自然通風隧道火災的煙氣特性和控制標準

袁中原，雷 波，陳鵬云

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

自然通風隧道火災的煙氣特性和控制標準

袁中原，雷 波，陳鵬云

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

建立自然通風隧道火災三維數值計算模型，并應用縮尺隧道試驗數據對數值模擬進行驗證，采用驗證過的數值計算方法對自然通風地鐵區間隧道的火災煙氣特性和安全控制標準進行三維數值模擬研究。結果表明，數值模擬結果與試驗結果吻合較好;孔口尺寸對隧道頂壁煙氣溫度、人員高度處的CO濃度和能見度的影響較大，但對人員高度處的溫度幾乎沒有影響;在隧道火災4種安全控制標準中，人員高度處的能見度起主要控制作用。

自然通風 隧道火災 煙氣特性 控制標準

地鐵區間隧道可以采用頂部開孔的方式實現自然通風，列車在隧道內發生火災時，通風孔在熱壓的作用下起到通風排煙的作用，在實際工程上需要設計合理的開孔方式以滿足事故通風要求，并節約土建費用。

目前，對自然通風模式下的隧道火災，國內已經有了一些相關研究。李亮等人［1］對自然通風地鐵隧道火災進行了安全評估，其評判標準采用人員高度處的溫度。畢海權等人［2］通過三維數值模擬對半敞開式公路隧道火災進行了分析研究，研究指出，隧道發生火災時僅有距離火源較近的孔口起到排煙作用。王彥富等人［3-4］采用全尺寸試驗和數值模擬的方法對公路隧道自然通風的火災情況進行了一系列研究，但該研究主要局限于特定的公路隧道。

顯然，目前的研究缺乏孔口尺寸對隧道內煙氣特性影響的論述，而且采用的安全控制標準單一。本文采用三維數值模擬技術，在煙氣特性研究的基礎上，對自然通風隧道發生火災時的安全控制標準進行了研究。

1 自然通風隧道火災控制標準

隧道火災采用自然通風排煙模式時，逃生人員需要在火災熱煙氣下方緊急向火源兩側方向逃生?，F有的《地下鐵道設計規范》沒有涉及到自然通風情況下的通風排煙要求，因此，有必要借鑒國外相關標準。按照美國固定軌道運輸與客車系統標準NFPA130和世界道路協會PIARC標準的推薦值［5-6］，依據實際情況并考慮一定的安全余量，對于距離火源30 m以外的逃生環境，本文采用的隧道火災控制指標為：①人員高度的煙氣溫度不超過60℃;②隧道頂壁煙氣溫度不超過150℃;③人員高度CO濃度不超過1 000×10－6;④人員高度處的能見度不小于8.4 m。

2 CFD模擬

2.1 數值方法

數值模擬選用火災三維模擬軟件FDS5，湍流模型采用大渦模型，燃燒模型采用混合燃燒模型。

2.2 物理模型

選取標準雙線地鐵隧道作為研究對象，隧道斷面尺寸為9.3 m×4.8 m，軌距為5.0 m。著火列車位于一側軌線處，列車模型為標準B型車，尺寸為120.0 m×2.8 m×2.7 m，列車地板面距隧道底部1.38 m。隧道頂部設置通風孔，通風孔寬度為固定值2.5 m。隧道斷面如圖1所示。

圖1 隧道斷面示意(單位：m)

本文按照火災最不利情況進行研究分析，即著火車廂位于兩通風孔正中間。為了更符合實際情況，選取火源在列車中部車廂內燃燒，火災煙氣通過門窗進入隧道，進而通過排煙孔口排出隧道外。根據相關研究，選取火災熱釋放率為10 MW［1］。

2.3 邊界條件

壁面材料為鋼筋混凝土層，厚度為500 mm。鋼筋混凝土層的外部是土壤層，為恒溫條件，土壤溫度取15℃，環境溫度取25℃。隧道壁面與煙氣之間的傳熱設置為第三類邊界條件。由于隧道發生火災時采用自然通風模式，因此，隧道端頭和通風豎井處均設為開口條件。依據2.2節火源設定的分析，模擬計算中模型在火源處縱向對稱，為了節省計算時間在火源處設置對稱邊界條件。計算模型如圖2所示。

2.4 數值模擬驗證

圖2 數值模擬模型

為了驗證數值模擬模型的正確性，設計了自然通風隧道火災的模型試驗，試驗介紹見文獻［7］。本文選取兩種典型試驗工況對數值計算方法進行驗證：火源熱釋放率為10.2 kW，通風孔口高度H為267 mm，通風孔口長度L分別為533 mm和667 mm。數值模擬計算結果與試驗結果的比較如圖3所示，由圖3可以看出數值模擬結果與試驗結果基本吻合，說明數值模擬模型可以很好地模擬自然通風隧道火災。

圖3 試驗結果與數值模擬的比較

3 煙氣特性

通過對隧道控制標準的分析，了解到隧道發生火災時影響人員逃生的因素有頂壁溫度、人員高度處的溫度、人員高度處的CO濃度和人員高度處的能見度，因此本文從這幾個方面來分析隧道內的煙氣特性。

3.1 煙氣分布規律

本文對孔口間距為120 m的自然通風隧道火災進行數值模擬，分析得到了自然通風隧道火災時的煙氣分布特性，如圖4所示。由于火災列車發生在兩通風孔正中間，因此，靠近火源的孔口與火源間距為60 m。

從圖4(a)中可以看出，火源附近的隧道頂壁煙氣溫度極高，最高溫度近300℃。隨著煙氣沿著隧道縱向擴散，隧道頂壁煙氣溫度迅速下降;而后在某個與火源相距較遠的區域，煙氣溫度下降逐漸變得緩慢;當煙氣擴散到孔口處時(距火源60 m)，大部分煙氣由孔口處排出，導致頂壁煙氣溫度下降變快;部分煙氣繞過排煙孔口繼續向前擴散，最終煙氣的浮升力與進入隧道的新鮮空氣的慣性力相等，煙氣停止向前擴散，隧道頂壁煙氣溫度達到環境溫度。

從圖4(b)與圖4(c)中可以看出，火源附近隧道人員高度處的煙氣溫度分布與CO濃度分布不穩定，這是因為隧道內車輛車廂底部起火時，煙氣從各個窗口排出，造成人員高度處煙氣分布不均。隨著煙氣沿著隧道縱向擴散，隧道人員高度處的溫度和CO濃度將變得穩定，并逐漸下降，直至降低到環境值。

從圖4(d)中可以看出，火源附近煙氣從列車窗戶排出，導致人員高度處煙氣濃度很大，能見度較低;隨后熱煙氣上升并向前擴散，人員高度處逐漸沒有煙氣，煙氣能見度迅速增大;隨著熱煙氣繼續向前擴散，熱煙氣卷吸隧道內的新鮮空氣，高溫煙氣被周圍空氣冷卻，煙氣層將下降到人員高度處，導致人員高度處的能見度逐漸下降;煙氣到達孔口處時(距火源60 m)，大部分煙氣從孔口排出，人員高度處的煙氣濃度降低，能見度將隨著煙氣的排出而升高;其余煙氣繞過孔口繼續向前擴散，且煙氣繼續沉降，導致人員高度處的煙氣濃度升高，能見度降低;最終，煙氣浮升力與進入隧道的新鮮空氣的慣性力相等，煙氣不再向前擴散，人員高度處的能見度迅速上升到隧道正常工況下的能見度。

圖4 煙氣分布規律

圖4顯示，在隧道30 m以外的區域，頂壁煙氣溫度、人員高度處溫度和人員高度處CO濃度均低于人員逃生安全控制標準，但人員高度處的能見度在某些區域低于安全標準要求的8.4 m。這說明自然通風單洞雙線地鐵隧道火災時，在人員逃生安全標準中，人員高度處的能見度起主要控制作用。

3.2 孔口長度對煙氣分布的影響

孔口長度L的增大會導致隧道排煙量的增多，從而對隧道內的煙氣分布特性產生影響。本文在隧道間距120 m、高度4 m的情況下，分析了不同孔口長度對隧道火源30 m以外煙氣分布特性的影響，如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，通風孔口長度對火源所在的隧道段的頂壁煙氣溫度基本沒有影響，然而孔口后方區域隧道段頂壁煙氣溫度隨通風孔長度的增大而減小。由圖5(b)可以看出，通風孔口長度對整個隧道中人員高度處的溫度分布基本沒有影響。由圖5(c)和圖5(d)可以看出，人員高度處的CO濃度隨通風孔長度的增大而減小，但能見度隨通風孔長度的增大而增大。

3.3 孔口高度對煙氣分布的影響

孔口高度H增大會導致孔口煙囪效應增強，導致孔口的排煙量增多，火源附近隧道段的煙氣流速增大，從而對隧道內的煙氣特性產生影響。本文在隧道間距120 m、孔口長度8.4 m的情況下，分析了不同孔口高度對隧道火源30 m以外煙氣特性的影響，如圖6所示。

圖5 孔口長度對煙氣分布的影響

圖6 孔口高度對煙氣分布的影響

由圖6(a)可以看出，煙氣流速的增大會導致火源所在的隧道段的頂壁煙氣溫度隨通風孔高度的增大而增大，然而孔口排煙量的增大會導致孔口后方區域隧道段頂壁煙氣溫度隨通風孔長度的增大而減小。由圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)可以看出，通風孔口高度對人員高度處的溫度、CO濃度和能見度的分布影響與孔口長度對三者的影響基本一致，其原因都是孔口排煙量的增加。

4 人員逃生安全控制因素

為了詳細分析自然通風隧道火災時的人員逃生安全控制因素，本文對隧道火災時的4種控制參數進行了無量綱化，并在不同孔口間距和孔口尺寸下對各無量綱參數進行了分析比較。

控制參數的無量綱量定義為

式中：Tc、Th、CO、VI分別為頂部煙氣溫度、人員高度處溫度、人員高度處CO濃度和人員高度處的能見度，下標max代表最大值，min代表最小值，上標*代表無量綱量。

顯然，在同樣條件下，距離火源30 m以外的任何無量綱量大于1時，隧道內環境都無法滿足人員逃生要求，而且無量綱量大的環境控制參數起決定作用。

本文對通風孔間距S為60 m，120 m和180 m時的不同孔口長度情況下，距離火源30 m以外的隧道區間環境控制參數的無量綱量進行了分析，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，距離火源30 m以外的區域，任意通風孔間距和長度下，頂壁煙氣溫度、人員高度的煙氣溫度和人員高度的CO濃度這3個參數的無量綱量均小于1，而能見度的無量綱量隨著孔口長度的減小將會大于1。因此，自然通風隧道火災的4種控制參數中隧道人員高度處的能見度起控制作用。

圖7 安全控制標準的無量綱量

5 結論

本文采用FDS5對頂部開孔地鐵雙線區間隧道的煙氣特性和煙氣控制標準進行了分析研究，可得到如下結論：

1)通風孔長度和高度的增加會引起孔口排煙量增大，進而對區間隧道的煙氣特性產生影響，導致區間隧道的CO濃度降低、能見度增大和孔口后方隧道段頂壁煙氣溫度降低，但排煙量的增大對區間隧道人員高度處的溫度基本沒有影響;

2)通風孔長度的增加對火源所在隧道段的頂壁溫度幾乎沒有影響，但通風孔高度的增加會引起孔口前方隧道段的煙氣流速增大，導致該區段頂壁煙氣溫度略有下降;

3)在隧道火災的4個環境控制參數中，頂部開孔自然通風地鐵雙線隧道發生火災時，人員高度處的能見度起主要控制作用。

［1］李亮，李曉峰．地鐵隧道火災自然排煙模式數值模擬研究［J］．暖通空調，2005，35(12)：6-9．

［2］BI Haiquan，LEI Bo，ZHANG Weihua．Fire smokeflow characteristics in urban road tunnel on natural ventilation mode［C］//5th InternationalSymposium on Safety Science and Technology．Changsha，PEOPLES R CHINA．OCT，2006：24-27．

［3］王彥富，蔣軍成．半敞開式隧道火災試驗研究與數值模擬［J］．工程熱物理學報，2009，30(5)：866-868．

［4］WANG Yanfu，JIANG Juncheng，ZHU Dezhi．Full-scale experiment research and theoretical study for fires in tunnels with roof openings［J］．Fire Safety Journal，2009(44)：339-348．

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

［6］PIARC．Fire and smoke control in road tunnels［C］//PIARC Committee on Road Tunnels．Cedex，France：World Road Association(PIARC)，1999．

［7］YUAN Zhongyuan，LEI Bo．Experimental study of tunnel fire with natural ventilation［J］．Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2009，36(5)：23-25．

Fire smoke performance and its control criteria in tunnel with natural ventilation mode

YUAN Zhongyuan，LEI Bo，CHEN Pengyun
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The 3-d numerical simulation model of tunnel fires with natural ventilation was developed and the model was verified with the reduced-scale experimental data．This paper applied the validated numerical simulation model to investigate the smoke characteristics and control standard of tunnel fires with natural ventilation，the result of which shows that the numerical simulation results have good agreement with the experimental data．The ventilation shaft size has a considerable effect on smoke ceiling temperature，CO concentration and the visibility at the personal head height，but has little effect on the smoke temperature at the same height．In the 4 kinds of tunnel fire safety control standards，the visibility at the personal head height plays a major role on personal escape．

Natural ventilation;Tunnel fires;Smoke characteristics;Control standard

(責任審編 王天威)

U453.5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2012．07-19

1003-1995(2012)07-0061-05

2012-01-22;

2012-05-01

袁中原(1983— )，男，山西襄汾人，博士研究生。