坡度与活塞风对地铁长区间隧道火灾点式排烟的影响

唐海峰 雷 波



坡度与活塞风对地铁长区间隧道火灾点式排烟的影响

唐海峰 雷 波

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

采用数值模拟方法对点式排烟模式下地铁长区间隧道火灾烟气流动进行了计算分析，研究了坡度与活塞风对排烟效率与烟气温度分布的影响。结果表明：烟气不仅受排烟风口的抽吸作用，同时坡度与活塞风影响隧道内烟气流动，点式排烟模式下坡度与活塞风对排烟效率与烟气温度分布的影响不能忽略。

地铁隧道；火灾；点式排烟；坡度；活塞风

0 引言

现有的地铁区间隧道火灾通风模式主要为纵向通风，即采用射流风机结合隧道风机将烟气控制在通风下游侧，并通过风井将烟气排出隧道，通风方向取决于火灾列车的着火点位置。纵向通风具有土建工程小，运营费用低等优势，但当火源位于列车中部时，无论怎么改变纵向通风方向，总有部分车厢处于火灾烟气中；当隧道内同时存在多辆列车时，纵向通风可能使得烟气蔓延到通风下游侧未着火的列车，如图1所示。相较于传统排烟模式，点式排烟对烟气的控制能力更强，但是需要更高的自动控制要求，即在火灾发生且列车减速停车后，立即打开火源附近的排烟风口进行排烟，如图2所示。

Chi-Ji Lin[1]对单、多点式排烟模式下公路隧道火灾烟气流动进行了计算分析，通过研究烟气温度、CO浓度、能见度的分布情况，得到在部分横向通风系统中单点式排烟优于多点式排烟。吴萍[2]指出了地铁长区间隧道火灾点式排烟的特殊性，并通过控制变量法得到了排烟风量、风口尺寸等参数对排烟效率及烟气特性的影响规律，证明了双点式排烟的优越性。

坡度与活塞风影响隧道内烟气流动[3,4]，而前人在研究点式排烟时都未考虑坡度与活塞风的影响。因此本文基于双点式排烟，采用FDS软件计算分析了坡度与活塞风对排烟效率及烟气温度分布的影响。

图1 纵向通风对下游侧疏散环境影响示意图

图2 点式排烟原理图

1 计算模型与条件

本文研究对象为带独立排烟风道的单洞双线地铁长区间隧道，隧道拱部安装隔板修筑顶部排烟风道，隔板上等距离安设排烟风口。由于隧道的对称性，本文进行了适当的简化，取对称的单线隧道进行计算，如图3所示。

图3 简化后隧道横截面图

隧道高5m，最宽处宽4.65m，长度为740m。风道高1.25m，宽5.5m。列车位于隧道正中间，选用标准B型车，尺寸为120m×2.8m×3.8m。列车侧壁面厚度为0.25m，车门尺寸为1.3m×1.86m，车厢之间贯通道尺寸为1.9m×1.35m×0.52m。图4为隧道模型图，设隧道上坡方向与车头方向相同时坡度为正。

环境温度为20℃，土壤层温度为15℃。隧道壁面材料为混凝土，列车表面为绝热条件。风道端头为排风条件，双向对称排风。设置火源位于列车车底，热释放率为7.5MW。

采用流动分析软件FDS5.53进行计算，湍流模型选用计算量小且精度较高的大涡模拟，部分学者通过模型实验验证了FDS软件对于隧道火灾计算的准确性[5,6]。

图4 隧道模型图

2 计算结果及分析

选取典型工况：排烟风量为40m3/s、风口尺寸为2m×3m、风口间距为60m、火源位于两开启风口正中间。

2.1 排烟效率与温度控制要求

定义排烟效率为=0～0内单个风口累积排出的烟气量与火源烟气累积生成量的比值[8]：

式中，0为火灾计算时间，0=360s[7]；12为靠近车尾、车头风口的排烟效率；12为单位时间靠近车尾、车头风口的排烟量；为单位时间火源烟气的生成量。本文采用CO2的生成量和排出量表征烟气的生成量和排出量，经计算单位时间火源CO2的生成量为0.46kg/s。

NFPA130[9]对于地铁区间隧道内火灾可忍受环境做了明确要求，其中接触温度、辐射量、有害气体浓度、烟气能见度是影响人员疏散的关键参数。本文选取疏散路径人高处（距离中隔墙0.35m，距离疏散平台顶面1.75m）的烟气温度纵向分布进行研究，要求距离火源30m外疏散路径人高处烟气温度不得高于70ºC。

2.2 坡度对排烟效率及烟气温度分布的影响

设火源位置为=0，>0为车头方向，选取不考虑活塞风影响时隧道坡度=0%、3%。=0%工况1、2=46%，=3%工况1降低至34%，2升高至52%。这是由于坡度使得烟气向火源上坡侧偏移，且上坡侧风道内烟气流速大于下坡侧。

图5为=0%工况与=3%工况=360s时疏散路径人高处烟气温度纵向分布图。由于风口的对称抽吸作用，=0%工况与=3%工况烟气集中在“风口段”（两开启风口之间的区域），坡度对烟气温度分布的影响较小，烟气温度以火源为中心基本呈对称分布，烟气环境满足温度控制要求。

图5 疏散路径人高处烟气温度分布

2.3 活塞风对排烟效率及烟气温度分布的影响

选取隧道坡度=0%，列车车速120km/h。不考虑活塞风影响工况1、2=46%，由于活塞风使得烟气向火源下游侧偏移，考虑活塞风影响工况1降低至20%，2升高至54%。

图6为考虑活塞风影响工况=40m、50m处疏散路径人高处烟气温度随时间变化图。=0～180s内烟气温度随时间逐渐升高；=180s时烟气温度达到了最高值，分别为110℃、100℃；=180～360s内烟气温度随时间逐渐降低。这是由于随着隧道风速不断衰减，烟气逐渐向“风口段”回流。因此本文选择考虑活塞风影响工况=180s时的烟气温度分布进行分析。

图6 烟气温度随时间变化

图7为不考虑活塞风影响工况=360s与考虑活塞风影响工况=180s时疏散路径人高处烟气温度纵向分布图。不考虑活塞风影响工况，烟气温度以火源为中心基本呈对称分布，烟气环境满足温度控制要求。由于活塞风使得烟气向火源下游侧偏移，考虑活塞风影响工况上游侧烟气温度降低，而下游侧烟气温度升高，=30～65m区域烟气温度超过了70℃，不满足温度控制要求。

图7 疏散路径人高处烟气温度分布

2.4 坡度耦合活塞风对排烟效率及烟气温度分布的影响

选取列车车速120km/h，隧道坡度=-3%、3%。=-3%工况1=36%、2=53%，=3%工况1、2分别降低至0%、40%。这是由于坡度为负时，坡度促进了隧道风速的衰减，烟气容易回流至“风口段”；随着坡度向着正坡方向增大时，隧道风速衰减的速度减慢，风口对烟气的抽吸能力减弱。

图8为=-3%工况与=3%工况=40m处疏散路径人高处烟气温度随时间变化图。由于烟气向“风口段”回流的速度较快，=-3%工况火源下游侧烟气温度随时间升高与降低的速度都较快，烟气温度达到最高值的时间提前至=140s。=3%工况烟气向“风口段”回流的速度减慢，下游侧烟气温度随时间不断升高，烟气温度达到最高值的时间延后至=360s。

图8 烟气温度随时间变化

图9为=-3%工况=140s与=3%工况=360s时疏散路径人高处烟气温度纵向分布图。=-3%工况火源上游侧烟气温度高于=3%工况，而下游侧烟气温度低于=3%工况；=-3%工况不满足温度控制要求的区域为=30～55m区域，=3%工况不满足温度控制要求的区域扩大为=30～75m区域。这是由于坡度为负时，向下游侧偏移的烟气量较少；随着坡度向着正坡方向增大时，向下游侧偏移的烟气量增加。

图9 疏散路径人高处烟气温度分布

3 结论

本文基于排烟风量为40m3/s、风口尺寸为2m×3m、风口间距为60m、火源位于两开启风口正中间的典型工况，研究了点式排烟模式下坡度与活塞风对地铁长区间隧道火灾排烟效率及烟气温度分布的影响，得到以下结论：

（1）不考虑活塞风影响的情况下，坡度为0%时，火源两侧风口排烟效率1、2=46%；坡度增大至3%时，火源下坡侧1降低至34%，上坡侧2升高至52%。坡度对烟气温度分布的影响较小，烟气环境满足温度控制要求。

（2）单独考虑活塞风影响且列车车速120km/h的情况下，活塞风使得烟气向火源下游侧偏移，上游侧1降低至20%，下游侧2升高至54%；下游侧烟气温度升高，一定长度区域内烟气环境不满足温度控制要求。

（3）同时考虑坡度与活塞风影响且列车车速为120km/h的情况下，坡度从-3%增大至3%时，火源上游侧1从36%降低至0%，下游侧2从53%降低至40%；下游侧烟气温度升高，不满足温度控制要求的区域扩大。

[1] Chi-Ji Lin, Yew Khoy Chuah. A study on long tunnel smoke extraction strategies by numerical simulation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008,23:522-530.

[2] 吴萍.地铁长区间隧道点式排烟的烟气特性研究[D].成都:西南交通大学,2015.

[3] L H Hu, L F Chen, L Wu, et al. An experimental investigation and correlation on buoyant gas temperature below ceiling in a slopping tunnel fire[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,51:246-254.

[4] 陈霖.地铁隧道着火列车继续运行条件下的烟气特性研究[D].成都:西南交通大学,2016.

[5] 胡顺利,毕海权,何磊.纵向挡烟垂壁在单洞双线隧道中的应用[J].制冷与空调,2014,28(1):53-56.

[6] L F Chen, L H Hu, W Tang, et al. Studies on buoyancy driven two-directional smoke flow layering length with combination of point extraction and longitudinal ventilation in tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 2013,59:94-101.

[7] GB 50157-2013,地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[8] 潘一平.隧道火灾集中排烟模式下的排烟效率研究[J].安全与环境学报,2012,12(2):191-196.

[9] NFPA130-2007, Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems Quincy[S]. USA: National Fire Protection Association, 2007.

The Influence of Slope and Piston Action Wind on Point Extreation Ventilation in Subway Long Tunnel Fire

Tang Haifeng Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Through numerical simulation model, the smoke flow in subway long tunnel fire under point extreation ventilation mode was simulated and analyzed. The paper researched the influence of slope and piston action wind on the exhaust efficiency and distribution of smoke temperature under point extreation ventilation mode. The results show smoke flow is not only affected by extreation of vents, but also by slope and piston action wind, so the influence of slope and piston action wind on the exhaust efficiency and distribution of smoke temperature under point extreation ventilation mode could not be ignored.

subway tunnel; fire; point extreation ventilation; slope; piston action wind

1671-6612（2017）06-561-04

U231.96

A

唐海峰（1992-），男，在读硕士研究生，E-mail：tahfeng@163.com

雷 波（1961-），男，教授，博士生导师，E-mail：lbswjtu@163.com

2017-05-10