不同隧道坡度与车厢火灾位置情况下烟气蔓延特性研究.docx

? ? 不同隧道坡度与车厢火灾位置情况下烟气蔓延特性研究* ? ? 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 cond