談城市鐵路隧道臨界風(fēng)速的合理確定

田 博

(中鐵置業(yè)集團有限公司，北京 100055)

l*=-4.0+3.7Fr

l*=-3.1+1.3Fr

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談城市鐵路隧道臨界風(fēng)速的合理確定

田 博

(中鐵置業(yè)集團有限公司，北京 100055)

采用試驗研究的方法，針對隧道內(nèi)有列車和無列車兩種情況進(jìn)行比較，通過分析臨界風(fēng)速與隧道內(nèi)火源熱釋放率、隧道斷面積等因素的關(guān)系，得出一般隧道中小型火災(zāi)時通風(fēng)系統(tǒng)需采用的合理理論臨界風(fēng)速，為防排煙設(shè)計提供初步參考數(shù)據(jù)。

臨界風(fēng)速，火源熱釋放率，回流長度

0 引言

從防排煙設(shè)計的角度，對鐵路隧道火災(zāi)的研究最終都?xì)w結(jié)于確定合適的臨界風(fēng)速。能夠阻止隧道內(nèi)有毒煙氣回流，并使煙氣與人員疏散方向逆向擴散的最小縱向通風(fēng)速度稱為“臨界風(fēng)速”。

城市鐵路隧道的臨界風(fēng)速的確定，需通過城市鐵路隧道火災(zāi)模型試驗進(jìn)行模擬，由于城市鐵路隧道與山嶺鐵路隧道均屬于狹長的受限空間，煙氣流動特性相同，因此，此試驗部分成果可以借鑒山嶺鐵路隧道的火災(zāi)煙氣流動研究。

對列車在一般隧道段的火災(zāi)情況進(jìn)行試驗，按實際隧道的斷面尺寸和1/20的縮尺比例制作隧道模型，研究不同火源熱釋放率和隧道風(fēng)速下煙氣擴散情況，確定模型隧道控制煙氣的隧道臨界風(fēng)速。

1 典型隧道段火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ?/h2>

試驗?zāi)Ｐ脱b置：一般隧道段試驗?zāi)Ｐ脱b置由四部分組成：模型隧道(包含模型列車)、通風(fēng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，模型隧道段長12 m，寬0.45 m，高0.39 m，見圖1。

隧道模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)由復(fù)合材質(zhì)組成，由內(nèi)到外分別為：2 mm厚鋼板→壁厚25 mm的混凝土→耐火粘土磚。為測試結(jié)果均勻，模型隧道設(shè)置100個溫度測量和煙氣監(jiān)測孔，孔間距120 mm，監(jiān)測點均勻布置。

煙氣溫度測量采用φ1 mm K型熱電偶，火源附近采用φ3 mm K型熱電偶，1級精度，共50個。

在隧道中部設(shè)置燃?xì)馊紵?，采用直徑?50 mm的多孔床形式，寬度與列車模型相同；多孔床燃燒面與隧道的底面平齊，模擬火源現(xiàn)場。

為測試隧道內(nèi)有列車時對火災(zāi)煙氣擴散的影響，在模型隧道中部放置一段總長為6 m的模型列車。

試驗時，采用ThermaCAMTM E30紅外成像儀對隧道中火焰燃燒情況進(jìn)行測量。

通風(fēng)測量系統(tǒng)由通風(fēng)機、渦街流量計及測試接管構(gòu)成，用于測量隧道通風(fēng)流量，結(jié)果與驗證性模型試驗相似。

1.1 隧道無列車的試驗結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，不同火源熱釋放率和不同風(fēng)速下得到的煙氣回流長度結(jié)果，繪出回流長度—風(fēng)速曲線，外推得到各種火源熱釋放率下的臨界風(fēng)速，見圖2。

不同火源熱釋放率下，隧道無列車模型試驗的臨界風(fēng)速試驗結(jié)果見表1。

表1 臨界風(fēng)速試驗結(jié)果表(隧道無列車)

1.2 隧道有列車的試驗結(jié)果

為了研究列車阻塞對火災(zāi)煙氣擴散的影響，在模型隧道中放置了一列車模型。

根據(jù)各種火源熱釋放率在不同風(fēng)速下得到的煙氣回流長度結(jié)果，繪出回流長度—風(fēng)速曲線可得到各種火源熱釋放率的臨界風(fēng)速，見圖3。

隧道有列車阻塞模型試驗臨界風(fēng)速不同火源熱釋放率下的臨界風(fēng)速試驗結(jié)果見表2。

表2 臨界風(fēng)速試驗結(jié)果表(隧道有列車)

2 結(jié)果比較及分析

2.1 回流長度的不同

將Fr數(shù)和無量綱回流長度l*分別定義如下：

(1)

(2)

式中：g——重力加速度；H——隧道高度；ρo——環(huán)境空氣密度；ρf——煙氣密度;V——隧道斷面風(fēng)速;l——煙氣回流長度。

隧道內(nèi)無列車時，無量綱回流長度可表述為：

l*=-4.0+3.7Fr

(3)

隧道內(nèi)有列車時，無量綱回流長度可表述為：

l*=-3.1+1.3Fr

(4)

由公式可看出，有無列車兩工況下回流長度結(jié)果有較大差距，在相同的Fr數(shù)下，無列車時回流長度明顯更長；同時Fr數(shù)的變化對無列車工況回流長度影響更大。

2.2 臨界Fr數(shù)的差異

由Danzier,Kennedy和Heselden提出的臨界風(fēng)速計算公式是根據(jù)Froude數(shù)和實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)的半經(jīng)驗公式，如式(5)～式(8)所示：

(5)

其中,

(6)

(7)

(通過模型試驗得)(8)

其中，g為重力加速度；H為隧道高度；V為隧道通風(fēng)速度；ρo為環(huán)境空氣密度；ρf為煙氣密度；Cp為定壓比熱；A為隧道斷面積；To為環(huán)境空氣溫度；Qc為火源熱釋放率的對流部分；φ為隧道傾斜角度，(°)。

通過美國Memorial組織的隧道測試證明，按式(5)～式(8)計算時，在較小火源熱釋放率時會導(dǎo)致臨界風(fēng)速偏小，但在較大火源熱釋放率時會導(dǎo)致臨界風(fēng)速偏大，所以FrC與火災(zāi)熱釋放率相關(guān)，并不是一個常數(shù)，因此通過實驗可知：

隧道內(nèi)無列車時，臨界Froude數(shù)與無量綱火災(zāi)熱釋放率的關(guān)系可表述為：

(9)

隧道內(nèi)有列車時，臨界Froude數(shù)與無量綱火災(zāi)熱釋放率的關(guān)系可表述為：

(10)

根據(jù)式(9)，式(10)可知，可以用無量綱火災(zāi)熱釋放率為0.1作為分界點，當(dāng)大于0.1時，隧道內(nèi)無論有、無列車，F(xiàn)rC都有所升高。這是因為火災(zāi)熱釋放率在大于0.1時，臨界風(fēng)速基本趨于穩(wěn)定，與火災(zāi)熱釋放率幾乎無關(guān)，所以會導(dǎo)致FrC值的計算變大。

所以，隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速按式(3)計算是合理的，但FrC的取值應(yīng)根據(jù)火災(zāi)熱釋放率的不同進(jìn)行相應(yīng)選取，不能按定值計算。

2.3 臨界風(fēng)速差異

從圖4可以看出，隧道內(nèi)有列車時，臨界風(fēng)速會減小。這是由于列車占據(jù)了部分?jǐn)嗝婷娣e，使有效通風(fēng)斷面減小，所以在相同的風(fēng)量下平均風(fēng)速有所增加，阻煙效果更加理想。

同時可看到，火源熱釋放率較小時臨界風(fēng)速變化顯著；而當(dāng)火源熱釋放率較大時臨界風(fēng)速基本趨于穩(wěn)定。

為比較圖4中的兩條擬合曲線的差異，定義臨界風(fēng)速差異比α如下：

(11)

其中，下標(biāo)tr表示有列車工況；ntr表示無列車工況。

由圖5可以看出，隧道內(nèi)列車阻塞時的臨界風(fēng)速與無阻塞時的臨界風(fēng)速近似成比例關(guān)系，臨界風(fēng)速差異比α基本位于0.23附近。

因此，理論上可以利用無列車條件下得到的臨界風(fēng)速測試結(jié)果，通過阻塞比的修正，得到有列車時隧道火災(zāi)的臨界風(fēng)速。

2.4 實際隧道臨界風(fēng)速

根據(jù)Froude的試驗?zāi)M方法，原型和模型的速度與火源熱釋放率相似關(guān)系分別為：

由于模型試驗縮尺比為1/20，對應(yīng)實際隧道的臨界風(fēng)速為表3數(shù)值。

表3 實際隧道臨界風(fēng)速

鐵路隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)總是存在列車阻塞，設(shè)計時可在表3基礎(chǔ)上考慮一定的安全余量確定設(shè)計風(fēng)速。

3 結(jié)語

通過上述分析可得出以下結(jié)論：

1)有列車和無列車情況下臨界風(fēng)速差異：因為列車的阻擋作用，火源附近通風(fēng)斷面減小，使得在相同的縱向風(fēng)量條件下，局部平均風(fēng)速增加，阻煙效果更好。火源熱釋放率較小時臨界風(fēng)速變化顯著；而當(dāng)火源熱釋放率較大時臨界風(fēng)速基本趨于穩(wěn)定。臨界風(fēng)速差異比α如下：

2)隧道內(nèi)有列車阻塞時的臨界風(fēng)速與無阻塞時的臨界風(fēng)速近似成比例關(guān)系，且隧道阻塞比α稍小于臨界風(fēng)速差異比。因此，可以按無列車阻塞得到的臨界風(fēng)速試驗結(jié)果，通過阻塞比的修正，得到有列車阻塞時隧道火災(zāi)的臨界風(fēng)速。

3)一般隧道段的臨界風(fēng)速仍可按Kennedy公式計算，但FrC的取值應(yīng)按下列情況選用：

a.隧道內(nèi)無列車時，臨界Froude數(shù)與無量綱火災(zāi)熱釋放率的關(guān)系可表述為：

b.隧道內(nèi)有列車時，臨界Froude數(shù)與無量綱火災(zāi)熱釋放率的關(guān)系可表述為：

4)鐵路隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)總是存在列車阻塞。目前，一般隧道火災(zāi)規(guī)模按隧道熱釋放率大致分為三種：小型火災(zāi)介于0 MW～3 MW之間，中型火災(zāi)介于3 MW～20 MW之間，大型火災(zāi)介于20 MW～50 MW之間。但是考慮到實際發(fā)生大型火災(zāi)的幾率較低(大型火災(zāi)可以采用其他一些特殊手段消除和減少)，本文僅列出針對一般隧道段中、小型火災(zāi)縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速近似值，建議在火災(zāi)熱釋放率為3 MW～10 MW的火災(zāi)情況下，一般隧道段火災(zāi)縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速不小于2.19 m/s；在火災(zāi)熱釋放率為11 MW～25 MW的火災(zāi)情況下，一般隧道段火災(zāi)縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速不小于2.64 m/s。設(shè)計時可在此基礎(chǔ)上考慮一定的安全余量，確定通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計風(fēng)速，既可以保證通風(fēng)系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟性，同時也滿足GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范中對區(qū)間火災(zāi)時防排煙風(fēng)速2 m/s～11 m/s的取值規(guī)定。

[1]徐 琳，張 旭.水平隧道火災(zāi)通風(fēng)縱向控制風(fēng)速的合理確定.中國公路學(xué)報，2007，20(2)：92-96.

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Discussion on rational determination of critical velocity of urban railway tunnel

Tian Bo

(ChinaRailwayPropertyIndustryGroupCo.,Ltd,Beijing100055,China)

Applying experimental research method, the paper compares two kinds of tunnel conditions with and without trains. Through analyzing critical velocity and internal tunnel fire source heat releasing ratio and tunnel section area and other factors, it finally finds out that: rational theoretical critical velocity should be adopted in internal tunnel ventilation system for small and medium fire, which has provided some basis for ventilation and smoke-exhausting design.

critical velocity, fire-source heat release ratio, recirculation length

1009-6825(2015)18-0192-04

2015-04-16

田 博(1977- )，男，工程師

U453.5

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