的应急救援设计提供理论依据和指导.

关键词：隧道；列车火灾；热释放速率；模型实验；运行速度

近50年地铁列车发生火灾的情况比较多，例如2003年韩国大邱地铁，乘客进入车厢后人为纵火引起火灾，造成数百人死亡的惨剧；2006年8月，北京地铁一辆运行的列车发生火灾，因补救及时未造成人员伤亡.对于列车在隧道内行驶的情况，车厢发生火灾时，被迫停在隧道内就地实施人员疏散和救援的难度非常大.目前德国、日本和中国等各个国家地铁的应急处置方法一般是规定列车应尽可能地行驶到前方车站实施抢险救援，以尽量保障乘客的生命安全、减少人员伤亡和财产损失[1]，但均未指出列车应按多大的速度行驶.由于列车携带火源行驶时会形成迎风风流，可能造成风助火势而使火势增强、反而加大火灾危害程度的不良后果，因此，需要研究在此过程中能够保证火灾强度不致过度增加的条件以及必要的安全控制措施，以尽量将火势控制在适当的范围内.

国内外对隧道火灾的研究较多，但是绝大部分都集中于静止火源燃烧[2- 7]，对列车着火后继续在隧道内运行的安全性问题研究得较少，因此，文中采用理论分析和模型实验相结合的方法，对隧道内列车着火后继续向前行驶的安全速度进行研究，为进一步研究有关的运动体火灾特性提供参考.由于列车携带火源行驶到前方车站进行救援和抢险是国内外地铁的通行应急处置方法，具有普遍性，因此，文中的研究对于隧道列车火灾的火灾特性及烟气流动规律的研究具有一定的科学意义，对改进地铁隧道火灾应急处置预案、保证乘客的生命安全和减少财产损失以及实际运营中的火灾防灾减灾具有现实意义.

1通风条件下的热释放速率

火灾热释放速率是隧道列车火灾的主要决定因素之一，不仅表征火势的大小，也直接影响火区温度及烟气扩散的空间和时变特性.火灾的热释放速率与可燃物燃烧是否充分有关，燃烧是否充分又与流经火源的气流流速大小密切相关.气流速度过大既可能减弱火势，也可能加剧火灾的发展和蔓延.在其他条件确定的情况下，这一气流速度的大小取决于列车的行驶速度，因此，需确定行驶速度与热释放率之间的关系，以便确定着火列车合理的运行速度.

列车在隧道中着火时，与开放环境中的燃烧相比，有两个显著特点：隧道内有大量的热量积累，强化了对可燃物表面的传热；燃烧所需空气的供应依赖于隧道中的通风条件，也就是列车向前运动时产生的风量的大小.对于给定的可燃物，受限燃烧的热释放速率与通风条件密切相关.通风条件下的热释放速率可表示为[8- 9]

(1)

(2)

Γ=αexp(-βΦ-ξ)

(3)

对于受限空间中的燃烧,

(4)

2模型实验

2.1实验原理及装置

2.1.1实验基本原理

列车运动体火灾的模型实验采用两种方法：一是相对运动模型实验，即假定列车静止、给定来流风速来模拟列车运动；二是绝对运动模型实验，即使列车携带火源在隧道内做真实运动.图1为这两种方法的原理图.

图1基于相对运动和绝对运动原理的运动火源模型实验原理图

Fig.1Principle diagram of the moving fire model basing on re-lative and absolute motions

对于相对运动模型实验，隧道和列车均是静止的，通过前方给定来流模拟列车运动.由于列车处于静止状态，试验中无回流，与实际相比，测得的速度会略偏大，需要进行修正.尽管如此，图1表明，基于相对运动原理的模型实验仍可以反映气流速度对火源强度的影响.虽然基于相对运动的模型实验与真实的列车运动情况存在一定的误差，但其优点是可以通过增大来流风速来模拟较高的列车运动速度.

对于绝对运动模型实验，即按照实际情况使火源随车运动.受隧道火灾模型实验台长度的限制，模型列车做绝对运动时的实验速度较小，但这一缺点可由基于相对运动原理的模型实验来弥补.

因此，文中将相对运动和绝对运动原理的方法结合起来，测定火源的质量损失速率.

完成缩尺模型实验后，通过相似原理将模型试验结果换算到原型，进而对原型运动火灾的特性进行分析.

2.1.2相对运动模型实验装置

由于客观条件的限制，难以在现场进行隧道列车火灾的全尺寸试验，因此，采用1∶8模型实验，再通过相似变换对原型进行研究.此模型比例尺可以保证与原型实验的相似性和精度[10]，隧道模型实验装置如图2所示.

图2　隧道模型实验台

采用数字式交流变频器对风机进行调速，改变风量；进、排风量通过安装在送、排风管上的调节阀和排烟口风门开度调节.风流的分配和控制通过阀门的开关组合模式来控制.

实验过程中,温度和燃料质量数据实时采集,并自动保存.

2.1.3运动火源模型实验装置

(1)车载运动火源的实现

通过对现有隧道火灾模型实验装置进行改造，实现了列车携带火源运动的模型实验.基本原理是给模型列车装置上安装驱动电机，通过传动机构牵引模型列车运动，将燃料油盘固定于安装在模型列车内部的质量传感器上，如图3所示.

图3　运动火源装置示意图

严格意义而言，运动火源模型实验与实际列车运动相比具有更好的相似性.但由于隧道模型的长度有限，模型列车的运动速度和运动时间受到限制，其运动速度较小，与实际列车常用旅行速度的对应关系有一定差距，只可与较低的实际列车运行速度相对应，在一定雷诺数范围内满足流动相似性.

(2)质量损失速率测量

先测定燃料在静止状态下的质量损失率,

(5)

该质量损失率可近似认为是绝对运动实验下火源运动到终点后的静止燃烧阶段的质量损失率，其中ms为静止燃烧阶段的质量.

则运动阶段的质量损失率可以通过下式计算出来：

(6)

式中,mm为运动燃烧烧阶段的质量.

2.1.4模型尺寸、油盘及燃料

隧道模型内净空断面尺寸：15 m(长)×0.471 m(宽)×0.517 m(高);列车模型尺寸为：3 m(长)×0.26 m(宽)×0.350 m(高).油盘固定安装于列车模型上的质量传感器(测定燃料质量变化)上，火源采用燃油倒入油盘燃烧的方式.油盘尺寸为：200 mm(宽)×200 mm(长)×25 mm(深).

选择正庚烷作为燃料，正庚烷的燃烧属于快速型燃烧,其发热量大，燃烧稳定，比较符合地铁火灾的情况[6,11- 13].

2.2模型实验数据向原型的相似变换

前述静止火源、运动火源的火灾模型实验均是在1∶8缩尺隧道模型实验台上完成的.下面通过相似原理进行变换，得到适合于原型的分析数据.

在隧道列车火灾中，浮力效应起主导作用，火源附近的烟气流动为重力流；在机械通风的条件下，离火源较远处的气流是压力流，但由于雷诺数较大、容易进入阻力平方区，雷诺准则自动满足.因此，采用弗劳德准则作为相似准则，温度比例尺确定为1.

设几何比例尺为Lm/Lr=1/8，则由Fr准则得

(7)

速度关系：

vm=vr/(Lm/Lr)0.5=

(8)

热释放速率关系：

Qm=Qr/(Lm/Lr)2.5

(9)

式中，v为烟气流速，m/s；L为几何尺度，m；Q为热释放速率，kW；g为重力加速度，m/s2；下标m代表模型，r代表原型.在后面的分析中，所涉及到实验数据的转换均依此为据.

2.3质量损失速率随列车速度变化规律

经相似变换，由实验得到的质量损失速率随列车运行速度的变化规律如图4所示.由图4可知，当车速较小(即小于5 m/s)时，燃料的质量损失率分布较为集中；之后随着列车速度的增加，质量损失率减小，减小到某值后又随着车速的增大而增大.因此，存在一个车速，使得对应的质量损失率最小.这一过程的机制是：在处于燃料控制时，列车的速度较低，既能保证充足的氧气供应，又不会带走过多的热量；当车速逐步增大时，虽然能保证供氧的充分，但带走的热量明显增加，使得回馈到火源的热量减少和温度降低，从而使得燃烧减弱、质量损失率下降，直至某一个较低值.车速进一步增大，燃烧由燃料控制转为通风控制，出现轰然的可能性大大加强，因此，质量损失率随着列车的速度增大而增大.

图4　质量损失速率随列车速度变化的拟合曲线

由于低速的数据点较为集中，因此，可以将其归为其分布中心，按照二次曲线进行拟合，从而得到质量损失速率随列车速度变化的拟合曲线，其拟合关系式为

(10)

式中，v0=0.735 39 ～23.606 25 m/s，相关系数r2=0.956，平均误差为4.7%.

3空气供入的质量流率

图5　隧道和列车之间的环形空间中的气流组织示意图

Fig.5Sketch map of air distribution at the annular space between the tunnel and the train

3.1列车-隧道环形空间的流场特征

处于列车和隧道环形间隙中的气流，流速分布有3种情况[9]，如图6所示.其中，h为列车壁面与隧道壁面之间的距离，h1、h2为速度极值点的位置，h1+h2=h，vmax1为h1处流体相对于列车的速度(m/s)，vmax2为h1处流体相对于隧道的速度(m/s)，v0为列车行驶速度(m/s).

A型流场临界型流场 B型流场

图6列车(动壁面)与隧道(静壁面)间环形空间的流场类型

Fig.6Flow type at the annular space between the tunnel and the train

3.2原型地铁隧道-列车环形空间的流场型式

按照文献[10]的方法，将列车简化为圆柱体，隧道内壁简化为圆柱面，列车在隧道中的运行看作是同心圆柱面的相对运动，因此，可通过水力损失相等，将列车和隧道的矩形断面分别转化为具有水力直径的当量圆.

h=R2-R1=0.613

(11)

η=R1/R2=0.733

(12)

列车壁面的摩擦系数cf1为

(13)

临界压力梯度为

(14)

临界流量为

(15)

1.53+1

(16)

3.3环形空间A型流场的回风量计算

由文献[9]可知，对于A型流场，隧道与列车之间环形空间的流量为

(17)

对式(11)-(17)赋予多个v0值，可以得到体积流量随车速变化的曲线如图7所示，拟合可得

Q=3.9v0

(18)

相关系数r2=0.987.

图7　体积流量和车速之间的关系

Fig.7The relationship between volume flow and train velocity

4地铁隧道列车运动火灾的优化速度

采用正庚烷作为燃料，其密度为0.659 4 kg/m3，燃烧热值为44.6 kJ/g，沸点为98.5 ℃，蒸发热hfg=0.32 kJ/g，液体比热容cp，0=2.2 kJ/(kg·K),常温为25 ℃，燃烧化学反应方程如下：C7H16+11(O2+3.76N2)→7CO2+8H2O+11×3.76N2

(19)

(20)

列车绝对运动时，由式(18)可知，流过环形空间的体积流量Q与列车速度v0的关系式为Q=3.9v0，则

(21)

于是通风因子

(22)

(24)

在相对运动试验中，列车处于静止状态，试验中无回流，与实际相比，测得的速度偏大，因此需要把列车静止的数据转化成列车运动的数据，使之符合实际情况，由此得到相对准确的速度.

真实的活塞风的风量q等于列车静止时送风的流量q′减去运动时环形空间的流量Q.

由式(12)可得运动时环形空间的流量Q=3.9v0；送风风量q′=v′A，其中，v′为列车静止时送风风速，A为隧道断面面积.则活塞风风速

(25)

由式(2)-(4)、(20)-(25)得到列车静止及运动时的热力学参数如表1所示.

表1列车静止及运动时的热力学参数(原型)

Table 1Thermodynamic parameters at relative and absolute motions of the train(prototype)

运动列车速度/(m·s)m·a/(kg·s)Φ'绝对运动0.735390.003440.892700.880.848530.003970.965220.861.414210.006620.700700.911.896400.012030.69210.93相对运动5.127640.026940.172540.9311.989190.073040.031080.9317.559940.110470.028230.9323.606250.151090.033810.93

由表1可知，当车速较低时(小于1.896 4 m/s)，燃烧效率随着列车速度的增大而增大，最大波动在7.5%左右；当列车速度超过1.896 4 m/s时，随着列车行驶速度的增大，燃烧效率不变，基本接近静止状态下的值，可以近似地把燃烧效率看作一个定值来考虑.因此，质量损失速率的极值可以被看作为热释放速率的极值.由式(1)可得，

(26)

热释放速率随车速的变化形状为开口向上的剖物线，存在最小值.对式(26)中的车速求导，并令其等于零，则可以得到最小的热释放速率对应的车速v0m，该值即为最佳的列车行驶速度.

(27)

V0m=13.33 m/s=48 km/h

(28)

因此，地铁列车着火后继续向前行驶时，就热释放速率而言，最优的列车行驶速度为48 km/h，即北京地铁列车着火后以48 km/h的速度继续在隧道内向前行驶是安全的.

5结论

(1)在模型试验的测试速度内，随着列车速度的增大，质量损失速率先减少后增大，呈开口向上的剖物线形状；

(2)当列车速度较低时(小于1.896 4 m/s)，燃烧效率随着列车速度的增大而增大，最大波动在7.5%左右；当列车速度超过1.896 4 m/s时，随着列车行驶速度的增大，燃烧效率不变，基本接近静止状态下的值，可以近似地把燃烧效率看做一个定值来考虑；

(3)以北京地铁某条线路为例，得到列车着火后继续在隧道内行驶时，使热释放速率最小的列车行驶速度为48 km/h.

参考文献：

[1]王铭珍．国外地铁如何防火 [J]．山东消防，2003(4)：9- 10.

WANG Ming-zhen.How to prevent fires in abroad [J].Shandong Fire,2003(4)：9- 10.

[2]ROH Jae Seong,RYOU Hong Sun,PARK Won Hee,et al.CFD simulation and assessement of life safety in a subway train fire [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(4):447- 453.

[3]MENG Na,HU Long-hua,WU Long,et al.Numerical study on the optimization of smoke ventilation mode at the conjunction area between tunnel track and platform in emergency of a train fire at subway station [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40:151- 159.

[4]TSUKAHARA Manabu,KOSHIBA Yusuke,OHTANI Hideo.Effectiveness of downward evacuation in a large-scale subway fire using fire dynamics simulator [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(4):573- 581.

[5]JI J,ZHONG W,Li K Y,et al.A simplified calculation method on maximum smoke temperature under the ceiling in subway station fires [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(3):490- 496.

[6]MAO J,XI Y H,BAI G.A model experimental study on backdraught in tunnel fires [J].Fire Safety Journal,2011,46(4):164- 177.

[7]KASHEF Ahmed,YUAN Zhongyuan,LEI Bo.Ceiling temperature distribution and smoke diffusion in tunnel fires with natural ventilation [J].Fire Safety Journal,2013,62:249- 255.

[8]范维澄，王清安.火灾学简明教程 [M]，合肥:中国科学技术大学出版社,1995.

[9]荣深涛，苏红，阎冠民.同心情况下列车通过隧道的空气阻力计算 [J].北方交通大学学报,1991,15(1)：68- 84.RONG Shen-tao,SU Hong.YAN Guan-min.Calculating the air drag of a train passing through a circular tunnel in concentric position [J].Journal of Northern Jiaotong University,1991,15(1)：68- 84 .

[10]NFPA 92B.Guide for Smoke management Systems in Malls,Atria and Large Areass，1995.

[11]毛军,郗艳红,李炎锋.列车着火后停留在隧道内的火焰烟气逆流临界风速 [J].土木工程学报，2011,44(3)：120- 127.

MAO Jun,XI Yan-hong,LI Yan-feng.The critical velocity of the flame smoke backflow due to the on-fire train in tunnel [J].China Civil Engineering Journal，2011,44(3)：120- 127.

[12]毛军,郗艳红,樊洪明.隧道内列车着火的火焰顶棚射流温度特性研究 [J].华南理工大学学报(自然科学版)，2010,38(1):17- 24.

MAO Jun,XI Yan-hong,FAN Hong-ming.Temperature characteristic of flame ceiling jet generated by fire on train in subway tunnel [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2010,38(1):17- 24.

[13]毛军,郗艳红,樊洪明.地铁隧道列车火灾的火焰顶棚射流温度特性研究 [J].土木工程学报，2010,43(2):119- 126.

MAO Jun,XI Yan-hong,FAN Hong-ming.Analysis of the characteristics of the flame ceiling jet temperature due to train fire in subway tunnels [J].China Civil Engineering Journal,2010,43(2):119- 126.

Effects of Moving Speed of On-Fire Subway Train on Heat Release Rate

XIYan-hongMAOJun

(School of Civil Engineering and Architecture∥Beijing Key Laboratory of Track Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China)

Abstract:If a train traveling in the tunnel is on fire, the corresponding emergency plan is usually to make the train continue running to the next station as far as possible, instead of stopping in the tunnel. This paper takes a moving on-fire train in subway tunnels as the research object, and uses the channel Couette flow, the heat and mass transfer and the combustion reaction kinetics to explore the combustion characteristics of the fire affected by such two factors as the air quantity in the annular space between the tunnel and the train and the piston wind in the tunnel, followed with some small-scale model experiments. Then, the return air quantity is derived, and the relationship between the fire heat release rate and the running speed of the train is modeled. Finally, a reasonable speed for the on-fire train, which keeps the fire heat release rate at a relatively low level, namely 48 km/h, is suggested. The research achievements and the proposed method provide theoretical guidance for the emergency rescue of the on-fire train in subway tunnels.

Key words:tunnel; train fire; heat release rate;model experiment; running speed

收稿日期:2015- 09- 02

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51308040,51578061);博士点新教师基金资助项目(20130009120024);北京市科委课题(Z131100004513010)

Foundation items: Supported by the Natural Science Foundation of China(51308040,51578061),the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(20130009120024) and Beijing Municipal Science & Technology Commission(Z131100004513010)

作者简介:郗艳红(1980-)，女，博士后，讲师，主要从事火灾安全、高速列车空气动力学与行车安全等的研究.E-mail:yhxi@bjtu.edu.cn

文章编号:1000- 565X(2016)04- 0123- 07

中图分类号：U 231;TU 89

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.018