铁路分岔隧道典型火灾条件下射流风机选型计算研究

摘 要：该研究提出针对铁路列车火灾在分岔隧道段的排烟分区划分方法，并进行相应的风机匹配计算。通过PyroSim软件进行数值模拟，对火灾在分岔位置上下游的不同位置进行相应的烟气通风控制，验证排烟分区划分方法的可行性。研究结果对于复杂铁路分岔隧道部位通风排烟系统的设计具有实际的参考价值。

关键词：分岔隧道；排烟分区；烟气控制；射流风机；可行性

中图分类号：U458.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0082-04

Abstract： This study proposes a smoke exhaust zoning method for railway train fires in bifurcation tunnel sections and conducts corresponding fan matching calculations. Through the numerical simulation of the PyroSim software， the corresponding smoke ventilation control is carried out at different positions of the upstream and downstream of the bifurcation position， and the feasibility of the smoke exhaust partition method is verified. The research results have practical reference value for the design of ventilation and smoke exhaust system at bifurcations of complex railway tunnels.

Keywords： bifurcation tunnel; smoke exhaust zone; smoke control; jet fan; feasibility

近年来，随着复杂城市铁路集群隧道的不断增多，分岔隧道的结构变得愈发复杂。这种隧道通常由主隧道和出入口岔道组成，一旦发生火灾，复杂的烟气流动路径导致排烟气流的组织变得困难[1-2]。合理的排烟系统设计可以有效控制火灾发生有毒有害的烟气蔓延，即降低烟气的传播速度、控制烟气的传播路径、减小烟气的影响范围，以达到降低火灾可能引起的伤害和损失的目的[3]。要确保排烟系统的有效性，需要考虑分岔隧道结构的复杂性，并采用关键位置设置风机、控制气流方向、合理设置排烟口等手段控制烟气[4]。与横向排烟的排烟分区不同，纵向排烟分区无法仅依赖物理隔离实现[5]，需要通过分区内外不同分支上的风机相互协同工作。

本文在深入研究分岔铁路隧道结构特点的基础上，提出纵向排烟分区划分的原则和方法，通过合理匹配射流风机动力，实现对烟气的分区控制。使用PyroSim火灾数值模拟软件，验证在隧道不同位置发生火灾时纵向排烟的效果，以验证所提出方法的可行性。本研究旨在为铁路分岔隧道纵向通风排烟设计、运维及人员疏散提供切实可行的方法。

1 数值模拟过程

1.1 模型建立及参数设置

计算模型取自在建深江铁路客运专线某段，主道为单洞双线矿山法隧道，计算域总长500 m。主道中间位置处有一条长200 m，与主道夹角30°的斜井。A、B分别为隧道左、右侧出口，C为斜井口。主道与斜井截面积分别为81 m2和43.5 m2，水力直径分别为9.26 m和7 m，隧道的拓扑结构如图1所示。

隧道采用纵向通风方式时，考虑自然风的影响[6-7]，自然风速定为1 m/s。火源采用t2特征火模型，最大热释放速率15 MW，火灾发展时间75 s[8]。选取排烟分区内导致排烟路径最长的着火点为设计工况下的火源位置。经计算分析，本论文研究对象的最不利火源位置分别为图中的D1和D2点，位于分岔位置的左右两侧，距离计算域的左侧分别是230 m和270 m，以代表在分岔位置上游和下游发生火灾时的不同情况。

在分岔隧道部位布置风机的基本原则是确保当发生火灾时，能尽量降低火源位置的烟气对其他位置的影响，并能为列车乘客提供尽可能长的安全疏散时间。为了确保烟气能够通过单一分支排出，需要在分岔隧道区域附近安置多组协同运转的射流风机，风机布置如图 1的E1—E3。在主道的175 m和325 m处分别设置风机E1、E2，每组6台。斜井安装1台射流风机E3。每台风机的最大风量为43 m3/s，斜井风机的风量设定为11 m3/s，如图 1中D1、D2所示。

1.2 排烟分区划分及工况设置

排烟分区划分应符合以下原则[9]：排烟分区内的排烟路径唯一；排烟分区内风机开启方向一致；防止烟气蔓延至相邻排烟分区；确保在同一排烟方案下能有效应对排烟分区内任意位置发生火情的情况；尽量减少隧道排烟分区总数。

考虑分岔隧道的结构特点和烟气排出方向，可分为2种基本分岔单元，如图 2所示。主道2个分支口分别表示为A和B，岔道分支口表示为C。合流单元由主道与入口岔道组成（图2（a）），分流单元由主道与出口岔道组成（图2（b））。当火灾发生在列车不同位置时，要使最少乘客穿过烟区，有不同的人员疏散策略。本文研究火灾发生在列车左侧或右侧时，列车无法驶出隧道而制动在分岔位置附近的情况。图2表示了不同火灾工况下排烟分区划分思路。列车右侧着火时，人员向左疏散，控制烟气向右排出，分岔隧道视作分流单元。在分流单元中，当火灾发生在主道时，烟气从B排出，C风机反转防烟。当火灾发生在岔道时，A、C的风机开启方向与烟气排出方向一致，B风机反转防烟，烟气从C排出，分流单元被划分为2个排烟分区。

列车左侧着火时，人员向右疏散，控制烟气向左排出，此时分岔隧道视作合流单元。在合流单元中，当火灾发生在A或B时，火灾上游与C进行防烟；当火灾发生在C时，火灾上游与B进行防烟。无论火灾在合流单元的何处发生，分岔隧道风机的开启方向均与烟气排出方向一致，烟气沿着A向左侧排出，因此将合流单元视为一个排烟分区。

数值模拟工况见表1。列车内部右侧着火时且火灾发生在分岔位置左侧时，人员向左疏散，控制烟气向右排出，分岔隧道视作分流单元。斜井截面积小，烟气流通能力差，烟气从B排出，火源上游和斜井防烟，人员从A撤离，对应工况1和工况2；当火灾发生在分岔位置右侧时，烟气同样从B排出，火源上游防烟，人员就近从斜井C撤离，对应工况3。列车内部左侧着火时且当火灾发生在分岔位置左侧时，人员从斜井C撤离出地面，对应工况4；而当火灾发生在分岔位置右侧时，如果人员从斜井疏散，部分人员需穿过烟区，因此人员从B口疏散，对应工况5。

2 风机匹配计算方法

阻力主要由火区阻力、气流阻力、自然风阻力组成[10]。火源区因热膨胀而导致的火区阻力较小，可不予考虑[9]。

， （1）

式中：？驻P为隧道总阻力；？驻Pfire为火区阻力；？驻Ploss为气流阻力；？驻Pn为自然风阻力，各阻力单位均为Pa。

气流阻力分为沿程阻力和局部阻力，计算公式为

式中：？驻P？姿为气流沿程阻力；？驻P？孜为气流局部阻力；？姿为沿程阻力系数；？孜为局部阻力系数；Q为分支流量；L为隧道分支长度；D为隧道水力直径；A为隧道分支断面积；？籽为空气密度。

对于自然风阻力

纵向排烟的排烟动力主要依赖于射流风机群提供的升压力，即风机动力。射流风机产生高速喷射气流，驱动隧道内的烟气沿纵向方向流动，风机动力应与排烟分区内的阻力相匹配。因此，实现隧道纵向排烟所需的风机台数n为

式中：Ｐj为单台风机升压力；f为风机出口面积；？淄j为风机风速；Kj为安装损失系数，取1.162。考察Φ1250型和Φ630型风机，出口最大风速为35 m/s和34.7 m/s，最大升压力分别为19.00 Pa和8.84 Pa。

确定风机开启方向后，通过建立压力平衡和流量平衡方程并联立求解，得到了满足设计工况排烟要求的风机升压力相互约束关系。图3展示了合流单元和分流单元的风机匹配计算流程，Pi表示分支i的风机升压力，Pa；P-i表示风机反转开启防烟。

当火灾发生在合流单元，分岔隧道结构被视作一个排烟分区，该排烟分区内的各支路风机升压力应在合理取值范围内，这个范围即为风机选型的区间。因此，无论火灾发生在分岔隧道位置左侧或右侧，均采用该风机升压力取值范围。当火灾发生在分流单元，如图2（b）所示，划分为2个分流排烟分区。火灾发生在分流排烟分区1时，E3风机反转防烟，控制烟气向B口排出，此时风机适用分流单元的升压力取值范围。

3 结果与分析

3.1 分岔隧道风机开启风量大小对机械排烟的影响

在工况1中，风机风量不足导致烟气向分岔隧道蔓延，而在工况2中通过增大分岔隧道风机风量成功防止了烟气蔓延。因此，建议在系统设计中优化分岔隧道风机参数，以确保在各种工况下都能有效控制火灾烟气。

3.2 不同火源位置对机械排烟的影响

将工况2、3和工况4、5分别两两比对，工况3和工况4均因为火源距离出口更近，烟气更快到达出口。因此，在同一排烟分区的相同排烟策略下，分岔隧道内的烟气流动特性基本一致，排烟时间差异主要由火源距离出口位置决定。在系统设计和应急控制策略中，需充分考虑火源位置、出口距离及隧道结构等因素，以确保系统能灵活有效地控制烟气蔓延，最大限度保障火灾应对效果和安全。

3.3 风机匹配计算案例验证

火源功率为15 MW时，取临界风速2.0 m/s[11]，可计算出各分支达到临界风速所需流量。针对不同的斜分岔隧道规定了不同的局部阻力系数[6]，分岔隧道进出口的局部阻力系数分别为0.6和1.0。参考规范，主隧道沿程阻力系数取0.021，斜井沿程阻力系数取0.022。斜分岔隧道合流单元和分流单元连接处的局部阻力系数分别为0.05和3.0。

计算得出自然风速1 m/s时，各支路的自然风阻力和气流阻力见表2。

对工况1—3，计算各分支风机升压力的协同关系，得出风机升压力合理取值范围为

针对工况1，当在E1和E2位置处均配置6台Φ1250射流风机，在分岔隧道E3处配置1台Φ630射流风机时，各对应支路能够提供的最大升压力分别为114、114、8.84 Pa。尽管主道风机满足升压力需求，但斜井分岔隧道并不能满足所需的最小风机升压力。对于工况2和工况3，将分岔隧道射流风机调整为Φ1250，可以满足需求。

对于工况4—5，计算各分支风机升压力的协同关系，得出风机升压力合理取值范围为

针对工况4—5，当在E1和E2均配置6台Φ1250射流风机，并且在分岔隧道E3配置1台Φ630射流风机时，各对应支路能够提供的最大升压力分别为114、114、8.84 Pa，可以满足升压力的需求。

4 结论

本文根据结构形式和排出方向，提出了纵向排烟分区划分原则与方法，将分岔隧道不同分支划分为合流单元和分流单元，能够较好地实现火灾烟气流动分析及风机匹配选型的计算。自然风速在分岔隧道内对火灾烟气扩散有明显影响，设计排烟系统时需充分考虑自然风影响，尤其在风速较大时可能减弱风机排烟效果。研究结果表明，在火灾发生时需充分考虑压力平衡和流量平衡原理，通过调整射流风机参数，根据相邻排烟分区风机的协同关系确定不同射流风机的启动方向及升压力选择，同一风机匹配方案可应对不同火源位置的防排烟需求。

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