地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)情況下的煙氣擴(kuò)散研究

趙蘭英 胡鳳麗 李強(qiáng)

摘 要：針對(duì)地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣擴(kuò)散技術(shù)研究難點(diǎn)，利用CFD軟件STAR-CCM對(duì)鄭州地鐵一號(hào)線某區(qū)間隧道進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，確定火災(zāi)強(qiáng)度為7.5 MW，保證煙氣單向擴(kuò)散臨界風(fēng)速不小于2.0 m/s。實(shí)驗(yàn)表明，在隧道火災(zāi)發(fā)生后，向火源下游逃生的人員應(yīng)盡量降低自己的高度（比如彎腰前進(jìn)或匍匐逃離等）沿隧道中線逃離。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將在同種工況下測(cè)得的煙氣流動(dòng)狀況與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，運(yùn)用更可靠的數(shù)值模擬方法模擬火災(zāi)煙氣流動(dòng)，其研究結(jié)果可為研究煙氣流動(dòng)情況和制定疏散方案提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道火災(zāi);煙氣流動(dòng);數(shù)值模擬;逃生路線

DOI：10.11907/rjdk.181950

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）001-0140-04

Abstract：Aiming at the technical difficulties of smoke propagation in subway tunnel with a fire scenario， we conducted the fire simulation of a section tunnel of Zhengzhou Metro Line 1 by using CFD software STAR-CCM. The critical wind speed of one-way diffusion of smoke is not less than 2.0 m/s when fire intensity is 7.5 MW. It is concluded from the simulation analysis that people escaped downstream should try to lower their height and go along the middle line of the tunnel. The gas flow condition measured by field experiment was compared with the numerical simulation results under the same condition. The results show that the numerical simulation method is reliable. The research results provide important reference for studying the flow of smoke and making evacuation plans.

0 引言

隨著社會(huì)高速發(fā)展，各大城市普遍出現(xiàn)交通擁堵甚至癱瘓現(xiàn)象。建立城市地鐵是各大城市首選解決方式，但地鐵運(yùn)營(yíng)后期存在多種潛在安全問題，發(fā)生幾率較大且最危險(xiǎn)的問題就是火災(zāi)，所以必須設(shè)置防排煙系統(tǒng)控制煙氣流動(dòng)及足夠的人員疏散通道，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣及熱量能夠迅速排出，減少火災(zāi)造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此高度重視地下交通系統(tǒng)火災(zāi)災(zāi)害的發(fā)生，并加強(qiáng)研究地鐵防排煙系統(tǒng)有重要現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。趙蘭英等[5-6]通過建立淺島式站臺(tái)物理模型和數(shù)值模擬分析站臺(tái)內(nèi)煙氣流動(dòng)特點(diǎn)及蔓延規(guī)律。孟娜等[7]利用CFD數(shù)值軟件建立地鐵站臺(tái)物理模型，引入雙層區(qū)域模擬思想模擬分析煙氣溫度、濃度等隨時(shí)間變化的規(guī)律，為地鐵防排煙系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。王慶生等[8-9]利用SMARTFIRE軟件進(jìn)行地鐵站臺(tái)數(shù)值模擬研究，總結(jié)火災(zāi)工況下人員疏散特點(diǎn)，并據(jù)此建立了人員安全疏散模型，通過對(duì)站臺(tái)煙氣溫度和煙氣濃度的研究提出人員安全疏散時(shí)間的計(jì)算方法。趙振江等[10-12]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，分析南京某地鐵站實(shí)現(xiàn)人員安全疏散所需的通風(fēng)排煙系統(tǒng)，并提出場(chǎng)—網(wǎng)耦合數(shù)值模擬的新方法。阮天鵬等[13]采用FLUENT軟件模擬某地鐵站臺(tái)發(fā)生一定功率火災(zāi)后，屏蔽門開啟模式對(duì)煙氣流動(dòng)的影響。本文使用CFD模擬軟件star-ccm+，選取鄭州地鐵某隧道區(qū)間為對(duì)象建立物理模型，較精確、形象地對(duì)不同通風(fēng)風(fēng)速下火災(zāi)煙氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同通風(fēng)風(fēng)速下煙氣流動(dòng)特征，確定臨界風(fēng)速并總結(jié)隧道火災(zāi)煙氣的火災(zāi)特性及煙氣發(fā)展規(guī)律。另外，通過現(xiàn)場(chǎng)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，探索區(qū)間隧道在火災(zāi)情況下煙氣擴(kuò)散數(shù)值模擬方案的可靠性[14-16]。

1 模型建立

1.1 物理模型

本區(qū)間隧道火災(zāi)模型的火災(zāi)工況主要考慮在一定隧道通排風(fēng)模式下，著火列車在火災(zāi)發(fā)生后停留在隧道內(nèi)部時(shí)火災(zāi)煙氣發(fā)展的全過程，以及對(duì)人員安全疏散產(chǎn)生的影響[17]。其物理模型依據(jù)鄭州地鐵一號(hào)線隧道建筑的實(shí)際尺寸建立，如圖1所示?？紤]到計(jì)算機(jī)運(yùn)行情況以及計(jì)算時(shí)間問題，模型計(jì)算區(qū)域取400m，并且按火源位于隧道中央這種最不利的情況考慮[18-19]。

1.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

按列車正常運(yùn)行情況及隧道內(nèi)實(shí)際環(huán)境溫度，本文模擬將初始溫度設(shè)為20℃，火災(zāi)燃燒規(guī)模按5節(jié)車廂燃燒一小時(shí)達(dá)到的基本功率設(shè)置為7.5MW[18，20]。火源大小設(shè)為一定尺寸的矩形火源（2m×2m×1m）。模擬為達(dá)到一定精確性，在火源附近50m加密網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算區(qū)域形成的網(wǎng)格數(shù)大于1 900 000[21]。整體網(wǎng)格劃分模型及火源附近斷面網(wǎng)格和邊界層劃分見圖2所示。

1.3 模擬工況

（1）火災(zāi)中，火災(zāi)上游分別進(jìn)行通風(fēng)風(fēng)速為1.5m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s時(shí)的煙氣擴(kuò)散情況，火源功率取常數(shù)7.5MW，煙氣層邊界由0.1kg/m3的等濃度線確定，對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)為0.015。

（2）按t=0時(shí)發(fā)生火災(zāi)，燃燒時(shí)間為10min，著重討論風(fēng)速為2.5m/s的通風(fēng)情況。

2 模擬結(jié)果分析