地鐵列車行駛速度對火災(zāi)煙氣溫度特性的影響

(1.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西西安，710054；2.西安科技大學(xué)安全與科學(xué)工程學(xué)院，陜西西安，710054；3.中國五環(huán)工程有限公司安全環(huán)保室，湖北武漢，430000；4.西安市軌道交通集團有限公司安全質(zhì)量監(jiān)督部，陜西西安，710018)

近年來，隨著地鐵交通的逐漸發(fā)達，一系列突發(fā)事故也相應(yīng)增加，一旦發(fā)生火災(zāi)勢必會增大整個災(zāi)變環(huán)境的應(yīng)急處置難度[1]。我國《地鐵安全疏散規(guī)范》指出當列車發(fā)生火災(zāi)后，若列車未喪失動力，則應(yīng)繼續(xù)行駛至站臺進行人員緊急疏散；若列車不能行駛至車站，則應(yīng)通過道床緊急疏散[2]。因此，現(xiàn)階段對于地鐵火災(zāi)的主要研究集中在隧道中靜止列車火災(zāi)和運動列車火災(zāi)2種情形下的火災(zāi)溫度分布和煙氣蔓延。國內(nèi)外專家對于隧道中火源靜止燃燒造成的煙氣蔓延和溫度場分布情況的研究較為廣泛，劉方等[3]基于實驗和FDS數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了地鐵隧道采用縱向排煙系統(tǒng)時，不同熱釋放速率及排煙速度下區(qū)間隧道內(nèi)煙氣溫度縱向分布特征，并對縱向溫度分布的數(shù)學(xué)模型進行了修正。LIU 等[4]采用數(shù)值模擬和全尺寸實驗，研究了現(xiàn)有通風(fēng)模式下滅火抑煙效率方面的問題，得出了對應(yīng)通風(fēng)模式下火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣溫度、有毒有害氣體、能見度及輻射熱流均保持在安全水平，為制動火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案提供參考依據(jù)。KASHEF等[5]通過縮尺實驗研究了自然通風(fēng)條件下，隧道火災(zāi)頂部溫度分布和煙氣擴散，建立了溫度分布和煙氣擴散程度預(yù)測公式，并用煙氣擴散面積表征煙氣層長度和溫度的衰減關(guān)系。對于運行列車在隧道中發(fā)生火災(zāi)造成的煙氣蔓延和溫度分布，國內(nèi)外學(xué)者也進行了相關(guān)研究。XI等[6]利用縮尺寸實驗臺對隧道中著火列車的安全運行速度進行了模擬研究，分析了列車運行速度對溫度場變化和煙氣的擴散影響，得出著火列車在隧道中運行的安全速度為41.83～45.00 km/h。王湛等[7]采用1:4 的列車與隧道模型，研究了著火列車車廂內(nèi)的溫度分布，結(jié)果表明著火列車靜止時溫度上升速率最快，隨著風(fēng)速增加車廂內(nèi)最高溫度逐漸降低。綜上所述，現(xiàn)有文獻成果采用數(shù)值模擬或?qū)嶒灧椒ǚ治隽藷煔饴娱L度和隧道縱向溫度分布特征，而對不同運行速度下形成復(fù)雜氣流對最高溫度點偏移及溫度下降速率的影響研究較少。因此，本文作者建立1:10 小尺寸實驗臺，分析隧道中運行列車起火后車廂頂部火焰蔓延規(guī)律及溫度分布特性，通過溫度分布劃分車輛起火后的危險區(qū)域，為地鐵火災(zāi)的緊急避險和應(yīng)急救援提供參考依據(jù)。

1 理論分析

列車運行時，壓縮運行方向的空氣，將風(fēng)流推送至活塞風(fēng)井中，并與隧道內(nèi)壁之間因為空氣流動而形成與運行方向相反且具有一定速度的環(huán)形風(fēng)流[8]。因為列車頂部設(shè)有大量的電路和電子設(shè)備，在列車長期運行中若電氣溫度過高會造成車廂頂部起火，并且火勢的發(fā)展會受到環(huán)形風(fēng)流的擾動。因此，將列車運行中產(chǎn)生的風(fēng)速作為影響火勢變化的主要因素。故設(shè)列車在隧道中運行速度為v0，形成的活塞風(fēng)速為v，列車與隧道空間形成的風(fēng)速為vs，如圖1所示。

相對于列車的風(fēng)速為vc=v0+vs，因為火源在列車頂部隨列車一起運動，所以氣流對于火源的風(fēng)速也為vc，郗艷紅等[9]根據(jù)連續(xù)性方程，計算得出列車在隧道中運行風(fēng)速：

其中：α為列車橫斷面積A0與隧道橫截面積A的比值，即阻塞比；ξ0為除環(huán)狀空間外隧道段的阻力系數(shù)；λ為沿程阻力系數(shù)；L和L0分別為隧道長度和列車長度；d和ds分別為隧道和環(huán)狀空間的水力直徑；K為活塞作用系數(shù)；ξ為氣流由車站進入隧道的局部阻力系數(shù)；ξ1和ξ2分別為氣流由隧道進入環(huán)形空間或由環(huán)形空間進入隧道段的局部阻力系數(shù)。

2 實驗設(shè)計

2.1 系統(tǒng)介紹

建立隧道截面寬度為0.48 m，高為0.42 m，頂部為圓拱結(jié)構(gòu)，半徑為0.24 m，底部為矩形，高為0.18 m，由單節(jié)長度為0.7 m 的14 根節(jié)段連接而成，隧道長共為10 m 的實驗臺。實驗隧道頂部由不銹鋼和耐熱玻璃組成，通過玻璃觀察火焰形態(tài)變化。在實驗隧道端部安設(shè)1臺風(fēng)機，通過調(diào)頻器控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風(fēng)速調(diào)節(jié)。以實驗火源點為起點沿下風(fēng)向每間隔20 cm布置1個熱電偶，共布置21個熱電偶，實驗系統(tǒng)如圖2所示。

本文實驗設(shè)計主要采用相對風(fēng)速的原理，在實驗設(shè)計時，列車靜止在隧道中，在隧道另一端布置一臺軸流式風(fēng)機，通過端頭風(fēng)機向隧道中提供縱向風(fēng)，風(fēng)機提供的縱向風(fēng)吹向隧道中靜止列車，以此來模擬列車在隧道中運行時的風(fēng)流狀況。

在運行列車火災(zāi)中，火焰的變化主要受浮力作用影響，火源附近的煙氣流動為重力流，離火源較遠處的氣流為壓力流，但由于雷諾數(shù)較大，可以作為阻力平方區(qū)看待，滿足雷諾準則[10]。因此，采用Froude準則作為相似準則[11]。各參數(shù)相似關(guān)系如表1所示。表1中：下標m 代表模型；r 代表原型。

圖2 隧道實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Tunnel experiment system diagram

表1 實驗參數(shù)相似關(guān)系Table1 Similarity of experimental parameters

2.2 參數(shù)設(shè)置

實驗采用柴油作為火源，將其放置于5種直徑的油盤中作為不同熱釋放速率的實驗火源，并通過相似性準則計算出相應(yīng)的實際火源功率。我國地鐵運行速度區(qū)間在0～80 km/h，列車在隧道中運行時，要經(jīng)歷停止、加速、勻速、減速和停車階段。本實驗選取0，40，60 和80 km/h 作為模擬運行列車的速度變化，根據(jù)式(5)可計算出火源受到的風(fēng)速。利用相似性原理得出實驗?zāi)M通風(fēng)速度，實驗參數(shù)設(shè)置見表2。

3 結(jié)果及分析

截取4 種風(fēng)速下火源穩(wěn)定燃燒10 s 的火焰視頻，采用Matlab軟件對火焰視頻進行處理，得出4種風(fēng)速下火焰形態(tài)的概率云圖如圖3所示。將4種風(fēng)速的火焰出現(xiàn)概率高于50%的位置判定為火焰形態(tài)的位置，將火焰最遠位置和火源中心點連線與水平線之間夾角作為判斷火焰偏移角度依據(jù)。無縱向風(fēng)時火焰受浮升力垂直向頂棚蔓延，油盤火焰加熱上方空氣，熱空氣向上運動時卷吸四周的冷空氣進行補充，形成煙羽流[12]。當風(fēng)速為0.6 m/s 和0.8 m/s 時，火焰形態(tài)受縱向風(fēng)影響，火焰向下風(fēng)向分別大約偏移30°和45°；當風(fēng)速為1.0 m/s時，火焰偏移角大于60°?？v向風(fēng)速從0 m/s開始增加，火焰垂直向頂棚蔓延過程受到縱向風(fēng)干擾，使得火焰豎直方向受到改變。風(fēng)速增大后，火焰蔓延方向與風(fēng)流方向之間夾角逐漸縮小，火焰形態(tài)出現(xiàn)紊亂[13]。因此，著火列車在隧道中逐漸加速運行的過程中，其火焰會向下風(fēng)向偏移和蔓延，并且偏移角度和蔓延距離與運行速度成正比。

表2 實驗參數(shù)設(shè)置Table2 Experimental parameter settings

圖3 4種風(fēng)速下火焰形態(tài)Fig.3 Flame patterns at four wind speeds

3.1 頂棚最高溫度及溫度衰減區(qū)域分析

實驗測得各火焰功率下不同風(fēng)速的溫度變化如圖4所示。當風(fēng)速≤0.8 m/s 時，各火源功率的頂棚最高溫度均出現(xiàn)在火源點上方；當風(fēng)速為1.0 m/s時，最高溫位置向下風(fēng)向偏移0.3～0.5 m，并且在同一火源功率下，頂棚最高溫度與風(fēng)速成反比。朱偉等[14]對頂棚最高溫度及位置的研究結(jié)果基本一致，其不同之處在于最高溫位置向下風(fēng)向偏移的風(fēng)速不同，這取決于實驗環(huán)境及所采用的實驗火源。從圖4可知：12.34 kW 和15.60 kW 的火源功率在無風(fēng)速和其他風(fēng)速時的最高溫度差值較為接近，并且兩者差值均在140 ℃以上，其余3種火源功率的該溫度差值均在90 ℃左右。從火源功率和該溫度差值的整體變化來看，隨著火源功率的增加，該溫度差值呈一定的減小趨勢，并且各火源功率在0.6，0.8和1.0 m/s這3種風(fēng)速下的最高溫度之差隨火源功率的增加逐漸縮小，最高溫度逐漸接近。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是當火源功率較小時，燃燒功率低，產(chǎn)熱量少、火焰溫度低，火焰加熱上方空氣向頂棚蔓延過程中產(chǎn)生的浮升力相對較小[15]?；鹪垂β试龃蠛笕紵a(chǎn)生的浮升力增加，火焰向上蔓延的動能變大，抵抗縱向風(fēng)干擾的能力提升，風(fēng)速對火焰的影響減弱，所以，大火源功率在各風(fēng)速下的最高溫度相近[16]。

火源燃燒產(chǎn)生的熱煙氣溫度沿縱向衰減，這是因為在沿隧道頂棚蔓延過程中熱煙氣與下部冷空氣進行熱交換，從而降低了溫度[17]。根據(jù)圖4中溫度變化曲線可知：各火源溫度驟降區(qū)域為距離火源0.3～0.7 m，在距離火源0.3 m范圍內(nèi)和距離火源0.7 m 外溫度也出現(xiàn)下降，但下降趨勢不明顯。這是因為，在距離火源0.3 m范圍內(nèi)大量冷空氣被火焰卷吸加熱后沿頂棚蔓延，在該段內(nèi)與上部煙氣進行熱交換的空氣量較少，溫度下降緩慢。而在0.3～0.7 m 區(qū)域內(nèi)下部冷空氣受火源的卷吸作用減弱，有足夠的冷空氣與上層熱煙氣進行熱交換，從而使溫度急劇下降，并且造成大量煙氣聚集。距離火源較遠處熱煙氣量減少，與下部冷空氣的熱交換減弱，溫度下降速度減緩并逐漸趨于穩(wěn)定，煙氣層厚度也相應(yīng)降低。這表明當列車起火后火源點附近新鮮空氣含量較少，并且在距離火源0.3～0.7 m 范圍內(nèi)煙氣濃度較大，在此范圍內(nèi)危險性更高。

根據(jù)各火源功率在風(fēng)速為0 m/s 時和其他3 種縱向風(fēng)速下的頂棚最高溫度，得到火源功率的變化和風(fēng)速改變對最高溫度的影響趨勢如圖5所示。從圖5可知：在同等的火源功率增幅區(qū)間內(nèi)，火源功率越大溫度增值越大。這是因為火源功率增大以后熱釋放速率增加，火源燃燒產(chǎn)生的熱量增多，所以，溫度增值更大[18]。風(fēng)速與溫度變化成反比，因為縱向風(fēng)速加強了熱煙氣與冷空氣的對流換熱，并且風(fēng)速越大對流換熱越劇烈，溫度下降越快。同樣地，在列車運行過程中，列車運行速度越快，最高溫度越小。

圖4 不同火源功率各風(fēng)速下溫度分布Fig.4 Temperature distributions at different fire source powers and wind speeds

圖5 火源功率和風(fēng)速對溫度的影響Fig.5 Effect of fire source power and wind speed on temperature

3.2 溫度衰減速率分析

當風(fēng)速為0 m/s時，5種火源溫度變化如圖6(a)所示。根據(jù)溫度驟降區(qū)域的分析結(jié)果可知：在0.3～0.7 m 區(qū)域溫度下降最快，隨后趨于平緩。在該區(qū)域內(nèi)各火源功率溫度降值如表3所示。從表3可以看出溫度降低幅度隨著火源功率的增加而增加。在無風(fēng)速時，火源功率增大后燃燒反應(yīng)加劇，火焰升溫對空氣的加熱面積增大，對周圍冷空氣的卷吸速度加快，使得火焰周圍壓力降低。隧道內(nèi)其余部位的冷空氣加速對流，火焰到達頂部形成頂棚射流后有大量冷空氣能與其進行熱交換。因此，煙氣層溫度迅速降低，火源功率越大，在相同區(qū)域內(nèi)溫度降值越大[19]。

表3 原點到0.7 m位置溫度降值Table3 Temperature drop from the origin to 0.7 m

圖6 同一風(fēng)速不同火源功率溫度變化Fig.6 Different wind source power temperature changes at the same wind speed

當風(fēng)速從0.6 m/s 增加至0.8 m/s 時，各火源功率的溫度變化分別如圖6(b)和6(c)所示，主要的降溫區(qū)域仍為距離火源0.7 m的范圍。在溫度下降階段，對應(yīng)風(fēng)速下不同火源功率在距離火源0.3 m范圍內(nèi)溫度下降速率小于距離火源0.3～0.7 m范圍內(nèi)溫度下降速率。在距離火源0.3～0.7 m范圍內(nèi)溫度下降速率與風(fēng)速成正比，并且從圖6(b)和6(c)可以看出，在該范圍內(nèi)0.6 m/s 風(fēng)速時溫度變化曲線斜率小于0.8 m/s 風(fēng)速時的斜率，表明風(fēng)速越大溫度下降越快。這是因為在相同火源功率下，隨著風(fēng)速增大，頂棚射流向風(fēng)流方向蔓延長度增加，速度加快，煙氣層與空氣對流換熱速度增加，煙氣層溫度下降加快[20]。

當風(fēng)速為1.0 m/s 時，各火源功率呈現(xiàn)的溫度變化如圖6(d)所示。5 種火源功率的溫度變化均為從火源點位置沿縱向風(fēng)方向溫度逐漸上升到最大值后開始降低，并且此風(fēng)速時的溫度下降速率相比其他風(fēng)速時下降速度更快。從4 種風(fēng)速中21.47 kW 和25.10 kW 火源功率的溫度變化可知：隨著風(fēng)速的增加，這2種火源功率在同一測點的溫度差值逐漸縮小，并且在風(fēng)速為1.0 m/s 時兩者的溫度變化曲線基本重合。這是因為當火源功率增大到一定值時，即使再增加火源功率，產(chǎn)生的溫度變化也不會太大。無論在何種風(fēng)速情況下溫度衰減速率都與火源功率變化成正比，但火源功率增大到一定值后其溫度下降速率的變化減緩，基本屬于穩(wěn)定值[21]。

3.3 運行列車火災(zāi)溫度危險區(qū)域分析

在地鐵火災(zāi)中威脅乘客安全的2類危險為火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣溫度和煙氣中的有毒有害物質(zhì)[22]。本文以火災(zāi)煙氣溫度作為劃分危險區(qū)域的主要依據(jù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析所得到的溫度分布，將距離火源一定范圍內(nèi)對人員造成傷害的區(qū)域劃分為嚴重危險級、高危險級、中危險級、輕危險級和安全5個危險等級，將其分別用紅、橙、黃、藍和綠5種顏色代表。人在環(huán)境溫度為120 ℃的環(huán)境中可以忍受15 min，在175 ℃的環(huán)境中能夠忍受的時間不足1 min[23]。因此，根據(jù)不同實驗條件下溫度變化，以同一位置在不同實驗條件下出現(xiàn)的最低溫度作為劃分危險區(qū)域及危險等級的主要判據(jù)，從火源點位置沿縱向方向開始進行危險等級劃分，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)Froude準則實驗采用0，0.6，0.8 和1.0 m/s 不同風(fēng)速所對應(yīng)的列車實際運行速度為0，40，60 和80 km/h。當風(fēng)速為0 m/s 時，即列車停在隧道中，根據(jù)設(shè)置的5 種火源功率在該風(fēng)速下，25.10 kW 火源功率的最高溫度最大。因此，以該火源功率所測得溫度分布進行危險等級劃分，根據(jù)各危險等級特征溫度所在位置劃分出相應(yīng)的危險區(qū)域范圍。其他4 種風(fēng)速下同樣采用25.10 kW火源功率時的縱向溫度作為危險區(qū)域判定的標準，4 種列車運行速度下的危險區(qū)域劃分如表5所示，其中危險區(qū)域范圍的均采用以火源點為中心，向左右分別延伸的距離區(qū)間表示。

危險區(qū)域進行判定時，存在各風(fēng)速的實驗中最遠位置處熱電偶測得的溫度大于危險等級的判定溫度，導(dǎo)致無法用實驗測得溫度對危險區(qū)域進行判定。但從對溫度下降區(qū)域和溫度衰減速率分析可知：距離火源點0.9 m范圍內(nèi)是溫度驟降的區(qū)域，火源點0.9 m 位置之外溫度變化基本趨于平緩。所以，可以根據(jù)從距離火源0.9 m熱電偶位置到最遠處距離火源4.1 m處熱電偶位置之間的溫度變化來預(yù)測更遠處并沒有熱電偶監(jiān)測的溫度變化。因此，可以采用下式計算出危險區(qū)域邊界位置：

表4 危險等級劃分Table4 Classification of hazard levels

表5 0 m/s風(fēng)速下危險區(qū)域劃分Table5 Classification of hazardous areas at 0 m/s wind speed

其中：xa為危險區(qū)域邊界位置(距離火源點的距離)；T1和T2分別為距離火源點0.9 m處和4.1 m處溫度；Ta為危險區(qū)域判定溫度。

地鐵列車的編組一般為6節(jié)車廂，單節(jié)車廂長度為25 m 左右，對運行列車車廂危險區(qū)域劃分示意圖如圖7所示。

由圖7可知：列車運行速度越大，溫度危險區(qū)域的范圍向火源點中心集中。當列車以40 km/h和60 km/h 運行時，嚴重危險和高危險區(qū)域長度比靜止列車的長度短，但其中危險和輕危險長度顯著加長。這表明當列車在隧道中運行產(chǎn)生的風(fēng)流擾動會對火源的燃燒造成影響，并使火焰向下風(fēng)側(cè)偏移，造成煙氣向下風(fēng)向蔓延長度增加[24]。因此，在火源下風(fēng)向的隧道中煙氣量大，導(dǎo)致下風(fēng)向隧道中環(huán)境溫度升高，中危險和輕危險區(qū)域范圍增加。當列車以80 km/h的速度運行時，溫度較高的區(qū)域范圍向中心縮小，而溫度區(qū)間為60～120 ℃的危險區(qū)域范圍相比其余運行速度下的該區(qū)域范圍增大。這是因為當列車以80 km/h 的速度運行時，在隧道中產(chǎn)生了較強的縱向風(fēng)，縱向風(fēng)加速隧道內(nèi)風(fēng)流流動，風(fēng)流流速增加導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，向下風(fēng)向偏移劇烈。此外，空氣流速加快會攜帶走燃燒產(chǎn)生的大量熱量，同時也增強了熱煙氣和冷空氣的對流換熱，普遍降低縱向溫度，溫度高于170 ℃的危險區(qū)域范圍縮小。

圖7 溫度危險區(qū)域劃分Fig.7 Division of temperature danger area

根據(jù)不同風(fēng)速條件下，運行列車溫度危險區(qū)域劃分可知：在列車由靜止到加速過程中，溫度高于170 ℃的危險區(qū)域范圍向火源位置縮減，而溫度在60～120 ℃區(qū)間的高溫區(qū)域范圍隨著運行速度的增加該區(qū)域范圍相應(yīng)變大，造成整車的危險性增加。

4 結(jié)論

1)根據(jù)不同運行速度下縱行溫度分布，地鐵列車在運行中發(fā)生火災(zāi)后同一火源功率溫度變化受到縱向風(fēng)速的影響，當車速≤60 km/h 時最高溫位置均出現(xiàn)在火源點上方，火焰形態(tài)受風(fēng)速的影響并不大；當車速≥80 km/h 高溫點位置出現(xiàn)向下風(fēng)向方向偏移趨勢，偏移長度為0.3～0.5 m，火焰形態(tài)出現(xiàn)較大程度傾斜。

2)在相同風(fēng)速下不同火源功率在同一位置區(qū)域內(nèi)溫度降低值不同。當風(fēng)速較小時(風(fēng)速≤0.8 m/s)，從火源點位置到距離火源點0.7 m范圍為溫度驟降區(qū)域，同一火源功率隨著風(fēng)速增加在該段區(qū)域內(nèi)溫度下降速率增大。當風(fēng)速較大時(1.0 m/s)，從最高溫度點到距離火源0.9 m 范圍為溫度驟降區(qū)域，風(fēng)速越大，溫度降低速率越大。

3)由溫度分布劃出4種運行速度列車的危險區(qū)域，得到列車從靜止到逐漸加速過程中溫度高于170 ℃的區(qū)域逐漸向火源點縮小，而溫度為60～120 ℃區(qū)間的危險區(qū)域逐漸增大。