地鐵長大區(qū)間隧道火災(zāi)風(fēng)機啟動方案數(shù)值模擬研究*

李　建

(中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012)

0　引言

近年來，我國城市軌道交通正處于蓬勃發(fā)展階段。截止2016年底，我國開通城市軌道交通運營的城市達(dá)到30個，運營里程達(dá)3 727 km。預(yù)計2020年底，全國開通城市軌道交通的城市將達(dá)到55個，運營里程將突破6 000 km。伴隨著我國軌道交通建設(shè)的步伐，不少城市軌道交通建設(shè)逐漸從中心城區(qū)向城郊擴展，由于城郊人口密度低，站間距較大，因而地鐵長大區(qū)間隧道日益涌現(xiàn)。長大區(qū)間隧道基本處于地下空間，環(huán)境封閉，而運行的列車內(nèi)人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，其排煙模式的有效性關(guān)乎大量人員的生命安全[1]。

研究區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)排煙主要有全尺寸實驗、模型實驗、理論分析和數(shù)值模擬等。史聰靈等[2]采用全尺寸火災(zāi)實驗的方式，研究區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣縱向蔓延速度、煙氣豎直溫度分布和水平溫度變化，分析了煙氣火焰傾斜角，頂棚煙氣溫升的縱向指數(shù)變化特征；徐琳[3]根據(jù)密度修正弗諾德準(zhǔn)則Fr設(shè)計熱態(tài)火災(zāi)實驗，搭建1/14幾何縮尺、1/8溫差縮尺、0.145速度縮尺的復(fù)合排煙實驗臺，針對20 MW火災(zāi)強度，并考慮上游無風(fēng)、臨界風(fēng)速送風(fēng)、4種煙道排風(fēng)量、2種行車空間高度變化等情況，總共完成16組對比實驗工況，獲得了1#、3#風(fēng)口間隧道內(nèi)熱煙氣擴散規(guī)律，并進(jìn)一步完成CFD模擬的實驗驗證；Ingason等[4-5]采用縮尺寸試驗和理論分析，研究了縱向通風(fēng)請下隧道內(nèi)煙流控制臨界風(fēng)速和煙氣逆流長度。

Weng等[6]則采用量綱分析法，研究了縱向通風(fēng)情況下隧道內(nèi)煙流控制臨界風(fēng)速和煙氣逆流長度；張之啟[7]針對地鐵的長大過江區(qū)間隧道，從通風(fēng)系統(tǒng)形式、氣流組織等方面詳細(xì)研究了長大區(qū)間隧道的通風(fēng)、排煙系統(tǒng)設(shè)計方案，對于同時存在多列車同向運行的長大區(qū)間隧道，當(dāng)區(qū)間隧道采用大洞方案時，設(shè)置頂部風(fēng)道、風(fēng)口來組織隧道內(nèi)的通風(fēng)排煙，當(dāng)區(qū)間隧道采用小洞方案時，在區(qū)間隧道上設(shè)置中間風(fēng)井，利用中間風(fēng)井進(jìn)行通風(fēng)排煙；袁中原[8]采用理論分析、模型試驗和三維數(shù)值模擬結(jié)合的方法，研究了頂部開孔地鐵區(qū)間隧道的火災(zāi)煙氣特性和煙氣控制方法。

圖3　長大區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道和防火門尺寸(mm)Fig.3　Dimension of connecting bypass and firep roof door of the studied long-large interval tunnel

吳萍[9]采用數(shù)值模擬，以帶獨立排煙道的長大單洞雙向地鐵區(qū)間隧道為研究對象，研究了單點點式排煙和雙點點式排煙2種模式下的煙氣流動特性，并分別研究了隨著火源熱釋放率、火源豎向位置、排煙風(fēng)口橫向尺寸、排煙風(fēng)口縱向尺寸、火源與風(fēng)口間距和排煙風(fēng)量等因素的影響煙氣流動特性的變化規(guī)律；朱祝龍等[10]針對地鐵長大過海區(qū)間隧道通風(fēng)排煙問題，結(jié)合青島地鐵1號線瓦貴區(qū)間工程，采用理論及對比分析、數(shù)值解算等方法，分析過海區(qū)間隧道區(qū)間風(fēng)井設(shè)置、火災(zāi)工況氣流組織等問題；Zhou等[11]研究了運行中列車著火后煙氣運動模式；蘇晶[12]使用地鐵環(huán)控計算軟件SES對最終隧道通風(fēng)方案進(jìn)行火災(zāi)工況下的模擬分析研究。

長大區(qū)間隧道火災(zāi)，由于需要中間風(fēng)井通風(fēng)排煙系統(tǒng)、車站隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)及車站端頭的區(qū)間隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)協(xié)作排煙，相比普通區(qū)間隧道火災(zāi)排煙模式更加復(fù)雜，風(fēng)機組合模式更多，排煙效果也更加不確定。本文將采用數(shù)值模擬方式，以國內(nèi)某一在建地鐵長大區(qū)間為工程依托，選擇不利起火點(列車發(fā)生火災(zāi)，無法行駛到車站，停在兩中間風(fēng)井之間)，研究不同送排煙模式下的排煙效果，以期獲得最佳排煙模式，為地鐵工程設(shè)計和運營提供參考。

1　模擬地鐵長大區(qū)間介紹

本文所研究長大區(qū)間為國內(nèi)某一在建地鐵長大區(qū)間隧道，隧道全長5 687 m，區(qū)間內(nèi)設(shè)置了10個聯(lián)絡(luò)通道和2個中間風(fēng)井，聯(lián)絡(luò)通道和中間風(fēng)井位置如圖1所示。隧道內(nèi)徑為5.4 m，隧道壁厚0.61 m。本線車輛采用6A編組，列車長約為140 m，寬約3 m，高約3.8 m(不含車頂空調(diào)和受電弓)。隧道尺寸和車輛尺寸如圖2所示。

圖1　地鐵長大區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道和中間風(fēng)井位置示意Fig.1　Connecting bypass and air shaft locations of the studied railway long-large internal tunnel

圖2　長大區(qū)間隧道斷面尺寸和列車尺寸(mm)Fig.2　Cross-section dimension and train size of the studied long-large interval tunnel

2條單線區(qū)間隧道之間的聯(lián)絡(luò)通道的截面尺寸為3 m(寬)×2.5 m(高)。聯(lián)絡(luò)通道兩端均設(shè)向疏散方向開啟的甲級防火門，防火門高2 m，寬1.2 m。聯(lián)絡(luò)通道和防火門尺寸如圖3。

2　模擬工況及測點測面設(shè)置

火源功率設(shè)置為國內(nèi)地鐵設(shè)計中普遍采用的7.5 MW，其火災(zāi)曲線升溫曲線可按約10 min達(dá)到峰值考慮。

利用FDS計算方法模擬火災(zāi)的燃燒問題，網(wǎng)格尺寸必須小于一定的尺寸才能使得計算結(jié)果可信。參考FDS給出的火災(zāi)模擬最大長度尺寸為火災(zāi)特征直徑0.1D*[13]。

(1)

式中：D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為環(huán)境空氣比熱，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)式(1)，網(wǎng)格尺寸最大不超過0.21 m，因此本文設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。調(diào)用FDS中MPI (Message Passing Interface)功能，將模擬隧道劃分為32個計算區(qū)域，采用多核并行計算方式加快計算。

一般而言，隧道排煙模式有自然排煙、縱向排煙，橫向排煙、半橫向排煙和混和排煙等[14]。由于工程造價低、設(shè)備費用少、施工方便、節(jié)省能源，目前國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道普遍采用縱向排煙。

針對本文上一節(jié)給出的國內(nèi)某在建地鐵長大區(qū)間，選擇不利起火點(列車發(fā)生火災(zāi)，無法行駛到車站，停在兩中間風(fēng)井之間)，研究7種不同風(fēng)機啟動模式下的排煙效果，風(fēng)機啟動模式如表1和圖4所示。每臺風(fēng)機風(fēng)量為60 m3/s，考慮火災(zāi)報警時間和風(fēng)機啟動過程，本研究中設(shè)定風(fēng)機1 min啟動完成。

表1　模擬工況設(shè)置

圖4　7種不同風(fēng)機啟動模式示意Fig.4　Schematic diagram for seven different start modes

3　結(jié)果分析

采用大渦模擬軟件FDS[15]，根據(jù)前文給出的區(qū)間隧道尺寸、火源設(shè)置、工況設(shè)置等，模擬列車在隧道兩中間風(fēng)井之間起火并停車情況下(最不利情況之一)7種風(fēng)機不同啟動方案時煙氣蔓延情況。

圖5是火源附近頂棚溫度縱向分布。從圖中看到，不同風(fēng)機啟動方案下，火源附近頂棚最高溫度存在較大差別，具體表現(xiàn)為：風(fēng)機啟動方案5中，火源下風(fēng)向最高溫度約為196℃，其次為風(fēng)機啟動方案7，火源下風(fēng)向最高溫度約為169℃，風(fēng)機啟動方案3和風(fēng)機啟動方案1下風(fēng)向最高溫度接近，約為140℃，啟動方案4，6和2中火源下風(fēng)向最高溫度最低，低于120℃。

圖5　火源附近頂棚溫度縱向分布Fig.5　Ceiling temperature distribution around fire source

圖6　疏散平臺人員高度溫度縱向分布Fig.6　Gas temperature at person height on evacuation platform along longitudinal direction

圖6則給出了疏散平臺人員高度溫度縱向分布。與火源附近頂棚溫度縱向分布類似，風(fēng)機啟動方案5中疏散平臺人員高度溫度最高，約為171℃，方案7次之，約為129℃。方案1，4，3，2，6依次越來越低。

圖7中疏散平臺人員高度CO濃度縱向分布也獲得以上類似結(jié)果：方案5中CO濃度最高(最高約為0.058 3%，火源與風(fēng)井#2之間大部分區(qū)域約為0.04%)；方案7疏散平臺人員高度CO濃度次之，最高約為0.041%，平均約為0.035%；方案6疏散平臺人員高度CO濃度最低，最高約為0.028 5%。

圖7　疏散平臺人員高度CO濃度縱向分布Fig.7　CO concentration at person height on evacuation platform along longitudinal direction

與疏散平臺人員高度溫度和CO濃度不同，不同方案情況下，疏散平臺人員高度可見度差別不大(見圖8)。這是因為機械送風(fēng)和排煙作用下，火源下風(fēng)向一段距離之后，隧道內(nèi)煙氣將不再分層，而是以煙氣柱的形式向下風(fēng)向蔓延，因而人員高度處可見度很低，不具備人員疏散的條件。

圖8　疏散平臺人員高度可見度縱向分布Fig.8　Visibility at person height on evacuation platform along longitudinal direction

綜合以上結(jié)果，可以認(rèn)為風(fēng)機啟動方案6排煙效果最好，風(fēng)機啟動方案7較差，方案5最差。從圖4中看到，方案5僅開啟2臺送風(fēng)風(fēng)機和1臺排煙風(fēng)機，相對于其他方案，風(fēng)機啟動臺數(shù)較少，因而排煙效果最差不難理解。

方案7和方案6開啟送風(fēng)風(fēng)機一致，排煙風(fēng)機臺數(shù)相同但是位置不一致，排煙效果卻差別很大。方案6開啟的2臺排煙風(fēng)機距離火源較近，能夠及時排除大量煙氣，而方案7中，開啟的其中1臺排煙風(fēng)機距離火源較遠(yuǎn)，能夠起到的作用相對于火源附件的排煙風(fēng)機差別較大，即使風(fēng)量一致。

比較方案2和方案4，無論是頂棚最高溫度，還是疏散平臺人員高度最高溫度和CO濃度，方案2和方案4差別不大，而根據(jù)圖4，方案2與方案4的區(qū)別在于方案2多開啟1臺車站1區(qū)間風(fēng)機送風(fēng)；同樣地，比較方案1和方案3，排煙效果差別不大，而方案1與方案3的區(qū)別在于方案3多開啟1臺車站1區(qū)間風(fēng)機送風(fēng)。根據(jù)以上，本文認(rèn)為當(dāng)開啟了火源附近足夠數(shù)量的送風(fēng)風(fēng)機后，額外增加送風(fēng)風(fēng)量并不會顯著改善排煙效率。

4　結(jié)論

1)無論是比較方案2和方案4還是比較方案1和方案3，雖然方案2和方案3分別多開啟一臺車站端的區(qū)間隧道風(fēng)機送風(fēng)，但是排煙效果與方案4和方案1區(qū)別不大。本文認(rèn)為當(dāng)開啟了火源附近足夠數(shù)量的送風(fēng)風(fēng)機后，額外增加距離火源較遠(yuǎn)的送風(fēng)風(fēng)機并不會顯著改善排煙效率。

2)即使開啟風(fēng)機臺數(shù)一致，開啟火源所在區(qū)段兩端的風(fēng)機效果明顯好于開啟其他風(fēng)機。

3)由于機械送風(fēng)和排煙，火源下風(fēng)向煙氣基本不分層，呈現(xiàn)煙氣柱的分布方式，且不同風(fēng)機啟動方案情況下，人員高度處可見度差距不大，都非常低，無法滿足人員疏散要求。

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