地鐵列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)客室內(nèi)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響*

毛 軍 王少華 郗艷紅 胡嘉偉 王 丹

(1.北京交通大學(xué)土木建筑與工程學(xué)院，100044，北京；2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，100082，北京；3.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，100044，北京∥第一作者，教授)

地鐵地下空間相對(duì)封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散困難，極易造成人員傷亡[1-2]。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)地鐵發(fā)生火災(zāi)后的煙氣擴(kuò)散、人員疏散和應(yīng)急救援問(wèn)題進(jìn)行了諸多研究[3-6]。其中，地鐵隧道中的列車(chē)火災(zāi)及其應(yīng)急救援是一類(lèi)較為復(fù)雜的情況，相關(guān)研究十分有限。文獻(xiàn)[7]提出了隧道運(yùn)動(dòng)火源的計(jì)算方法，建立了火災(zāi)熱釋放速率與列車(chē)運(yùn)行速度的關(guān)系模型；文獻(xiàn)[8]使用STAR-CD軟件對(duì)列車(chē)頂部著火的火災(zāi)煙氣特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了列車(chē)運(yùn)行速度與煙氣流動(dòng)特征、溫度分布特性的關(guān)系。但上述研究均假定車(chē)體著火，未考慮客室內(nèi)部著火的情況，而客室著火會(huì)直接危及乘客的生命安全。因此，針對(duì)火災(zāi)發(fā)生在客室內(nèi)部、列車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，分析不同車(chē)速對(duì)列車(chē)內(nèi)部火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響，揭示其規(guī)律十分必要。

1 地鐵隧道模型與車(chē)輛模型

以北京地鐵B型車(chē)在某區(qū)間隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情形為例建立計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道和車(chē)輛的截面圖

地鐵隧道的長(zhǎng)度為1 200 m，內(nèi)部?jī)艨崭叨葹?.2 m，圓弧直徑為6 m，底面寬度為4.2 m。車(chē)輛的外形尺寸為19 m(長(zhǎng))×2.8 m(寬)×3.5 m(高)。客室頂部安裝有通風(fēng)排煙裝置，可將其排風(fēng)口簡(jiǎn)化為如圖2面積相等的集中式排風(fēng)口。客室內(nèi)部?jī)艨崭叨葹?.1 m，煙氣在車(chē)頂下方的凈空間內(nèi)流動(dòng)。假定長(zhǎng)方體火源位于客室中部，其長(zhǎng)、寬、高分別為2.5 m、1.4 m、0.4 m，火源底面距離地板0.2 m。客室頂部有2個(gè)尺寸為1 m×1 m的方形排風(fēng)口，風(fēng)口距離車(chē)輛兩端的距離分別為4 m；在客室側(cè)面布設(shè)4個(gè)尺寸為0.5 m×0.5 m的進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口到兩端的距離均為1 m。列車(chē)的加、減速度分別為0.83 m/s2和1.00 m/s2。

圖2 簡(jiǎn)化地鐵車(chē)輛客室模型三維視圖

2 數(shù)值模擬條件

2.1 基本邊界條件

按非定常流動(dòng)考慮，在初始時(shí)刻，隧道內(nèi)各處的空氣壓力均為一個(gè)大氣壓，空氣流動(dòng)速度均為0，環(huán)境溫度為17 ℃。相對(duì)大氣壓為0。地鐵隧道的進(jìn)口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界。地鐵隧道壁面均為無(wú)滑移壁面。

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果精度的要求，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。車(chē)輛客室和火源附近區(qū)域的網(wǎng)格尺寸分別為0.3 m和0.2 m。客室內(nèi)部的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 地鐵車(chē)輛客室內(nèi)部的網(wǎng)格劃分

2.3 客室內(nèi)運(yùn)動(dòng)火源設(shè)置

假定乘客行李著火，火源采用體積熱源模型，即假定為一個(gè)熱源和一個(gè)質(zhì)量源。假定火源熱釋放速率按時(shí)間平方關(guān)系增長(zhǎng)，并在列車(chē)運(yùn)行到地鐵隧道中部時(shí)達(dá)到最大，其值為2 MW[10]。質(zhì)量源主要是產(chǎn)生CO和CO2的混合氣體，前者的比例為5%，后者為95%[11]。

模擬中的列車(chē)運(yùn)行由UDF(用戶(hù)定義函數(shù))控制。列車(chē)經(jīng)歷加速、勻速以及減速三個(gè)階段，到達(dá)隧道出口時(shí)停止運(yùn)行。列車(chē)動(dòng)模型計(jì)算流程圖如圖4所示。

圖4 列車(chē)動(dòng)模型計(jì)算流程圖

2.4 計(jì)算工況設(shè)置

為了分析列車(chē)運(yùn)行速度和通風(fēng)條件對(duì)客室內(nèi)部火災(zāi)煙氣擴(kuò)散過(guò)程的影響，設(shè)定若干工況進(jìn)行模擬計(jì)算，參見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況設(shè)置

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 客室內(nèi)外溫度及煙氣的時(shí)變規(guī)律

列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，客室內(nèi)部的煙氣擴(kuò)散過(guò)程隨時(shí)間發(fā)生變化。圖5為工況3下不同燃燒時(shí)間t隧道縱向中心截面的溫度和煙氣濃度分布情況。

圖5 工況3下不同燃燒時(shí)間隧道縱向中心截面的溫度和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

由圖5可知，隨著時(shí)間的增加，客室內(nèi)的溫度不斷升上，煙氣在客室內(nèi)逐步擴(kuò)散，高溫區(qū)域從客室中部不斷向客室兩端擴(kuò)展，且濃度也越來(lái)越高。同時(shí)，客室內(nèi)的煙氣因受到慣性作用，會(huì)產(chǎn)生與列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相反的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，客室內(nèi)的高溫、高濃度區(qū)域向客室后部明顯偏移，客室后半部分的溫度和煙氣濃度均明顯高于客室的前半部分。t=40 s時(shí)，客室內(nèi)的最高溫度約為100 ℃；t=60 s時(shí)，客室內(nèi)的最高溫度達(dá)到296 ℃；而CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到2.87%和4.74%。

為了進(jìn)一步分析客室內(nèi)煙氣的溫度和濃度的變化規(guī)律，考慮人員視線(xiàn)高度[7-8]，在客室內(nèi)高1.7 m的水平面以及過(guò)客室中心的縱向截面上設(shè)置32個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，以獲取不同位置溫度和煙氣濃度的分布情況，結(jié)果如圖6所示。

由圖6 a)可知，隨著燃燒時(shí)間的增加，火源四周的升溫區(qū)域越來(lái)越大，客室內(nèi)部的溫度也不斷升高。t=40 s時(shí)，火源兩側(cè)的最高溫度不超過(guò)50 ℃；而t=60 s時(shí)，大部分區(qū)域的溫度已經(jīng)超過(guò)175 ℃。客室內(nèi)前半部分區(qū)域的溫度并沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，而客室后半部分區(qū)域內(nèi)的溫度隨時(shí)間增加而明顯增大。

由圖6 b)可知，火源附近的煙氣分布大致和溫度相同。隨著時(shí)間的增加，煙氣的擴(kuò)散范圍不斷增大，濃度逐步升高。t=40 s時(shí)，火源兩側(cè)的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.5%；t=60 s時(shí)，客室內(nèi)1.7 m高度位置處的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3.5%。同時(shí)，客室內(nèi)前半部分區(qū)域的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，而客室內(nèi)后半部分區(qū)域內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。

需要指出的是，客室外的車(chē)體前方和后方區(qū)域的溫度和煙氣濃度分布有所不同。其原因是：列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)的活塞風(fēng)效應(yīng)使列車(chē)與隧道之間的環(huán)形空間內(nèi)產(chǎn)生從車(chē)頭指向車(chē)尾的氣流，并在車(chē)頂附近產(chǎn)生負(fù)壓，從而使車(chē)內(nèi)偏向尾部區(qū)域的煙氣通過(guò)客室尾部的排風(fēng)口流向隧道內(nèi)，形成車(chē)內(nèi)煙氣向隧道內(nèi)的擴(kuò)散情形；而客室前方不存在煙氣擴(kuò)散情況。

3.2 列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)溫度場(chǎng)和煙氣濃度的影響

列車(chē)的運(yùn)行速度對(duì)客室內(nèi)的煙氣溫度分布和煙氣流動(dòng)都有較為明顯的影響。圖7為不同工況下，列車(chē)頭部距離隧道出口500 m和100 m處時(shí)，客室內(nèi)部溫度和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布情況。

圖7 不同工況下列車(chē)距離隧道出口不同距離時(shí)客室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度和煙氣分布情況

由圖7可知，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，客室內(nèi)各點(diǎn)的溫度和煙氣濃度呈下降趨勢(shì)。火源兩側(cè)縱向的溫度和煙氣濃度呈不對(duì)稱(chēng)分布，客室尾部區(qū)域的溫度和煙氣濃度總體上均遠(yuǎn)大于前部區(qū)域的。各點(diǎn)的溫度和煙氣濃度亦隨列車(chē)運(yùn)行速度的增加而降低。同時(shí)，隨著列車(chē)至隧道出口的距離不斷減小，列車(chē)活塞風(fēng)效應(yīng)逐步減弱，客室內(nèi)前部區(qū)域(例如火源右側(cè)6 m處之后)的煙氣溫度和煙氣濃度有所回升。

事實(shí)上，可建立客室內(nèi)溫度與列車(chē)運(yùn)行速度之間的定量關(guān)系。在客室內(nèi)火源左側(cè)即后部區(qū)域選取2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析其溫度隨列車(chē)運(yùn)行速度的變化情況，發(fā)現(xiàn)可用二次函數(shù)表示二者之間的關(guān)系。圖8為二者的擬合曲線(xiàn)，擬合關(guān)系式為：

圖8 測(cè)點(diǎn)溫度隨速度變化擬合曲線(xiàn)

T1=0.009 1v2-1.641 58v+340.170 49

(1)

T2=0.019 19v2-2.803 27v+349.346 3

(2)

式中：

T1,T2——分別為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處的溫度；

v——列車(chē)運(yùn)行速度。

由圖8可見(jiàn)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度從30 km/h增加到70 km/h時(shí)，煙氣溫度隨列車(chē)運(yùn)行速度的增高而降低，且呈二次函數(shù)關(guān)系。出現(xiàn)上述變化趨勢(shì)的主要原因是：客室頂部排風(fēng)口的風(fēng)速及排煙速率隨時(shí)間的增加而增加。圖9為列車(chē)運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，排風(fēng)風(fēng)速及排煙速率隨時(shí)間變化的過(guò)程。因此，列車(chē)運(yùn)行速度越高，客室內(nèi)同一位置截面以及相同位置測(cè)點(diǎn)的溫度和煙氣濃度就越低。主要原因是：其一，列車(chē)運(yùn)行速度越高，車(chē)頂風(fēng)口附近的風(fēng)速就越大，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)口排出的煙氣就越多；其二，盡管列車(chē)運(yùn)行速度不同，但火源的熱釋放速率均在列車(chē)行至隧道中間位置時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，即此時(shí)在單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量和煙氣質(zhì)量是相同的。因此，列車(chē)運(yùn)行速度越大，到達(dá)隧道同一位置截面的時(shí)間就越短，產(chǎn)生的熱量和煙氣質(zhì)量就越少。

圖9 列車(chē)運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)客室排風(fēng)風(fēng)速與排煙速率的時(shí)變規(guī)律

4 結(jié)論

1) 列車(chē)在地鐵隧道中運(yùn)行中客室內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)后，客室內(nèi)的溫度和煙氣濃度均呈非均勻分布，后半部分區(qū)域的溫度和煙氣濃度總體上遠(yuǎn)大于前半部分區(qū)域的；客室外前方區(qū)域的溫度和煙氣濃度并沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，而客室外后方區(qū)域內(nèi)的則隨著時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。

2) 列車(chē)活塞風(fēng)效應(yīng)對(duì)客室內(nèi)煙氣溫度和煙氣濃度有較大影響。隨著列車(chē)至隧道出口距離的減少，活塞風(fēng)效應(yīng)的逐漸減弱使得客室內(nèi)前部區(qū)域的煙氣溫度和煙氣濃度有所回升。

3) 客室頂部自然通風(fēng)口的風(fēng)速以及煙氣排出速率隨列車(chē)運(yùn)行速度的增大而增大，客室內(nèi)各點(diǎn)的溫度和煙氣濃度隨列車(chē)運(yùn)行速度的增加呈二次曲線(xiàn)關(guān)系減小。

本文研究結(jié)果對(duì)客室內(nèi)煙氣監(jiān)測(cè)傳感器和報(bào)警裝置的設(shè)置、車(chē)載排煙口的設(shè)計(jì)以及車(chē)內(nèi)人員的疏散方向選擇均具有一定的參考價(jià)值。