縱向風(fēng)對高海拔鐵路隧道火災(zāi)煙氣時空分布的影響

馬召輝 韓自力 馬偉斌 王志偉 羅鵬 趙鵬

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2018年底，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)13.1萬km。其中，投入運營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km［1］。規(guī)劃興建的川藏鐵路特長隧道及隧道群密集。高海拔地區(qū)空氣稀薄，低溫缺氧，氣壓低，不但給隧道修建技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也給隧道的防災(zāi)疏散、救援設(shè)計提出了新課題。

鐵路列車隧道火災(zāi)事故具有搶救難度大、中斷行車時間長、經(jīng)濟(jì)損失巨大等特點，伴有嚴(yán)重的社會影響。列車因電氣故障、采暖設(shè)備狀態(tài)不良、吸煙不慎甚至恐怖攻擊都會引起火災(zāi)。車廂內(nèi)含有車內(nèi)裝飾、家具、臥具以及旅客攜帶行李物品等易燃可燃物，再者車廂內(nèi)部空間狹小、人員高度密集，且列車運行的列車風(fēng)助長火勢，若未能及時發(fā)現(xiàn)，未能早期撲滅，往往車毀人亡。

鐵路隧道內(nèi)發(fā)生列車火災(zāi)時，煙氣一般會受煙囪效應(yīng)、熱浮力效應(yīng)、熱膨脹效應(yīng)及通風(fēng)的影響。其主要特點是：狹長的管狀結(jié)構(gòu)既阻止了熱量的耗散，又會產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，使火勢發(fā)展迅猛，隧道內(nèi)溫度驟然上升，甚至超過1 000 ℃；產(chǎn)生的大量煙霧難以迅速排出，致使隧道空間內(nèi)能見度低；有害煙氣積聚，易致死；空間狹小，自救逃生較難［2］。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诟×Φ淖饔孟聦⑾蛏线\動并不斷卷吸周圍的新鮮空氣。火羽流上升到一定高度，將撞擊頂棚，然后轉(zhuǎn)為向四周的徑向蔓延；徑向流擴(kuò)散到一定階段后，將受到隧道側(cè)壁的限制而最終轉(zhuǎn)變?yōu)檠厮淼婪较虻目v向一維運動。在沿隧道縱向蔓延的過程中，溫度不斷衰減，原因是煙氣層與隧道壁面發(fā)生了熱交換。所以煙氣的溫度發(fā)展與分布是火災(zāi)發(fā)展過程中的一個重要參數(shù)。

目前國內(nèi)外對于一般海拔地區(qū)的隧道火災(zāi)研究比較充分［3-6］，而針對高海拔隧道火災(zāi)的研究較少。高海拔隧道低溫、低壓、低氧環(huán)境特征明顯，對可燃物的燃燒特性，火災(zāi)的煙氣蔓延具有明顯影響。研究不同縱向風(fēng)速下的高海拔隧道內(nèi)火災(zāi)的煙氣時空分布規(guī)律，對隧道內(nèi)火災(zāi)初期報警、人員逃生、設(shè)備的選型以及通風(fēng)方案的制定有重要意義?；馂?zāi)時隧道內(nèi)溫度場的分布規(guī)律也是火災(zāi)預(yù)測預(yù)報和救援方案設(shè)計的主要考慮因素，掌握火災(zāi)時隧道內(nèi)溫度場分布規(guī)律，可為川藏線各隧道的消防設(shè)計和實際救災(zāi)提供依據(jù)。

本文利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS 模擬得到不同海拔、4 種縱向風(fēng)工況下的煙氣溫度、CO 濃度的時空分布，進(jìn)而闡述縱向風(fēng)速對高海拔鐵路隧道火災(zāi)煙氣蔓延的影響。

1 計算模型

1.1 FDS數(shù)值分析軟件

火災(zāi)是一個包含燃燒、流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等分過程的復(fù)雜過程。根據(jù)實際應(yīng)用中所要模擬的現(xiàn)象、研究方法和研究層次的不同，針對火災(zāi)研究方面的數(shù)值模型可大致分為場模型（Field Model）、區(qū)域模型（Zone Model）、網(wǎng)絡(luò)模型（Network Model）和混合模型（Hybrid Model）。

FDS 是由NIST（美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院）基于場模型研發(fā)的專門用于火災(zāi)動態(tài)仿真模擬的軟件。其采用數(shù)值計算方法來求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的Navis-Stokes方程，重點計算火災(zāi)中的煙氣流動和熱傳遞過程。

1.2 幾何模型

根據(jù)200 km/h 客貨共運單線隧道實際幾何尺寸建立隧道的計算模型。模型長度取600 m，縱向為平坡，如圖1所示。

圖1 用FDS軟件建立隧道數(shù)值計算模型

1.3 火源設(shè)置

在隧道列車火災(zāi)研究中，實際火源可能位于列車的不同位置。Miclea 等［7］通過研究發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)發(fā)生列車火災(zāi)，存在著影響人員逃生的最不利位置即列車中部。設(shè)定火災(zāi)發(fā)生在列車中部的一節(jié)車廂內(nèi)，以餐車為例，將火源尺寸設(shè)定為半個車廂，即12.5 m×3.38 m，距離隧底1.4 m。按同一時間只有1 處火源即同一時間只有1起火災(zāi)發(fā)生考慮［8］。

為了保證隧道火災(zāi)數(shù)值模擬真實有效，本文采用t2火災(zāi)模型來模擬隧道火災(zāi)發(fā)生時火源近似非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的情形。

式中：Q為火災(zāi)的熱釋放率；α為火災(zāi)熱釋放率的增長系數(shù)；t為發(fā)生火災(zāi)的時間。

通常根據(jù)增長系數(shù)將火災(zāi)模型分為慢速、中速、快速、超快速4類。表1給出了4種類型各自的熱釋放率增長系數(shù)［5］。

表1 火災(zāi)模型分類

綜合考慮火災(zāi)熱釋放速率模型、隧道類型等因素，參考國內(nèi)外不同車輛類型火災(zāi)規(guī)模的建議值［5］，根據(jù)研究內(nèi)容的需要，隧道火災(zāi)的規(guī)模設(shè)定為20 MW。

1.4 邊界條件和計算參數(shù)

海拔3 000 m時，隧道內(nèi)初始溫度6.0 ℃，初始空氣密度 0.941 7 kg/m3，隧道兩端大氣壓強66.98 kPa［9］。

海拔500 m時，隧道內(nèi)初始溫度20 ℃；隧道內(nèi)初始空氣密度1.291 kg/m3；隧道兩端大氣壓強101.30 kPa。

重力加速度取9.8 m/s2；混凝土密度取2 350 kg/m3；混凝土質(zhì)量熱容取1 100 J/（kg·K）；混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取12 W/（m·K）。隧道入口為開口邊界（縱向風(fēng)速為0時）、等風(fēng)速邊界（縱向風(fēng)速不為0 時），隧道出口為開口邊界。

1.5 計算工況

計算時隧道內(nèi)坡度取0，火源位于隧道中部，火災(zāi)規(guī)模20 MW。按海拔和縱向風(fēng)速分為8個工況，見表2。

表2 計算工況

2 計算結(jié)果

通過對隧道火災(zāi)穩(wěn)定燃燒階段的數(shù)值模擬計算，得到了隧道內(nèi)不同高度各個監(jiān)測點在不同時刻的煙氣溫度和煙氣濃度（CO濃度）。

2.1 2種海拔下的火災(zāi)對比（圖2）

圖2 2種海拔下的火災(zāi)對比

由圖2可知：

1）20 MW火源下，距離火源40 m范圍內(nèi)，2種海拔條件下的拱頂溫度相差不大。在近火源區(qū)域，海拔3 000 m 時最高溫度為707 ℃，海拔500 m 時的最高溫度為940 ℃，二者相差24.8%，原因是低氧低溫環(huán)境將改變可燃?xì)怏w（固體高溫分解的可燃?xì)饣蛘咭后w蒸發(fā)的可燃?xì)饣蛘邭怏w可燃物［10］）在空氣中的分布以及可燃?xì)怏w與氧氣之間的濃度梯度，進(jìn)而影響可燃物的燃燒速率，使之降低。

2）隧道火災(zāi)過程由于空氣供給不足常為不完全燃燒，會產(chǎn)生大量的CO。由于火災(zāi)煙氣流動是一種復(fù)雜的湍流，特征高度處的CO 濃度分布有一定隨機(jī)性。但海拔3 000 m 下隧道火災(zāi)的CO 產(chǎn)生量更高，相同時間地點是海拔500 m火災(zāi)的1.3～1.5倍。

3）火源及其附近區(qū)域溫度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，且距離火源越遠(yuǎn)，拱頂最大溫度越小，至距離火源300 m 處（不論上下游）溫度已小于0.5 ℃，間接說明計算域選取合適。

2.2 縱向風(fēng)速對煙氣溫度場的影響

圖3是海拔3 000 m隧道拱頂最高溫度沿程曲線。

圖3 海拔3 000 m隧道拱頂最高溫度沿程曲線

由圖3可知：

1）海拔3 000 m 下，隨著縱向風(fēng)速增加，拱頂最高溫度由707 ℃顯著下降至265 ℃，降幅達(dá)62.5%，且最高溫度點向下游偏離火源區(qū)邊緣上方。

2）隨著縱向風(fēng)速增加，距離火源相同距離處，火源下游的最大溫度增大，而上游溫度減小，升溫范圍逐漸減小。縱向風(fēng)速為0.8，1.2 m/s 時上游溫升范圍只有280 m和220 m。

典型縱向風(fēng)速下的2.0 m 高度處溫度時空分布曲線見圖4?？芍涸诨馂?zāi)發(fā)生初期，特征高度2.0 m 處的溫度不高，火災(zāi)對于該高度處隧道內(nèi)的溫度影響有限，隧道內(nèi)除火源附近，其他處溫度變化不明顯；隨著火災(zāi)時間的增長，隧道內(nèi)特征高度處溫度逐漸上升，并且火災(zāi)對隧道溫度的影響范圍逐漸增長。存在縱向風(fēng)時，火源上游的火災(zāi)影響范圍小于火源下游；火災(zāi)發(fā)生360～800 s時，在火源下游方向50～140 m內(nèi)，隧道人眼特征高度處溫度已升至警戒值［9］60 ℃以上，對人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，成為危險區(qū)域。

圖4 典型縱向風(fēng)速下2.0 m高度處溫度時空分布曲線

2.3 縱向風(fēng)速對CO濃度的影響

典型縱向風(fēng)速下2.0 m 高度處CO 濃度曲線見圖5。可知，特征高度2.0 m 處CO 濃度在火災(zāi)發(fā)生初期沿縱向的濃度較小；隨著火災(zāi)發(fā)生時間增長濃度逐漸增大。存在縱向風(fēng)時，其對上游煙氣具有顯著的“稀釋”“阻攔”作用。煙氣沿縱向分布的差異性逐漸增大。在火源上游CO濃度擴(kuò)散的范圍大大縮小，縱向風(fēng)速1.2 m/s時CO在上游距火源150 m分布較少；但在下游影響范圍很大，風(fēng)速的影響十分明顯；存在縱向風(fēng)時，下游的煙氣濃度略低于無風(fēng)時。

圖5 典型縱向風(fēng)速下2.0 m高度處CO濃度曲線

3 結(jié)論

1）由于海拔3 000 m 時的低壓低氧環(huán)境，其近火源區(qū)域的最高溫度比海拔500 m 時低24.8%，CO 濃度增大30%～50%；

2）隨著縱向風(fēng)速增加，拱頂最高溫度顯著下降，最大降幅達(dá)62.5%，且最高溫度點向下游偏離火源區(qū)邊緣上方。同時火源上游溫度減小且升溫范圍逐漸減小，縱向風(fēng)速為0.8，1.2 m/s時上游溫升范圍分別減少280，220 m。此外，由于隧道煙氣在受到隧道頂部的限制后水平流動過程中存在“水躍”區(qū)，在火源下游火災(zāi)影響范圍內(nèi)，隧道內(nèi)溫度和煙氣濃度均有先下降再升高的現(xiàn)象。

3）隨著縱向風(fēng)速增加，特征高度處的上游溫度危險區(qū)縮小至距離火源10 m 左右，下游溫度危險區(qū)擴(kuò)大至距離火源140 m左右。

4）存在縱向風(fēng)時，其對上游煙氣具有顯著的“稀釋”“阻攔”作用，縱向風(fēng)速1.2 m/s 時 CO 在火源上游150 m 分布較少；風(fēng)速使下游影響范圍增大，但“阻攔”作用有限，下游的煙氣濃度略低于無風(fēng)時。