地鐵區(qū)間隧道火災情況下的煙氣擴散研究

趙蘭英 胡鳳麗 李強

摘 要：針對地鐵區(qū)間隧道火災煙氣擴散技術研究難點，利用CFD軟件STAR-CCM對鄭州地鐵一號線某區(qū)間隧道進行火災數(shù)值模擬，確定火災強度為7.5 MW，保證煙氣單向擴散臨界風速不小于2.0 m/s。實驗表明，在隧道火災發(fā)生后，向火源下游逃生的人員應盡量降低自己的高度（比如彎腰前進或匍匐逃離等）沿隧道中線逃離。通過現(xiàn)場試驗，將在同種工況下測得的煙氣流動狀況與數(shù)值模擬結果對比，運用更可靠的數(shù)值模擬方法模擬火災煙氣流動，其研究結果可為研究煙氣流動情況和制定疏散方案提供重要參考依據(jù)。

關鍵詞：隧道火災;煙氣流動;數(shù)值模擬;逃生路線

DOI：10.11907/rjdk.181950

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：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，但地鐵運營后期存在多種潛在安全問題，發(fā)生幾率較大且最危險的問題就是火災，所以必須設置防排煙系統(tǒng)控制煙氣流動及足夠的人員疏散通道，一旦發(fā)生火災，煙氣及熱量能夠迅速排出，減少火災造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此高度重視地下交通系統(tǒng)火災災害的發(fā)生，并加強研究地鐵防排煙系統(tǒng)有重要現(xiàn)實意義[1-4]。趙蘭英等[5-6]通過建立淺島式站臺物理模型和數(shù)值模擬分析站臺內(nèi)煙氣流動特點及蔓延規(guī)律。孟娜等[7]利用CFD數(shù)值軟件建立地鐵站臺物理模型，引入雙層區(qū)域模擬思想模擬分析煙氣溫度、濃度等隨時間變化的規(guī)律，為地鐵防排煙系統(tǒng)的合理設計提供依據(jù)。王慶生等[8-9]利用SMARTFIRE軟件進行地鐵站臺數(shù)值模擬研究，總結火災工況下人員疏散特點，并據(jù)此建立了人員安全疏散模型，通過對站臺煙氣溫度和煙氣濃度的研究提出人員安全疏散時間的計算方法。趙振江等[10-12]通過數(shù)值模擬和實驗測試手段，分析南京某地鐵站實現(xiàn)人員安全疏散所需的通風排煙系統(tǒng)，并提出場—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發(fā)生一定功率火災后，屏蔽門開啟模式對煙氣流動的影響。本文使用CFD模擬軟件star-ccm+，選取鄭州地鐵某隧道區(qū)間為對象建立物理模型，較精確、形象地對不同通風風速下火災煙氣流動進行數(shù)值模擬，分析不同通風風速下煙氣流動特征，確定臨界風速并總結隧道火災煙氣的火災特性及煙氣發(fā)展規(guī)律。另外，通過現(xiàn)場模型實驗測試結果對比，探索區(qū)間隧道在火災情況下煙氣擴散數(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)間隧道火災模型的火災工況主要考慮在一定隧道通排風模式下，著火列車在火災發(fā)生后停留在隧道內(nèi)部時火災煙氣發(fā)展的全過程，以及對人員安全疏散產(chǎn)生的影響[17]。其物理模型依據(jù)鄭州地鐵一號線隧道建筑的實際尺寸建立，如圖1所示?？紤]到計算機運行情況以及計算時間問題，模型計算區(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

按列車正常運行情況及隧道內(nèi)實際環(huán)境溫度，本文模擬將初始溫度設為20℃，火災燃燒規(guī)模按5節(jié)車廂燃燒一小時達到的基本功率設置為7.5MW[18，20]?；鹪创笮≡O為一定尺寸的矩形火源（2m×2m×1m）。模擬為達到一定精確性，在火源附近50m加密網(wǎng)格，整個計算區(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）火災中，火災上游分別進行通風風速為1.5m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s時的煙氣擴散情況，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，對應體積分數(shù)為0.015。

（2）按t=0時發(fā)生火災，燃燒時間為10min，著重討論風速為2.5m/s的通風情況。

2 模擬結果分析