应急排烟模式下地铁列车内外瞬变压力研究

2021-07-01凌中水夏燕玲史言稳朱磊李陶胜徐晶晶

齐齐哈尔大学学报（自然科学版） 2021年5期

凌中水，夏燕玲，史言稳，朱磊，李陶胜，徐晶晶

应急排烟模式下地铁列车内外瞬变压力研究

凌中水1，夏燕玲1，史言稳2，朱磊3，李陶胜1，徐晶晶4

（1.安庆职业技术学院，安徽安庆 246003；2.江苏大彭工程项目管理咨询有限公司，江苏徐州 221710；3.西安圣天建筑工程科技有限公司，西安 710000；4.江汉大学商学院，武汉 430056）

：利用气体动力学理论建立了地铁列车在应急排烟模式下的瞬变压力数值分析模型。根据深圳地铁公司提供的列车应急排烟方案，利用Fluent软件模拟了列车在该应急排烟模式下列车内外压力变化，3s时间段内，列车内外瞬变压力峰值为586Pa/(3s)。以某地铁“世界之窗-赤湾”2号线作为测试主体进行了实车试验，与理论结果进行比较，两者数据差别较小。计算与测试结果表明，应急排烟模式下列车内的瞬变压力低于德国、UIC、ERRI等国外高速铁路耳膜舒适度准则，也说明该数值分析方法具有较高精度。

地铁作为城市现代交通系统重要组成部分，极大地便利了人们的出行，由于地铁一般在地下运行，一旦出现火灾，就会严重威胁乘客人身安全。为防范火灾的发生和在火灾发生后排烟问题，世界各国开展了系列的研究。在地铁火灾危险源方面，目前主要的预测方法包括全尺寸、小尺寸模型试验以及数值模拟[1-3]。瑞士、英国等西方国家建造了大量的隧道，针对隧道实际尺寸火灾试验，开展了系统的模拟现场研究[4]。钟茂华等[5]就火灾产生时排烟模式以及地铁站台与站厅交汇处风速等问题制造了一个1∶10的地铁模型。Park等[6]研究了车站出现火灾重大危险事故时内部通风以及烟气流动特性。赵相相[7]运用PHOENICS软件对地铁隧道火灾烟气特性以及临界风速与火灾的线性关系进行了理论研究。大连交通大学王洪德、冯炼等[8-9]对火灾功率不同等级下列车运行以及停留在隧道内部这两种应用场景进行了模拟分析。目前对地铁火灾的研究主要集中在发生火灾时列车排烟模式等方向的研究，希望以最快的速度排尽车厢内的烟雾，很少考虑列车处于排烟模式下乘客的耳膜舒适度。在突发事件中，为了快速地到达站台处理事故，地铁列车前后、内外压差产生瞬变压力，使旅客耳膜产生严重的不舒适性，极易产生恐慌。根据某地铁集团提供的列车应急排烟模式下，瞬变压力对旅客耳膜舒适度产生影响，为避免旅客的恐慌，对该排烟模式下运行列车内外瞬变压力的研究就显得尤为重要。

本文首先提出了在列车发生火灾时继续运行而通过车门开启一定缝隙排出烟雾的列车应急排烟模式，并根据该模式，建立了地铁列车在隧道发生火灾时车厢内瞬变压力数值分析模型，根据某地铁公司提供的列车应急排烟方案，利用Fluent软件模拟了列车在该应急排烟模式下的列车内外压力变化情况，得出列车在3s的时间段内，最大瞬变压力为586Pa/(3s)。结合某地铁“世界之窗-赤湾”2号线对实车测试结果与数值模拟结果两者进行了比对，两者数据高度类似吻合较好，表明本文就该问题建立的数值分析方法精度满足要求，是可靠的。数值分析与实车测试结果表明列车在本文提出的应急排烟模式下列车内外瞬变压力低于德国等国家的高速铁路列车耳膜舒适度准则。

1 理论基础

（1）动量守恒方程

（2）能量守恒方程

2 数值分析

2.1 列车模型与边界条件

列车6节车箱，总长140m，高3.8m，宽3.09m，底板高1.1m，每节车厢布置10扇车门，车门尺寸具体为高1.8m，宽1.4m。本次模拟列车行驶过程中中部出现紧急火灾，设定参数为火灾功率2MW，行驶速度为80km/h，模拟所有车门开度为0.07m时状况下地铁内外瞬态压力波动情况，单节列车模型如图1所示。

考虑到地铁实际行驶时，时速不超过80km/h且空调系统处于正常工作状态，因此，数值模拟时将车厢内外气体均看作无法被压缩的气体[12]，所以采用速度入口边界条件。由于气体流动条件符合亚音速流动，且气体压强属于1个标准大气压，因此压力出口边界压强大小相对于1个标准大气压的压强大小为0。

图1 单节列车模型

2.2 结果分析

文中计算车门开度为0.07m的排烟模式的情况下，列车时速为80km/h时的列车内外压力分布。计算结果如图2, 3所示。结果表明，车厢内部压力变化较小；列车尾部其外部压力呈逐渐减小趋势，而且数据显示第1, 2节车厢前面压力高于内部压力；车门附近旅客受到正压；以第3节车厢作为变化起点，车厢内部压力高于列车外部压力，此时地铁内旅客处于负压状态。第6节车厢外面的压力最小，旅客承受的压力最大。

随着列车正常行驶时长的增加，地铁车厢内外压力产生了较大的变化。为节省篇幅，文中提取了在3s前后列车头部和尾部两对车门处的内外压力分布，3s前后压力值如表1所示。在列车第1节车厢外部的瞬态压力变化值为556Pa/(3s)，小于列车第6节车厢外部的瞬态压力变化值573Pa/(3s)，车厢内部的瞬态压力变化值为586Pa/(3s)。根据国内制定的国家铁路舒适度标准[15]，高速列车经过隧道时，列车车厢内允许的瞬变压力极值为3000Pa/(3s)。这说明，在该排烟模式下，车厢内部瞬变压力满足人耳对压力变化所需调节时间的要求。

图2 3s前列车内外压力分布图

图3 3s后列车内外压力分布图

表1 瞬态压力变化

3 试验

表2 实车测试结果

4 结论

本研究针对应急排烟模式下列车3s内瞬态压力波动分别进行了数值分析以及实车测试，两者得到的结果吻合度较高。数值分析结果显示，拟设定参数车厢应急排烟模式下，内部瞬态压力变化为586Pa/(3s)。数值分析与实车试验两者结果高度的吻合性说明了以气体动力学理论作为基础采用Fluent软件建立的地铁应急排烟模式下的瞬变压力数值分析模型是正确的，车厢内部瞬变压力分析结果精度较高。

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Research of the transient pressure inside and outside of subway train under the emergency smoke

LING Zhong-shui1，XIA Yan-ling1，SHI Yan-wen2，ZHU Lei3，LI Tao-sheng1，XU Jing-jing4

(1.Anqing Vocational & Technical College, Anhui Anqing 246003, China;2.Jiangsu Dapeng Engineering Project Management Consulting Co., Ltd., Jiangsu Xuzhou 221710, China;3.Xi'an Shengtian Construction Engineering Technology Co., Ltd., Xi'an 710000, China; 4.School of Business, Jianghan University, Wuhan 430056, China)

The research objective of this paper is to study the transient pressure of the emergency exhaust mode by numerical simulation and experiment when the subway train is running. The numerical models of transient pressure were established based on the gas dynamic theory. According to the data of the emergency exhaust scheme provided by Shenzhen Metro Co.,Ltd., the pressure variation inside and outside the running subway train was analyzed by the software Fluent. The results show that the maximum transient pressure is 586Pa/(3s). Furthermore, some experiments have been done in the Window of the world and the Chiwan Line of Metro for verifying the accuracy of numerical approach based on the emergency exhaust mode. The results from both the numerical and experimental analysis are consistent, so that the transient pressure of the emergency exhaust scheme is accord with national technology standard of Germany and other countries, the passenger comfortable standard can nor been lowered and the numerical analysis mode is reliable and of high accuracy.