基于Pyrosim模拟的地铁隧道火灾火场环境变化研究

王鹏 刘万福

摘要 随着我国经济社会的不断发展，诸多城市内已经建成了庞大的地下交通网络，以地铁为首的城市地下轨道交通方式具有方便快捷、安全可靠等优点，目前已经成为城市居民出行的首选交通方式。但是，一旦地铁内发生火灾，对于乘员人身安全的威胁是巨大的，这是因为在区间隧道火场环境下，火情蔓延速度快、有毒烟气不易排放、地下能见度不足、乘员人员密集等因素导致的。基于此，文章以Pyrosim模拟研究的方法，對地铁隧道火灾火场环境的变化进行研究，以温度、CO浓度、能见度为主要指标，综合判定两个试验工况下火场环境变化规律。结果表明，在不开启通风的自然条件下，火场环境温度升高，CO浓度升高，能见度降低，均会对于人员安全造成极大影响，在开启纵向通风的条件下，则会在上风向创造人员疏散安全环境。

关键词 火场环境;Pyrosim;温度;CO浓度;能见度

中图分类号 U231.96 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0178-03

收稿日期：2022-04-18

作者简介：王鹏（1996—），男，研究生在读，工学硕士，研究方向：火灾环境下的热物理过程。

通信作者：刘万福（1957—）男，博士研究生，教授，研究方向：环境安全中的热物理过程。

0 引言

地铁建筑主体通常情况下处在地下位置，发生火灾时危害极大[1]。在此背景下，该文基于Pyrosim软件火场环境模拟过程，针对地铁隧道火场环境变化关键参数进行研究，探寻在无通风以及开启纵向通风模式下地铁隧道火灾火场环境的变化规律，对于科学组织人员疏散及通风模式有一定的指导意义。

1 研究工具及模型的建立

1.1 研究工具简介

Pyrosim火灾仿真软件是由美国Thunderhead Engineering

公司在基于FDS（Fire Dynamics Simulator）的基础上进行开发的，FDS是由美国标准与技术研究院（NIST）进行研发的，通过纳维-斯托克斯方程来计算模拟现实燃烧的复杂过程。

1.2 物理模型的建立

该文主要以类矩形单洞双线隧道以为研究对象，对这种隧道结构形式下的火灾环境参数变化规律进行研究。由于该文的研究重点为烟气在事故隧道的蔓延情况以及人员疏散情况，为节省计算成本，仅建立事故隧道模型，在事故隧道建立列车模型，具体参数为列车编组节数6节单节车厢基本长度22 m，单节车厢基本宽度3 m，单节车厢顶棚高度3.7 m，单节车厢每侧车门数5对，车门宽度1.3 m。

1.3 火灾模型参数的确定

该次模拟实验将火源热释放速率设置为7.5 MW。由于区间隧道火灾属于非稳态火灾，根据地铁列车上可燃物的燃烧性质，该文将地铁区间隧道火灾设计为快速火模型[2]，火灾增长系数为0.046 9，当时间为400 s时，火灾热释放速率达到最大值7.5 MW。选取Pyrosim软件中的“POLYURETHANE”反应，火源热释放速率设置为7.5 MW，燃烧面积为1 m*1 m。边界条件为在模拟风机失效时端口设置为“OPEN”表面，在模拟风机纵向送风时，端口设置为“SUPPLY”表面，设置“Specify Velocity”选项为2 m/s，即纵向通风风速为2 m/s。

1.4 隧道火灾模拟实验方案的设计

为全面掌握地铁隧道火灾火场变化情况，该文将采用无通风以及纵向通风两种方式进行模拟，列车位于隧道中部，火灾位置选取在列车端部，确定如下两种工况进行模拟研究。A1工况为隧道一端风机强制纵向通风状态，A2工况为自然通风状态。为明晰火灾情况下隧道空间区域内危险性的变化情况，该研究将空间区域离散化，共将整体空间区域分为28个子区域，分别布置CO浓度测点、温度测点以及能见度测点，空间区域划分图如图1所示。

1.5 隧道火灾安全环境的判别方法

在该研究中将危害人员生命健康的主要因素确定为隧道温度、CO含量、能见度。以此来判断隧道火灾的安全环境，该研究认为一般危险区域温度界限为55 ℃，绝对危险区域温度界限为90 ℃;一般危险区域的CO浓度界限为400 ppm，绝对危险区域的CO浓度界限为800 ppm。最后，人员在大空间区域内可以承受的能见度阈值为10 m，故该文认为一般危险区域的能见度界限为10 m，不设绝对危险阈值。

2 火场环境工况模拟结果及分析

2.1 A1工况火灾模拟结果及分析

在A1工况下，各区域达到绝对危险区域以及一般危险区域的时间统计见图2。由图可知，在开启纵向通风排烟情况下，6～10、17～28、24～28区域保持安全，仅近火源区域的子区域变为绝对危险区域，下风向子区域会变成一般危险区域。

受温度影响，疏散平台区域16在272 s时成为绝对危险区域，在550 s时CO浓度达到绝对危险标准，由于测点设置的原因，在此工况下区域16所属部分既包括下风向部分也包括上风向部分，认为区域16上风向部分区域始终保持安全环境;在列车区域23，受温度升高影响340 s时成为绝对危险区域。下风向区域1～5、11～16、23自46 s起均逐渐转变为一般危险区域，距离火源越远转变为一般危险区域的时间就越长，但是疏散平台15区域受能见度影响转变为一般危险区域的时间略高于距离火源更近的16区域。总的来看，在开启机械通风的情况下，能见度会迅速降低到10 m以下，对人员疏散造成威胁。相较于能见度，CO浓度除近火源区域外不会达到严重危害人员健康的400 ppm的标准，而温度仅在火源下风向200 m范围内超过55 ℃，在远火源区域，温度对于人员疏散逃生的威胁是可控的。

2.2 A2工况火灾模拟结果及分析

A2工况下，各区域达到绝对危险区域以及一般危险区域的时间统计见图3。

由图3可知，在防排烟系统失效的情况下，在3 000 s时间范围内除靠近两端站台的1、10、11、26区域外，其他区域均会转变为绝对危险区域，且除近火源区域外，其他子区域主要是受到CO浓度升高的影响转变为绝对危险区域。全部子区域均会变成一般危险区域，主要受到CO浓度以及能见度变化的影响。空间区域距离火源越远转变为危险区域以及一般危险区域的时间也就越长。但这一规律在近火源100 m范围内受CO浓度影响的危险环境时间变化规律却有例外，因为首先形成较厚烟气层的位置并不在火源处，而是在火源附近位置，所以CO浓度累积在这些位置也是相对较快的，除此之外，温度仅在子区域16、23两个最靠近火源的位置达到了95 ℃，在火源附近100 m范围达到55 ℃，对于整体区域安全的影响范围较窄。

3 结论

（1）采用2 m/ s的纵向通风风速可以遏制烟气向上风向传播，为人员安全疏散创造了有利环境。

（2）能见度快速下降到10 m的时间要先于温度到达55 ℃以及CO浓度达到200 ppm的时间，可见在地铁隧道火灾中，能见度的快速下降会首先导致火灾环境对于乘员造成不利影响。

（3）温度对于人员安全疏散的影响主要集中在近火源区域内，是否开启纵向通风模式对于温度扩散范围的影响不大，但会有效遏制上风向热量的扩散以及累积。

（4）CO浓度在自然通风环境下会随着时间的推移在全隧道区域内超过400 ppm。在开启纵向通风后，CO浓度在下风向近火源区域仍会超过400 ppm，但随着时间的推移，下风向远火源区域的CO浓度不会达到400 ppm，但会超过200 ppm。

综上所述，在隧道火灾发生后，如若不采取通风手段，火场安全环境状况会对人员疏散造成较大影响，开启纵向通风模式后，会在上风向创造出人员安全疏散环境，为火场救援以及人员疏散争取到有利条件。

参考文献

[1]仇培云， 史聪灵， 汪良旗， 等.地铁长大区间隧道火灾排烟模式有效性研究[J]. 安全， 2020（6）： 47-52.

[2]朱庆松. 地铁区间隧道火灾烟气流动特性及人员疏散研究[D].马鞍山：安徽工业大学， 2019.