有坡度地鐵區間隧道火災煙氣特性研究

朱常琳+馬麗+張榮國

摘要： 雖然目前針對地鐵區間隧道火災時的煙氣特性的研究較多，但是針對存在坡度的地鐵區間隧道火災時的煙氣特性的研究較少。然而，實際的地鐵區間隧道往往是存在坡度的，且坡度的存在會對隧道內火災時的煙氣特性如煙氣蔓延速度、臨界風速、溫度分布以及CO濃度分布、能見度等產生重要影響。文章針對縱向通風情況下，地鐵區間隧道有不同的坡度時，隧道內發生火災時的部分煙氣特性進行數值模擬研究。文章為地鐵區間隧道通風系統的設計提供一定的參考價值。

Abstract： Although there are many researches on the smoke characteristics in the subway tunnel fire， there are few researches on the smoke characteristics in the subway tunnel fire with a certain slope.However， the actual subway tunnel is often a slope， and the slope will have an important impact on the smoke characteristics in the subway tunnel fire， such as smoke spread speed and critical wind speed， temperature distribution and CO concentration distribution etc.. In this paper， in the case of longitudinal ventilation and different slopes in the subway tunnel， partial characteristics of the smoke in the tunnel fire were studied by numerical simulation.The paper provides some references for the design of ventilation system of subway tunnel.

關鍵詞： 坡度；地鐵區間隧道；煙氣特性；數值模擬

Key words： slope；subway tunnel；smoke characteristics；numerical simulation

中圖分類號：X45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0248-02

0 引言

縱觀國內外研究現狀可以看出[1]，目前大多數的研究主要集中在地鐵水平隧道發生火災時，隧道內的煙氣蔓延速度、煙氣溫度分布、頂棚煙氣溫升的縱向指數變化特征，以及縱向通風情況下臨界風速的大小等研究上，但對存在坡度情況下的地鐵區間隧道火災時的煙氣特性方面的研究較少。因此文章利用FDS （Fire Dynamics Simulator）軟件，主要針對在縱向通風情況下，存在坡度的地鐵區間隧道發生火災時，對隧道內的溫度分布特性以及臨界風速等方面進行數值模擬研究。由于篇幅有限，關于其實驗研究部分另篇介紹。

1 地鐵區間隧道模型

①火源大小的確定。本文選取火災火源大小為5MW。

②區間隧道長度的確定[1][2] 。為了減少計算網格同時確保準確度，可選取150m長隧道進行研究。

③物理模型。文章中使用火災模擬前處理軟件Pyrosim建模，不存在中間風井時，隧道長寬高尺寸為150m×4.8m×5.2m，地鐵列車簡化后的長寬高尺寸為120m×3m×3.8m。地鐵區間隧道模型如圖1所示。

④模型網格的劃分 5MW火源尺寸為2m×2m的平面火，位于列車中部的車廂內，火源特征直徑D*為2m。為了提高計算速度，在研究的重點區域采用0.2m×0.2m×0.2m的網格尺寸，在相對不太重要的區域采用0.4m×0.4m×0.4m的網格尺寸。

⑤初始條件和邊界條件。1）隧道內部環境溫度為20℃，壓力為101.325kPa；2）隧道一側端口設置為與外界環境相通（open）狀態。隧道另一側端口設置為速度邊界條件，通過改變速度值進行不同排煙風速的模擬實驗。3）火災發生在列車內部，假定列車不宜繼續行駛至下一站，緊急停靠在隧道中部，打開全部車門通過安全疏散平臺開始人員緊急疏散。

2 縱向通風模式下不同坡度地鐵區間隧道火災的煙氣特性

2.1 臨界風速的確定[1]

利用數值模擬的方法得到不同坡度的臨界風速如表1所示。

由表1可知：下坡隧道的臨界風速低于水平隧道的臨界風速，且隨著坡度的增加臨界風速逐漸減小；上坡隧道的臨界風速均不小于水平隧道，且隨著坡度的增加臨界風速逐漸增大。

2.2 人眼特征高度處的溫度分布及分析

2.2.1 以上坡隧道坡度為3%為例[1]

以上坡隧道坡度為3%為例，不同縱向通風速度疏散平臺上方人眼特征高度處的溫度分布如圖2所示，由圖2可知：坡度為3%時，當縱向通風速度為1.8m/s時，隧道安全疏散平臺人眼特征高度處火源上方的溫度較高，沿隧道逐漸降低，呈現中間高端部低的趨勢。當縱向通風速度達到臨界風速3.7m/s時，除火源上方溫度較高外，呈現端部高中間低的“U”型趨勢。在距離火源15m左右，溫度也較高。此位置正是列車一端位置，當煙氣流動到列車的一端時，煙氣受到阻礙所致此處溫度較高。

當達到臨界風速時溫度由最高的105℃降低到73℃以下，隧道內疏散平臺上方人眼特征高度處的溫度均低于60℃的限值。

2.2.2 以下坡隧道2%為例[1]

縱向通風速度為1.8m/s時，人眼特征高度處的溫度分布與上坡隧道相似，不同點體現在縱向通風速度較大的情形。如在達到臨界風速時，下坡隧道的溫度變化呈現出逐漸上升后又下降的“n”型分布。這是由于在“煙囪效應”和縱向通風的雙重作用下造成的。以下坡隧道坡度為2%為例，通過數值模擬，可得到疏散平臺人眼特征高度處的不同縱向通風速度下的溫度分布云圖[1]。由云圖可知：隨著通風速度的增加，煙氣回流的出現，火源下游的高溫區域越來越少。而且溫度由170℃降低到105℃后又出現回升，且急劇回升到170℃。縱向風速度從1.8m/s開始逐漸增加到3.1m/s時溫度逐漸下降，當縱向通風速度增加到3.2m/s時，溫度又急劇上升到170℃，可見縱向通風速度不是越大越好。

3 模型的驗證

作者在文獻[1]采用1：10的縮尺模型實驗對模擬結果進行驗證，得出FDS軟件進行數值模擬研究的可靠性。

4 結論

①得到了上坡隧道坡度分別為1%、2%和3%時的臨界風速分別為3.5m/s、3.6m/s和3.7m/s，下坡隧道坡度為1%、2%、3%時的臨界風速分別為3.3m/s、3.2m/s和2.9m/s； ②分析了上、下坡隧道不同坡度隧道內不同風速下的人眼特征高度處的溫度場。得到臨界風速下上坡隧道人眼特征高度處的溫度呈“U”型分布；下坡隧道臨界風速下人眼特征高度處溫度呈“n”型分布。③排煙時，縱向通風速度不是越大越好。

參考文獻：

[1]馬麗.對存在坡度和中間風井的地鐵區間隧道火災時煙氣特性的研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[2]翁廟成，余龍星，劉方.地鐵區間隧道的煙氣逆流長度與臨界風速[J].華南理工大學學報（自然科學版），2014（06）：121-128.

[3]付軍，杜峰.地鐵隧道修復施工技術綜述[J].地下空間與工程學報，2007（04）.endprint