地鐵過江隧道火災(zāi)CFD數(shù)值模擬研究

姜 濤

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北武漢430063）

地鐵過江隧道火災(zāi)CFD數(shù)值模擬研究

姜 濤

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北武漢430063）

利用CFD技術(shù)，以地鐵過江隧道為研究對象構(gòu)建物理模型，結(jié)合實際防排煙系統(tǒng)設(shè)計方案，對隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到縱向排煙模式下不同工況的煙氣溫度場及濃度場，對比分析各種工況下的實際排煙效果，提出火災(zāi)緊急狀況下人員安全疏散策略，為地鐵越江隧道的防災(zāi)設(shè)計提供可借鑒的依據(jù).①

地鐵過江隧道；數(shù)值模擬；縱向排煙；煙氣溫度場；煙氣濃度場

地鐵由于載客量大、速度快、污染少、安全環(huán)保等優(yōu)勢，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代都市居民出行的首選交通工具［1-3］.截至2014年年底，全國已有22個城市建成地鐵95條，運營里程達(dá)到2 900公里.由于地鐵隧道對外連通的口部少，一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔夂茈y自然排除，并會迅速蔓延充滿隧道，加之能見度低，不便于人員在狹長的隧道中撤離，也給救援工作帶來極大困難，因此高效合理的防排煙系統(tǒng)是地鐵隧道的至關(guān)重要的組成部分［4-6］.地鐵過江隧道由于其狹長、空間封閉、疏散通道少且單一等特點，成為地鐵防災(zāi)設(shè)計的重中之重.結(jié)合南京地鐵十號線過江隧道的防排煙系統(tǒng)設(shè)計方案，模擬各種工況下的實際排煙效果，提出火災(zāi)緊急狀況下人員安全疏散策略，為狹長地鐵越江隧道的防災(zāi)設(shè)計提供可借鑒的依據(jù).

1 工程概況及防排煙系統(tǒng)

1.1 工程概況該條地鐵線路從江北中間風(fēng)井出發(fā)，向東穿越長江后，到達(dá)江心洲站.過江隧道長3 500 m，其中1 500 m長坡度為2.8%，800 m長坡度為0.9%，1 200 m長坡度為1%.江心洲站右端風(fēng)井到江北中間風(fēng)井間距約為3 600 m.隧道的外徑為11.2 m，內(nèi)徑為10.2 m為一管雙洞式，頂部設(shè)置排煙道（面積約為14 m2），橫截面如圖1所示.

1.2 防排煙系統(tǒng)簡介本設(shè)計在江北中間風(fēng)井東端及江心洲站西端分別設(shè)置2組事故風(fēng)機(jī)（每組左右線對應(yīng)各1臺），采用縱向排煙模式，在過江隧道排煙道內(nèi)分別設(shè)置3組電動排煙口（每組左右線對應(yīng)各1個），分別設(shè)置于區(qū)間隧道總長1/4、2/4及3/4處，電動排煙口大小為3 m×5 m.這樣將過江隧道分成4個區(qū)段，每個區(qū)段約900 m長，根據(jù)行車時間間隔及行車速度，這樣可以做到保證一個通風(fēng)區(qū)段只有一輛列車運行.

按照地鐵規(guī)范要求，區(qū)間隧道的排煙流速范圍為2～11m/s，依此來確定區(qū)間隧道火災(zāi)排煙量［7］.本設(shè)計選取事故風(fēng)機(jī)（風(fēng)量：75 m3/s，全壓：1 550 Pa）.當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，對應(yīng)行車線兩側(cè)事故風(fēng)機(jī)啟動，隧道斷面形成2.5 m/s的縱向氣流，滿足規(guī)范要求.

1.3 研究內(nèi)容根據(jù)過江隧道及列車實際情況，建立過江隧道CFD模型.選取長度為1 500 m、坡度為2.8%過江隧道為研究對象，探討在火車頭部發(fā)生火災(zāi)時防排煙系統(tǒng)的實際效果.

圖1 過江區(qū)間盾構(gòu)橫斷面圖

2 構(gòu)建模型及設(shè)置邊界條件

2.1 構(gòu)建模型根據(jù)相關(guān)土建資料、列車及火源點設(shè)置情況，考慮坡度為2.8%，建立CFD數(shù)值模型如圖2和3所示.

圖2 過江隧道整體CFD模型示意圖

圖3 過江隧道CFD模型局部放大示意圖

2.2 基本假設(shè)及邊界條件

1）在火災(zāi)發(fā)展初期有兩個氣層存在，即上部煙氣層和下部冷氣層，并且各層內(nèi)氣體為理想氣體，溫度、氣流密度、壓力等物理參數(shù)均勻.在火災(zāi)的發(fā)展過程中，機(jī)械排煙系統(tǒng)排除高溫?zé)煔?，隧道的冷空氣補充至下層冷空氣層，假定氣體流動為粘性不可壓縮湍流流動，煙氣層中不存在化學(xué)反應(yīng)；假定下部冷空氣層的壓力和溫度變化不大［8］.

2）假設(shè)火源為完全燃燒，燃燒產(chǎn)物為二氧化碳.選取火災(zāi)強度為7.5 MW，根據(jù)燃燒氧耗原理，可算得產(chǎn)生煙氣量［9-10］.

3）在設(shè)計工況下，當(dāng)過江隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，兩側(cè)事故風(fēng)機(jī)響應(yīng)，形成2.5 m/s縱向氣流，本文中選用2.5 m/s作為排煙流速的輸入條件.

4）目前用于室內(nèi)流場的湍流模型主要有：室內(nèi)零方程模型、零方程模型、標(biāo)準(zhǔn)雙模型及RNG雙模型，選取RNG雙方程湍流模型計算，考慮輻射換熱，選用S2S輻射模型［11-12］.

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 火災(zāi)場景設(shè)置火車沿著坡度方向行駛（如圖4，即向右行駛），火源點位于火車端部，人員逆著氣流方向（即向左）進(jìn)行疏散.筆者探討3種工況.

工況1：列車發(fā)生火災(zāi)時，隧道兩端事故風(fēng)機(jī)均失效，即研究自然狀況火源點附近區(qū)域溫度場及火災(zāi)煙氣蔓延情況；

工況2：列車發(fā)生火災(zāi)時，隧道兩端事故風(fēng)機(jī)立即啟動，沿著坡度方向形成2.5 m/s的縱向氣流（如圖4所示），分析該種排煙模式下的實際排煙效果，研究火源點附近區(qū)域的溫度場及煙氣蔓延情況；

工況3：列車發(fā)生火災(zāi)時，隧道兩端事故風(fēng)機(jī)在發(fā)生火災(zāi)120 s后啟動，沿著坡度方向形成2.5 m/s的縱向氣流（如圖4所示），分析該種排煙模式下的實際排煙效果，研究火源點附近區(qū)域的溫度場及煙氣蔓延情況.

圖4 火災(zāi)場景示意圖

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1 工況1通過圖5可以看出：T=95 s時，高度為2 m處的溫度已經(jīng)達(dá)到了60℃；T=150 s時，60℃高溫影響區(qū)域進(jìn)一步向四周擴(kuò)大，不便于人員的安全疏散.通過圖6可以看出：T=60 s時，在高度2 m處煙氣體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到1.2‰，T=100 s時煙氣濃度增加并且有蔓延的趨勢，嚴(yán)重影響人員的安全逃生.

圖5 工況1溫度場分布圖

圖6 工況1濃度場分布圖

3.2.2 工況2發(fā)生火災(zāi)時風(fēng)機(jī)立即響應(yīng)，通過圖7可以看出：前60 s內(nèi)60℃高溫?zé)煔庥绊懛秶鷥H僅局限在火源點右邊附近2 m區(qū)域范圍內(nèi)；在T=180s時，高度2 m以下區(qū)域的溫度基本上保持在45℃以下；而在T=240 s時，55℃的高溫影響區(qū)域已經(jīng)到達(dá)高度2 m處，影響人員的安全逃生.通過圖8可以看出：在前120 s內(nèi)，高濃度的煙氣影響范圍僅僅局限在火源點右邊5 m區(qū)域范圍內(nèi)；在T=180 s，在高度2 m處，煙氣體積分?jǐn)?shù)已達(dá)到1.5‰.在T=240s，煙氣濃度急劇增加，并且影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大.總體看來，高溫?zé)煔庵饕植荚诨鹪袋c的右邊附近區(qū)域，縱向排煙方式效果明顯.

圖7 工況2溫度場分布圖

3.2.3 工況3風(fēng)機(jī)啟動前，即T=0～120 s，溫度場與煙氣濃度場與工況1類似.通過圖9可以看出：T= 150s時，在縱向氣流的作用下，60℃高溫?zé)煔庥绊憛^(qū)域半徑為3 m左右.T=180 s時，2 m高度處的溫度達(dá)到50℃；T=240 s時，60℃高溫影響至高度2 m處；T=300 s時，溫度繼續(xù)增加，高溫影響范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大.

圖8 工況2濃度場分布圖

通過圖10可以看出，在T=120～180 s，由于縱向氣流的作用，火源點左邊高濃度煙氣擴(kuò)散減弱；T=240 s時，高濃度煙氣基本局限在火源點的右邊區(qū)域，高度2 m處的煙氣濃度達(dá)到了2‰；在T=300 s，高度2 m處的煙氣濃度達(dá)到了2.5‰，濃度增加，并且影響范圍擴(kuò)大，嚴(yán)重影響人員的安全疏散.

圖9 工況3溫度場分布圖/℃

圖10 工況3濃度場分布圖/（m3/m3）

4 火災(zāi)緊急狀況下人員安全疏散策略分析

根據(jù)上述分析，在設(shè)計工況下，采用縱向排煙方式，滿足縱向氣流為2.5 m/s時，可以基本保證火災(zāi)煙氣影響區(qū)域局限在火源點背風(fēng)面的一側(cè)，有效阻止火災(zāi)煙氣的四處蔓延，并且在火源點迎風(fēng)面一側(cè)為人員提供了安全疏散空間.建議火災(zāi)時人員逆著氣流方向疏散，這樣可以有效保障人員的生命安全.

綜合分析3種工況的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前4 min為疏散的黃金時間，在此時間段內(nèi)火災(zāi)煙氣對人員活動影響較不大，建議應(yīng)該前4 min人員盡量逃離火災(zāi)影響區(qū)域到達(dá)安全地帶，即4 min宜為人員安全疏散距離的極限時間.同時應(yīng)盡量減小事故風(fēng)機(jī)的響應(yīng)時間，以及時遏制火災(zāi)煙氣的蔓延擴(kuò)散.

本文中采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，建立了南京地鐵過江隧道的物理模型，充分考慮到實際隧道防排煙系統(tǒng)的設(shè)計，模擬了在隧道列車火災(zāi)時不同排煙工況條件下的溫度場及煙氣濃度場的分布情況.結(jié)果表明采用縱向排煙方式，可以基本保證火災(zāi)煙氣影響區(qū)域局限在火源點背風(fēng)面的一側(cè)，有利于人員的安全疏散.基于模擬結(jié)果，進(jìn)一步提出了火災(zāi)緊急狀況下人員安全疏散策略，即在前4 min人員盡量逃離火災(zāi)影響區(qū)域到達(dá)安全地帶，同時應(yīng)盡量減小事故風(fēng)機(jī)的響應(yīng)時間，以及時遏制火災(zāi)煙氣的蔓延擴(kuò)散.

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［3］汪文光.地鐵車站火災(zāi)通風(fēng)數(shù)值模擬研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2008.

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［6］北京市規(guī)劃委員會.GB 50157-2013.地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013:602.

［7］北京市規(guī)劃委員會.GB 50157-2013.地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013:268.

［8］那艷玲，黃桂興，涂光備，等.地鐵車站火災(zāi)的煙氣流動狀況研究［J］.暖通空調(diào)，2006，36(6):25.

［9］程遠(yuǎn)平，陳亮，張孟君.火災(zāi)過程中火源熱釋放速率模型及其實驗測試方法［J］.火災(zāi)科學(xué)，2002，11(2):72.

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［11］那艷玲.地鐵車站通風(fēng)與火災(zāi)的CFD仿真模擬與實驗研究［D］.天津：天津大學(xué)，2003.

［12］姜濤.武漢某地鐵站臺環(huán)控系統(tǒng)CFD模擬研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯 趙 燕）

CFD simulation study of fire in a subway tunnel under Yangtze river

JIANG Tao
（China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd，Wuhan 430063，China）

We presented the development of the physical model of a subway tunnel under Yangtze River by using CFD technology，and the numerical simulation of the fire in the tunnel by considering the practical smoke control design.The flume temperature field and concentration field with different working conditions under the longitudinal smoke extraction control mode were obtained.The actual effects of smoke extraction under various working conditions were analyzed，and a safety evacuation strategy under fire emergency condition was proposed.The result provided a reference for the disaster prevention design of subway tunnels under Yangtze River.

subway tunnel under Yangtze river；numerical simulation；longitudinal smoke extraction control；flume temperature field；flume concentration field

TP399

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2015.05.015

1000-2375（2015）05-0477-07

2015-04-15

姜濤（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：jiangtaohust@126.com