有坡度地铁区间隧道火灾烟气特性研究

朱常琳+马丽+张荣国

摘要： 虽然目前针对地铁区间隧道火灾时的烟气特性的研究较多，但是针对存在坡度的地铁区间隧道火灾时的烟气特性的研究较少。然而，实际的地铁区间隧道往往是存在坡度的，且坡度的存在会对隧道内火灾时的烟气特性如烟气蔓延速度、临界风速、温度分布以及CO浓度分布、能见度等产生重要影响。文章针对纵向通风情况下，地铁区间隧道有不同的坡度时，隧道内发生火灾时的部分烟气特性进行数值模拟研究。文章为地铁区间隧道通风系统的设计提供一定的参考价值。

Abstract： Although there are many researches on the smoke characteristics in the subway tunnel fire， there are few researches on the smoke characteristics in the subway tunnel fire with a certain slope.However， the actual subway tunnel is often a slope， and the slope will have an important impact on the smoke characteristics in the subway tunnel fire， such as smoke spread speed and critical wind speed， temperature distribution and CO concentration distribution etc.. In this paper， in the case of longitudinal ventilation and different slopes in the subway tunnel， partial characteristics of the smoke in the tunnel fire were studied by numerical simulation.The paper provides some references for the design of ventilation system of subway tunnel.

关键词： 坡度；地铁区间隧道；烟气特性；数值模拟

Key words： slope；subway tunnel；smoke characteristics；numerical simulation

中图分类号：X45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0248-02

0 引言

纵观国内外研究现状可以看出[1]，目前大多数的研究主要集中在地铁水平隧道发生火灾时，隧道内的烟气蔓延速度、烟气温度分布、顶棚烟气温升的纵向指数变化特征，以及纵向通风情况下临界风速的大小等研究上，但对存在坡度情况下的地铁区间隧道火灾时的烟气特性方面的研究较少。因此文章利用FDS （Fire Dynamics Simulator）软件，主要针对在纵向通风情况下，存在坡度的地铁区间隧道发生火灾时，对隧道内的温度分布特性以及临界风速等方面进行数值模拟研究。由于篇幅有限，关于其实验研究部分另篇介绍。

1 地铁区间隧道模型

①火源大小的确定。本文选取火灾火源大小为5MW。

②区间隧道长度的确定[1][2] 。为了减少计算网格同时确保准确度，可选取150m长隧道进行研究。

③物理模型。文章中使用火灾模拟前处理软件Pyrosim建模，不存在中间风井时，隧道长宽高尺寸为150m×4.8m×5.2m，地铁列车简化后的长宽高尺寸为120m×3m×3.8m。地铁区间隧道模型如图1所示。

④模型网格的划分 5MW火源尺寸为2m×2m的平面火，位于列车中部的车厢内，火源特征直径D*为2m。为了提高计算速度，在研究的重点区域采用0.2m×0.2m×0.2m的网格尺寸，在相对不太重要的区域采用0.4m×0.4m×0.4m的网格尺寸。

⑤初始条件和边界条件。1）隧道内部环境温度为20℃，压力为101.325kPa；2）隧道一侧端口设置为与外界环境相通（open）状态。隧道另一侧端口设置为速度边界条件，通过改变速度值进行不同排烟风速的模拟实验。3）火灾发生在列车内部，假定列车不宜继续行驶至下一站，紧急停靠在隧道中部，打开全部车门通过安全疏散平台开始人员紧急疏散。

2 纵向通风模式下不同坡度地铁区间隧道火灾的烟气特性

2.1 临界风速的确定[1]

利用数值模拟的方法得到不同坡度的临界风速如表1所示。

由表1可知：下坡隧道的临界风速低于水平隧道的临界风速，且随着坡度的增加临界风速逐渐减小；上坡隧道的临界风速均不小于水平隧道，且随着坡度的增加临界风速逐渐增大。

2.2 人眼特征高度处的温度分布及分析

2.2.1 以上坡隧道坡度为3%为例[1]

以上坡隧道坡度为3%为例，不同纵向通风速度疏散平台上方人眼特征高度处的温度分布如图2所示，由图2可知：坡度为3%时，当纵向通风速度为1.8m/s时，隧道安全疏散平台人眼特征高度处火源上方的温度较高，沿隧道逐渐降低，呈现中间高端部低的趋势。当纵向通风速度达到临界风速3.7m/s时，除火源上方温度较高外，呈现端部高中间低的“U”型趋势。在距离火源15m左右，温度也较高。此位置正是列车一端位置，当烟气流动到列车的一端时，烟气受到阻碍所致此处温度较高。

当达到临界风速时温度由最高的105℃降低到73℃以下，隧道内疏散平台上方人眼特征高度处的温度均低于60℃的限值。

2.2.2 以下坡隧道2%为例[1]

纵向通风速度为1.8m/s时，人眼特征高度处的温度分布与上坡隧道相似，不同点体现在纵向通风速度较大的情形。如在达到临界风速时，下坡隧道的温度变化呈现出逐渐上升后又下降的“n”型分布。这是由于在“烟囱效应”和纵向通风的双重作用下造成的。以下坡隧道坡度为2%为例，通过数值模拟，可得到疏散平台人眼特征高度处的不同纵向通风速度下的温度分布云图[1]。由云图可知：随着通风速度的增加，烟气回流的出现，火源下游的高温区域越来越少。而且温度由170℃降低到105℃后又出现回升，且急剧回升到170℃。纵向风速度从1.8m/s开始逐渐增加到3.1m/s时温度逐渐下降，当纵向通风速度增加到3.2m/s时，温度又急剧上升到170℃，可见纵向通风速度不是越大越好。

3 模型的驗证

作者在文献[1]采用1：10的缩尺模型实验对模拟结果进行验证，得出FDS软件进行数值模拟研究的可靠性。

4 结论

①得到了上坡隧道坡度分别为1%、2%和3%时的临界风速分别为3.5m/s、3.6m/s和3.7m/s，下坡隧道坡度为1%、2%、3%时的临界风速分别为3.3m/s、3.2m/s和2.9m/s； ②分析了上、下坡隧道不同坡度隧道内不同风速下的人眼特征高度处的温度场。得到临界风速下上坡隧道人眼特征高度处的温度呈“U”型分布；下坡隧道临界风速下人眼特征高度处温度呈“n”型分布。③排烟时，纵向通风速度不是越大越好。

参考文献：

[1]马丽.对存在坡度和中间风井的地铁区间隧道火灾时烟气特性的研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.

[2]翁庙成，余龙星，刘方.地铁区间隧道的烟气逆流长度与临界风速[J].华南理工大学学报（自然科学版），2014（06）：121-128.

[3]付军，杜峰.地铁隧道修复施工技术综述[J].地下空间与工程学报，2007（04）.endprint