不同隧道坡度与车厢火灾位置情况下烟气蔓延特性研究*

2022-10-17车洪磊钱小东

中国安全生产科学技术 2022年9期

方祥，任飞，李建，车洪磊，钱小东，唐飞

(1.中国安全生产科学研究院地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京 100012；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230026)

0 引言

随着我国城市化的发展，核心城市人口日益增多。轨道交通以其载客量大、速度快、准点率高、低能耗、低污染等优点在城市公共交通系统中扮演着重要的角色。根据《城市轨道交通2020年度统计和分析报告》可知[1]，截至2020年底，中国大陆地区已开通轨道交通城市共45个，运营线路长度达7 969.7公里。隧道作为城市轨道交通的重要组成部分，具有结构狭长、空间密闭等特点，一旦列车发生火灾停在区间隧道，隧道内温度将在短时间内急剧升高并产生大量烟气，这对乘客安全造成极大的威胁[2-3]。此外，由于地质条件等客观因素，在隧道设计中部分线路往往具有一定的坡度。隧道坡度的存在将会造成火源上下游热浮力的差异，因此，含坡度的隧道内火灾烟气运动与普通水平隧道中有所不同，在人员救援及疏散中对烟气的控制方案应有所不同。

针对隧道火灾，国内外学者开展一系列实验和数值模拟研究并得到大量有效的实验数据和结论[2-12]。在实验方面，史聪灵等[5-6，11]通过开展全尺寸实验，研究隧道火灾中顶棚温度、烟气输运等参数；杨宇轩等[2]通过开展全尺寸实验，研究含坡度隧道火灾在车辆阻塞下的气流速度、烟气温度以及烟气层厚度等；李炎锋等[3]通过开展缩尺寸实验，研究含坡度隧道下火灾温度场分布规律。在数值模拟方面，吴贤国等[5]研究隧道火灾中车辆因素对隧道内温度以及一氧化碳浓度分布的影响；冯炼等[10]研究隧道火灾在机械通风下的风速和温度分布，并以此为火灾救援中最佳紧急通风方案提供依据；Zhang等[11]通过全尺寸模拟含坡度隧道火灾中顶棚的最大温升以及烟气逆流长度；田向亮等[13]通过全尺寸实验研究不同阻塞条件下的隧道火灾烟气扩散规律，建立考虑阻塞比的隧道风量衰减模型；王钟宽等[14]通过缩尺寸实验研究不同坡度隧道火灾自熄现象，发现坡度为3%和5%的隧道火灾不会出现自熄现象；姜学鹏等[15]研究不同火源位置情况下城市V型坡隧道火灾烟气运动特性；刘慧强等[16]研究区间隧道坡度对停驶列车火灾烟气自然扩散的影响，确定安全疏散时间。

然而，针对地铁列车车厢阻塞效应与隧道坡度耦合作用下火灾烟气输运规律的研究仍较为匮乏。当隧道内存在列车车厢时，隧道通风方向与火源和车厢相对位置具有直接关系，而火源和车厢的相对位置受隧道坡度的影响(烟气蔓延不对称性)，烟气逆流长度又存在差异。该种隧道火灾情况下烟气逆流规律的研究对于保障乘客安全疏散具有重要意义。

因此，本文采用CFD数值模拟的方法，搭建含坡度全尺寸隧道火灾模型，考虑火源分别位于车厢头部和尾部2种火灾场景，研究在纵向通风的情况下含坡度隧道火灾烟气的温度场及蔓延情况。通过分析火灾烟气温度分布以及逆流长度等变化规律，为地铁隧道火灾安全提供参考。

1 模型设置

1.1 CFD模型构建

隧道的总长度设置为500 m，其横截面为矩形，外径尺寸为5 m×5 m，内径尺寸为4.6 m×4.6 m，隧道壁面材料为混凝土，其导热系数为1.8 W/(m·K)。隧道底部放置有2条轨道，其横截面尺寸为0.2 m×0.2 m，其材料为钢，导热系数为45.8 W/(m·K)。车厢置于导轨上且位于隧道中间偏左位置，车厢总长度为120 m，为包括6节长度为20 m的编组车厢，横截面为4.0 m×2.8 m，材料为钢。火源分别置于车厢头部和尾部(图1)，火源的尺寸为2 m×2 m，位于距离隧道底面0.2 m高度处，与车厢底部平齐。使用丙烷作为燃料，并采用FDS用户指南中默认参数作为火源参数。湍流模型是“Constant Smagorinsky”。反应采用简单的化学、混合控制燃烧模型(单步)，并指定单位质量氧的能量释放为1.31×104kJ/kg。环境温度设定为20 ℃，环境压力设定为101 kPa。隧道的两端设定为开放边界。

图1 模型设置Fig.1 Setting of model

1.2 火灾场景

在实际隧道火灾中，一般通过机械通风的方式使火灾烟气在隧道中向远离车厢的方向运动，从而达到排烟的目的，使车厢中的乘客处于安全的环境[11]。考虑隧道坡度对烟气层温度和逆流长度的影响，兼顾计算能力和经济性，对于火源1和火源2的情形，分别设计3种风速和3种坡度，共计18种模拟工况，如表1所示。7.5 MW的热释放速率被认为是1辆列车车厢燃烧的常见火灾情形[11]，因此模拟工况的火源热释放速率均设定为7.5 MW。

表1 数值模拟工况Table 1 Numerical simulation conditions

模拟时间设置为600 s，以达到烟气扩散的稳定状态。定义5组网格，其计算边界为500 m×5 m×5 m，采用MPI并行处理进行多组网格模拟(MPI进程数5，OpenMP线程数3)，以缩短模拟运行时间。火源特征直径计算见式(1)：

(1)

设定网格尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m。一般认为D*/δ(δ为网格尺寸，m)在4～16之间，模拟结果较为准确[11]，此处D*/δ=10.4满足模拟精度所需。

1.3 参数测量及结果可靠性说明

在隧道顶部中心线上每间隔2 m处布置热电偶测点，测点与顶棚垂直距离设定为0.05 m，以观测火灾中隧道内温度变化情况。此外，在沿着隧道纵向的中心面上设置切片，来监测温度、可见度和流场情况。FDS数值模拟方法广泛应用于隧道火灾研究，研究表明其结果具备可靠性[17-18]。

2 结果与讨论

2.1 隧道内温度分布

火灾烟气在隧道内的扩散蔓延情况可以从温度分布进行判断。图2展示火源位于车厢上游(火源1)时隧道纵向中心线温度分布(车厢位置参数为[-60 m,60 m])，横坐标为模型纵向位置。可以看到：随着纵向通风风速增大，迎风侧纵向温度不断降低，烟气向列车车厢方向的蔓延长度不断减小，纵向通风的抑制作用控制烟气在火源下游的蔓延；当纵向通风风速一定时，随着坡度的增大，火源下游(列车车厢一侧)烟气温度也逐渐降低，向列车车厢方向的蔓延长度不断降低(如图2中白色箭头所示)，这是因为隧道坡度引起重力分量不对称导致烟气更多向上游方向蔓延。

图2 火源位于车厢上游时烟气纵向温度分布Fig.2 Longitudinal temperature distribution of smoke with fire source located at upstream of car

图3所示为火源位于车厢下游(火源2)时的隧道纵向中心线温度分布(车厢位置参数为[-160 m,-40 m])。可以看到：随着纵向通风速度的增大，隧道温度分布规律与火源位于车厢上游情况下一致，迎风侧的烟气蔓延长度明显缩短；然而，纵向通风风速一定时，随着坡度的增大，火源上游(列车车厢一侧)烟气蔓延长度不断增大(如图3中白色箭头所示)，这是由于火源处于车厢下游，由于坡度原因烟气更多向上游(车厢一侧)蔓延，相比于火源位于车厢上游情况，该种情况需要更大的纵向通风风速控制烟气不蔓延至车厢一侧，火灾风险更大。

图3 火源位于车厢下游时烟气纵向温度分布Fig.3 Longitudinal temperature distribution of smoke with fire source located at downstream of car

图4是2种火源位置情况下在不同坡度相同通风速度下顶棚烟气纵向温度分布情况。可以看出：无坡度、无纵向通风情况下，火源车厢区域烟气纵向温度略高于对称位置，这是由于列车车厢存在减少了热烟气与冷空气的对流散热；对于不同火源位置，在无纵向通风情况下，火源上游方向烟气温度均不随坡度变化而变化，然而，火源下游方向烟气温度随坡度增大而减小，火源下游方向受坡度影响更大；施加纵向通风后，火源两侧温度均有不同程度下降，与图2和图3所观察到的现象一致。

图4 不同坡度与相同纵向通风风速情况下顶棚纵向烟气温度分布Fig.4 Longitudinal temperature distribution of ceiling smoke under different tunnel slopes and same longitudinal ventilation wind speeds

2.2 流场及烟气逆流长度

图5是火源位于车厢上游方向情况下能见度及流场分布。就能见度而言，无纵向通风时，车厢区域能见度基本为0，表明烟气已经扩散至整个车厢区域；当纵向通风速度为1 m/s时，车厢上部靠近火源的小部分区域能见度基本为0而远离火源部分能见度较高，表明烟气在车厢上部扩散至一定距离(烟气逆流长度)后停止扩散；当纵向通风速度为2 m/s时，整个车厢上部能见度都较高，表明烟气此时已经无法在车厢上部(迎风侧)扩散，转而扩散至背风侧。此外，烟气逆流长度随坡度的增大而减小。

火源附近烟气扩散的原因可以从流场角度进行解释。当通风速度为0 m/s时，烟气撞击顶棚向火源两侧自由扩散；当通风速度为1 m/s时，由于风的动压，烟气在撞击顶棚后向迎风侧扩散一定距离后停止；当通风速度为2 m/s时，风的动压增大，烟气在撞击顶棚后完全无法向迎风侧扩散，转而顺风扩散。

图6是火源位于车厢下游方向情况下能见度及流场分布。与图5中火源位于车厢上游方向不同的是，随着坡度增大，车厢区域的能见度不断下降，威胁人员安全疏散。此外，从流场变化情况看，同一纵向通风风速情况下，车厢区域火灾烟气与纵向通风之间相互作用更强烈。

图5 火源位于车厢上游情况下能见度及流场Fig.5 Visibility and flow field with fire source located at upstream of car

图6 火源位于车厢下游情况下能见度及流场Fig.6 Visibility and flow field with fire source located at downstream of car

图7是烟气逆流长度随隧道坡度以及纵向通风速度的变化。从图7中可以看出：当坡度为0%时，施加纵向通风时不同火源位置烟气逆流长度一致；当隧道存在坡度且纵向通风风速一定时，火源相对于列车车厢位置将会显著影响烟气逆流长度，火源在车厢上游方向时，烟气逆流长度随隧道坡度增大而减小。火源在车厢下游方向时，烟气逆流长度随隧道坡度增大而增大。此时，烟气逆流长度由火灾烟气热浮力与纵向通风惯性力竞争机制主控，而上游方向火灾热浮力需克服重力分量较小，导致火源在车厢上游和下游方向存在差异；当施加纵向通风风速不断增大，纵向通风惯性力将占主导地位，此时完全无烟气蔓延至车厢区域(烟气逆流长度为0)，坡度已无显著影响；当纵向通风风速为1 m/s时，火源在车厢上游方向，烟气逆流长度减小幅度为0.75 m每1%坡度；火源在车厢下游方向，烟气逆流长度增大幅度为0.5 m每1%坡度。