應(yīng)急排煙模式下地鐵列車內(nèi)外瞬變壓力研究

凌中水，夏燕玲，史言穩(wěn)，朱磊，李陶勝，徐晶晶

應(yīng)急排煙模式下地鐵列車內(nèi)外瞬變壓力研究

凌中水1，夏燕玲1，史言穩(wěn)2，朱磊3，李陶勝1，徐晶晶4

（1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 安慶 246003；2.江蘇大彭工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，江蘇 徐州 221710；3.西安圣天建筑工程科技有限公司，西安 710000；4.江漢大學(xué) 商學(xué)院，武漢 430056）

：利用氣體動(dòng)力學(xué)理論建立了地鐵列車在應(yīng)急排煙模式下的瞬變壓力數(shù)值分析模型。根據(jù)深圳地鐵公司提供的列車應(yīng)急排煙方案，利用Fluent軟件模擬了列車在該應(yīng)急排煙模式下列車內(nèi)外壓力變化，3s時(shí)間段內(nèi)，列車內(nèi)外瞬變壓力峰值為586Pa/(3s)。以某地鐵“世界之窗-赤灣”2號(hào)線作為測(cè)試主體進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，與理論結(jié)果進(jìn)行比較，兩者數(shù)據(jù)差別較小。計(jì)算與測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)急排煙模式下列車內(nèi)的瞬變壓力低于德國(guó)、UIC、ERRI等國(guó)外高速鐵路耳膜舒適度準(zhǔn)則，也說(shuō)明該數(shù)值分析方法具有較高精度。

地鐵作為城市現(xiàn)代交通系統(tǒng)重要組成部分，極大地便利了人們的出行，由于地鐵一般在地下運(yùn)行，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，就會(huì)嚴(yán)重威脅乘客人身安全。為防范火災(zāi)的發(fā)生和在火災(zāi)發(fā)生后排煙問(wèn)題，世界各國(guó)開(kāi)展了系列的研究。在地鐵火災(zāi)危險(xiǎn)源方面，目前主要的預(yù)測(cè)方法包括全尺寸、小尺寸模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬[1-3]。瑞士、英國(guó)等西方國(guó)家建造了大量的隧道，針對(duì)隧道實(shí)際尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，開(kāi)展了系統(tǒng)的模擬現(xiàn)場(chǎng)研究[4]。鐘茂華等[5]就火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)排煙模式以及地鐵站臺(tái)與站廳交匯處風(fēng)速等問(wèn)題制造了一個(gè)1∶10的地鐵模型。Park等[6]研究了車站出現(xiàn)火災(zāi)重大危險(xiǎn)事故時(shí)內(nèi)部通風(fēng)以及煙氣流動(dòng)特性。趙相相[7]運(yùn)用PHOENICS軟件對(duì)地鐵隧道火災(zāi)煙氣特性以及臨界風(fēng)速與火災(zāi)的線性關(guān)系進(jìn)行了理論研究。大連交通大學(xué)王洪德、馮煉等[8-9]對(duì)火災(zāi)功率不同等級(jí)下列車運(yùn)行以及停留在隧道內(nèi)部這兩種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了模擬分析。目前對(duì)地鐵火災(zāi)的研究主要集中在發(fā)生火災(zāi)時(shí)列車排煙模式等方向的研究，希望以最快的速度排盡車廂內(nèi)的煙霧，很少考慮列車處于排煙模式下乘客的耳膜舒適度。在突發(fā)事件中，為了快速地到達(dá)站臺(tái)處理事故，地鐵列車前后、內(nèi)外壓差產(chǎn)生瞬變壓力，使旅客耳膜產(chǎn)生嚴(yán)重的不舒適性，極易產(chǎn)生恐慌。根據(jù)某地鐵集團(tuán)提供的列車應(yīng)急排煙模式下，瞬變壓力對(duì)旅客耳膜舒適度產(chǎn)生影響，為避免旅客的恐慌，對(duì)該排煙模式下運(yùn)行列車內(nèi)外瞬變壓力的研究就顯得尤為重要。

本文首先提出了在列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)繼續(xù)運(yùn)行而通過(guò)車門(mén)開(kāi)啟一定縫隙排出煙霧的列車應(yīng)急排煙模式，并根據(jù)該模式，建立了地鐵列車在隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)車廂內(nèi)瞬變壓力數(shù)值分析模型，根據(jù)某地鐵公司提供的列車應(yīng)急排煙方案，利用Fluent軟件模擬了列車在該應(yīng)急排煙模式下的列車內(nèi)外壓力變化情況，得出列車在3s的時(shí)間段內(nèi)，最大瞬變壓力為586Pa/(3s)。結(jié)合某地鐵“世界之窗-赤灣”2號(hào)線對(duì)實(shí)車測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果兩者進(jìn)行了比對(duì)，兩者數(shù)據(jù)高度類似吻合較好，表明本文就該問(wèn)題建立的數(shù)值分析方法精度滿足要求，是可靠的。數(shù)值分析與實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明列車在本文提出的應(yīng)急排煙模式下列車內(nèi)外瞬變壓力低于德國(guó)等國(guó)家的高速鐵路列車耳膜舒適度準(zhǔn)則。

1 理論基礎(chǔ)

（1）動(dòng)量守恒方程

（2）能量守恒方程

2 數(shù)值分析

2.1 列車模型與邊界條件

列車6節(jié)車箱，總長(zhǎng)140m，高3.8m，寬3.09m，底板高1.1m，每節(jié)車廂布置10扇車門(mén)，車門(mén)尺寸具體為高1.8m，寬1.4m。本次模擬列車行駛過(guò)程中中部出現(xiàn)緊急火災(zāi)，設(shè)定參數(shù)為火災(zāi)功率2MW，行駛速度為80km/h，模擬所有車門(mén)開(kāi)度為0.07m時(shí)狀況下地鐵內(nèi)外瞬態(tài)壓力波動(dòng)情況，單節(jié)列車模型如圖1所示。

考慮到地鐵實(shí)際行駛時(shí)，時(shí)速不超過(guò)80km/h且空調(diào)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，因此，數(shù)值模擬時(shí)將車廂內(nèi)外氣體均看作無(wú)法被壓縮的氣體[12]，所以采用速度入口邊界條件。由于氣體流動(dòng)條件符合亞音速流動(dòng)，且氣體壓強(qiáng)屬于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因此壓力出口邊界壓強(qiáng)大小相對(duì)于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)大小為0。

圖1 單節(jié)列車模型

2.2 結(jié)果分析

文中計(jì)算車門(mén)開(kāi)度為0.07m的排煙模式的情況下，列車時(shí)速為80km/h時(shí)的列車內(nèi)外壓力分布。計(jì)算結(jié)果如圖2, 3所示。結(jié)果表明，車廂內(nèi)部壓力變化較??；列車尾部其外部壓力呈逐漸減小趨勢(shì)，而且數(shù)據(jù)顯示第1, 2節(jié)車廂前面壓力高于內(nèi)部壓力；車門(mén)附近旅客受到正壓；以第3節(jié)車廂作為變化起點(diǎn)，車廂內(nèi)部壓力高于列車外部壓力，此時(shí)地鐵內(nèi)旅客處于負(fù)壓狀態(tài)。第6節(jié)車廂外面的壓力最小，旅客承受的壓力最大。

隨著列車正常行駛時(shí)長(zhǎng)的增加，地鐵車廂內(nèi)外壓力產(chǎn)生了較大的變化。為節(jié)省篇幅，文中提取了在3s前后列車頭部和尾部?jī)蓪?duì)車門(mén)處的內(nèi)外壓力分布，3s前后壓力值如表1所示。在列車第1節(jié)車廂外部的瞬態(tài)壓力變化值為556Pa/(3s)，小于列車第6節(jié)車廂外部的瞬態(tài)壓力變化值573Pa/(3s)，車廂內(nèi)部的瞬態(tài)壓力變化值為586Pa/(3s)。根據(jù)國(guó)內(nèi)制定的國(guó)家鐵路舒適度標(biāo)準(zhǔn)[15]，高速列車經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，列車車廂內(nèi)允許的瞬變壓力極值為3000Pa/(3s)。這說(shuō)明，在該排煙模式下，車廂內(nèi)部瞬變壓力滿足人耳對(duì)壓力變化所需調(diào)節(jié)時(shí)間的要求。

圖2 3s前列車內(nèi)外壓力分布圖

圖3 3s后列車內(nèi)外壓力分布圖

表1 瞬態(tài)壓力變化

3 試驗(yàn)

表2 實(shí)車測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本研究針對(duì)應(yīng)急排煙模式下列車3s內(nèi)瞬態(tài)壓力波動(dòng)分別進(jìn)行了數(shù)值分析以及實(shí)車測(cè)試，兩者得到的結(jié)果吻合度較高。數(shù)值分析結(jié)果顯示，擬設(shè)定參數(shù)車廂應(yīng)急排煙模式下，內(nèi)部瞬態(tài)壓力變化為586Pa/(3s)。數(shù)值分析與實(shí)車試驗(yàn)兩者結(jié)果高度的吻合性說(shuō)明了以氣體動(dòng)力學(xué)理論作為基礎(chǔ)采用Fluent軟件建立的地鐵應(yīng)急排煙模式下的瞬變壓力數(shù)值分析模型是正確的，車廂內(nèi)部瞬變壓力分析結(jié)果精度較高。

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Research of the transient pressure inside and outside of subway train under the emergency smoke

LING Zhong-shui1，XIA Yan-ling1，SHI Yan-wen2，ZHU Lei3，LI Tao-sheng1，XU Jing-jing4

(1.Anqing Vocational & Technical College, Anhui Anqing 246003, China;2.Jiangsu Dapeng Engineering Project Management Consulting Co., Ltd., Jiangsu Xuzhou 221710, China;3.Xi'an Shengtian Construction Engineering Technology Co., Ltd., Xi'an 710000, China; 4.School of Business, Jianghan University, Wuhan 430056, China)

The research objective of this paper is to study the transient pressure of the emergency exhaust mode by numerical simulation and experiment when the subway train is running. The numerical models of transient pressure were established based on the gas dynamic theory. According to the data of the emergency exhaust scheme provided by Shenzhen Metro Co.,Ltd., the pressure variation inside and outside the running subway train was analyzed by the software Fluent. The results show that the maximum transient pressure is 586Pa/(3s). Furthermore, some experiments have been done in the Window of the world and the Chiwan Line of Metro for verifying the accuracy of numerical approach based on the emergency exhaust mode. The results from both the numerical and experimental analysis are consistent, so that the transient pressure of the emergency exhaust scheme is accord with national technology standard of Germany and other countries, the passenger comfortable standard can nor been lowered and the numerical analysis mode is reliable and of high accuracy.

2021-03-10

中國(guó)高校產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金——新一代信息技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（2019ITA01028）；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持項(xiàng)目（gxyq2019229）；安徽省高校自然科學(xué)重大研究項(xiàng)目（KJ2019ZD77）

凌中水（1987-），男，安徽安慶人，講師，碩士，主要從事流體力學(xué)研究，249978361@qq.com。

U266

A

1007-984X(2021)05-0062-05