不同隧道坡度與車廂火災(zāi)位置情況下煙氣蔓延特性研究*

方 祥，任 飛，李 建，車洪磊，錢小東，唐 飛

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運(yùn)安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

0 引言

隨著我國城市化的發(fā)展，核心城市人口日益增多。軌道交通以其載客量大、速度快、準(zhǔn)點(diǎn)率高、低能耗、低污染等優(yōu)點(diǎn)在城市公共交通系統(tǒng)中扮演著重要的角色。根據(jù)《城市軌道交通2020年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告》可知[1]，截至2020年底，中國大陸地區(qū)已開通軌道交通城市共45個(gè)，運(yùn)營線路長度達(dá)7 969.7公里。隧道作為城市軌道交通的重要組成部分，具有結(jié)構(gòu)狹長、空間密閉等特點(diǎn)，一旦列車發(fā)生火災(zāi)停在區(qū)間隧道，隧道內(nèi)溫度將在短時(shí)間內(nèi)急劇升高并產(chǎn)生大量煙氣，這對乘客安全造成極大的威脅[2-3]。此外，由于地質(zhì)條件等客觀因素，在隧道設(shè)計(jì)中部分線路往往具有一定的坡度。隧道坡度的存在將會造成火源上下游熱浮力的差異，因此，含坡度的隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動與普通水平隧道中有所不同，在人員救援及疏散中對煙氣的控制方案應(yīng)有所不同。

針對隧道火災(zāi)，國內(nèi)外學(xué)者開展一系列實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究并得到大量有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論[2-12]。在實(shí)驗(yàn)方面，史聰靈等[5-6，11]通過開展全尺寸實(shí)驗(yàn)，研究隧道火災(zāi)中頂棚溫度、煙氣輸運(yùn)等參數(shù)；楊宇軒等[2]通過開展全尺寸實(shí)驗(yàn)，研究含坡度隧道火災(zāi)在車輛阻塞下的氣流速度、煙氣溫度以及煙氣層厚度等；李炎鋒等[3]通過開展縮尺寸實(shí)驗(yàn)，研究含坡度隧道下火災(zāi)溫度場分布規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，吳賢國等[5]研究隧道火災(zāi)中車輛因素對隧道內(nèi)溫度以及一氧化碳濃度分布的影響；馮煉等[10]研究隧道火災(zāi)在機(jī)械通風(fēng)下的風(fēng)速和溫度分布，并以此為火災(zāi)救援中最佳緊急通風(fēng)方案提供依據(jù)；Zhang等[11]通過全尺寸模擬含坡度隧道火災(zāi)中頂棚的最大溫升以及煙氣逆流長度；田向亮等[13]通過全尺寸實(shí)驗(yàn)研究不同阻塞條件下的隧道火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律，建立考慮阻塞比的隧道風(fēng)量衰減模型；王鐘寬等[14]通過縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究不同坡度隧道火災(zāi)自熄現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)坡度為3%和5%的隧道火災(zāi)不會出現(xiàn)自熄現(xiàn)象；姜學(xué)鵬等[15]研究不同火源位置情況下城市V型坡隧道火災(zāi)煙氣運(yùn)動特性；劉慧強(qiáng)等[16]研究區(qū)間隧道坡度對停駛列車火災(zāi)煙氣自然擴(kuò)散的影響，確定安全疏散時(shí)間。

然而，針對地鐵列車車廂阻塞效應(yīng)與隧道坡度耦合作用下火災(zāi)煙氣輸運(yùn)規(guī)律的研究仍較為匱乏。當(dāng)隧道內(nèi)存在列車車廂時(shí)，隧道通風(fēng)方向與火源和車廂相對位置具有直接關(guān)系，而火源和車廂的相對位置受隧道坡度的影響(煙氣蔓延不對稱性)，煙氣逆流長度又存在差異。該種隧道火災(zāi)情況下煙氣逆流規(guī)律的研究對于保障乘客安全疏散具有重要意義。

因此，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，搭建含坡度全尺寸隧道火災(zāi)模型，考慮火源分別位于車廂頭部和尾部2種火災(zāi)場景，研究在縱向通風(fēng)的情況下含坡度隧道火災(zāi)煙氣的溫度場及蔓延情況。通過分析火災(zāi)煙氣溫度分布以及逆流長度等變化規(guī)律，為地鐵隧道火災(zāi)安全提供參考。

1 模型設(shè)置

1.1 CFD模型構(gòu)建

隧道的總長度設(shè)置為500 m，其橫截面為矩形，外徑尺寸為5 m×5 m，內(nèi)徑尺寸為4.6 m×4.6 m，隧道壁面材料為混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W/(m·K)。隧道底部放置有2條軌道，其橫截面尺寸為0.2 m×0.2 m，其材料為鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為45.8 W/(m·K)。車廂置于導(dǎo)軌上且位于隧道中間偏左位置，車廂總長度為120 m，為包括6節(jié)長度為20 m的編組車廂，橫截面為4.0 m×2.8 m，材料為鋼?；鹪捶謩e置于車廂頭部和尾部(圖1)，火源的尺寸為2 m×2 m，位于距離隧道底面0.2 m高度處，與車廂底部平齊。使用丙烷作為燃料，并采用FDS用戶指南中默認(rèn)參數(shù)作為火源參數(shù)。湍流模型是“Constant Smagorinsky”。反應(yīng)采用簡單的化學(xué)、混合控制燃燒模型(單步)，并指定單位質(zhì)量氧的能量釋放為1.31×104kJ/kg。環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，環(huán)境壓力設(shè)定為101 kPa。隧道的兩端設(shè)定為開放邊界。

圖1 模型設(shè)置Fig.1 Setting of model

1.2 火災(zāi)場景

在實(shí)際隧道火災(zāi)中，一般通過機(jī)械通風(fēng)的方式使火災(zāi)煙氣在隧道中向遠(yuǎn)離車廂的方向運(yùn)動，從而達(dá)到排煙的目的，使車廂中的乘客處于安全的環(huán)境[11]?？紤]隧道坡度對煙氣層溫度和逆流長度的影響，兼顧計(jì)算能力和經(jīng)濟(jì)性，對于火源1和火源2的情形，分別設(shè)計(jì)3種風(fēng)速和3種坡度，共計(jì)18種模擬工況，如表1所示。7.5 MW的熱釋放速率被認(rèn)為是1輛列車車廂燃燒的常見火災(zāi)情形[11]，因此模擬工況的火源熱釋放速率均設(shè)定為7.5 MW。

表1 數(shù)值模擬工況Table 1 Numerical simulation conditions

模擬時(shí)間設(shè)置為600 s，以達(dá)到煙氣擴(kuò)散的穩(wěn)定狀態(tài)。定義5組網(wǎng)格，其計(jì)算邊界為500 m×5 m×5 m，采用MPI并行處理進(jìn)行多組網(wǎng)格模擬(MPI進(jìn)程數(shù)5，OpenMP線程數(shù)3)，以縮短模擬運(yùn)行時(shí)間。火源特征直徑計(jì)算見式(1)：

(1)

設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。一般認(rèn)為D*/δ(δ為網(wǎng)格尺寸，m)在4～16之間，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確[11]，此處D*/δ=10.4滿足模擬精度所需。

1.3 參數(shù)測量及結(jié)果可靠性說明

在隧道頂部中心線上每間隔2 m處布置熱電偶測點(diǎn)，測點(diǎn)與頂棚垂直距離設(shè)定為0.05 m，以觀測火災(zāi)中隧道內(nèi)溫度變化情況。此外，在沿著隧道縱向的中心面上設(shè)置切片，來監(jiān)測溫度、可見度和流場情況。FDS數(shù)值模擬方法廣泛應(yīng)用于隧道火災(zāi)研究，研究表明其結(jié)果具備可靠性[17-18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 隧道內(nèi)溫度分布

火災(zāi)煙氣在隧道內(nèi)的擴(kuò)散蔓延情況可以從溫度分布進(jìn)行判斷。圖2展示火源位于車廂上游(火源1)時(shí)隧道縱向中心線溫度分布(車廂位置參數(shù)為[-60 m,60 m])，橫坐標(biāo)為模型縱向位置。可以看到：隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速增大，迎風(fēng)側(cè)縱向溫度不斷降低，煙氣向列車車廂方向的蔓延長度不斷減小，縱向通風(fēng)的抑制作用控制煙氣在火源下游的蔓延；當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，隨著坡度的增大，火源下游(列車車廂一側(cè))煙氣溫度也逐漸降低，向列車車廂方向的蔓延長度不斷降低(如圖2中白色箭頭所示)，這是因?yàn)樗淼榔露纫鹬亓Ψ至坎粚ΨQ導(dǎo)致煙氣更多向上游方向蔓延。

圖2 火源位于車廂上游時(shí)煙氣縱向溫度分布Fig.2 Longitudinal temperature distribution of smoke with fire source located at upstream of car

圖3所示為火源位于車廂下游(火源2)時(shí)的隧道縱向中心線溫度分布(車廂位置參數(shù)為[-160 m,-40 m])?？梢钥吹剑弘S著縱向通風(fēng)速度的增大，隧道溫度分布規(guī)律與火源位于車廂上游情況下一致，迎風(fēng)側(cè)的煙氣蔓延長度明顯縮短；然而，縱向通風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，隨著坡度的增大，火源上游(列車車廂一側(cè))煙氣蔓延長度不斷增大(如圖3中白色箭頭所示)，這是由于火源處于車廂下游，由于坡度原因煙氣更多向上游(車廂一側(cè))蔓延，相比于火源位于車廂上游情況，該種情況需要更大的縱向通風(fēng)風(fēng)速控制煙氣不蔓延至車廂一側(cè)，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)更大。

圖3 火源位于車廂下游時(shí)煙氣縱向溫度分布Fig.3 Longitudinal temperature distribution of smoke with fire source located at downstream of car

圖4是2種火源位置情況下在不同坡度相同通風(fēng)速度下頂棚煙氣縱向溫度分布情況?？梢钥闯觯簾o坡度、無縱向通風(fēng)情況下，火源車廂區(qū)域煙氣縱向溫度略高于對稱位置，這是由于列車車廂存在減少了熱煙氣與冷空氣的對流散熱；對于不同火源位置，在無縱向通風(fēng)情況下，火源上游方向煙氣溫度均不隨坡度變化而變化，然而，火源下游方向煙氣溫度隨坡度增大而減小，火源下游方向受坡度影響更大；施加縱向通風(fēng)后，火源兩側(cè)溫度均有不同程度下降，與圖2和圖3所觀察到的現(xiàn)象一致。

圖4 不同坡度與相同縱向通風(fēng)風(fēng)速情況下頂棚縱向煙氣溫度分布Fig.4 Longitudinal temperature distribution of ceiling smoke under different tunnel slopes and same longitudinal ventilation wind speeds

2.2 流場及煙氣逆流長度

圖5是火源位于車廂上游方向情況下能見度及流場分布。就能見度而言，無縱向通風(fēng)時(shí)，車廂區(qū)域能見度基本為0，表明煙氣已經(jīng)擴(kuò)散至整個(gè)車廂區(qū)域；當(dāng)縱向通風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，車廂上部靠近火源的小部分區(qū)域能見度基本為0而遠(yuǎn)離火源部分能見度較高，表明煙氣在車廂上部擴(kuò)散至一定距離(煙氣逆流長度)后停止擴(kuò)散；當(dāng)縱向通風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，整個(gè)車廂上部能見度都較高，表明煙氣此時(shí)已經(jīng)無法在車廂上部(迎風(fēng)側(cè))擴(kuò)散，轉(zhuǎn)而擴(kuò)散至背風(fēng)側(cè)。此外，煙氣逆流長度隨坡度的增大而減小。

火源附近煙氣擴(kuò)散的原因可以從流場角度進(jìn)行解釋。當(dāng)通風(fēng)速度為0 m/s時(shí)，煙氣撞擊頂棚向火源兩側(cè)自由擴(kuò)散；當(dāng)通風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，由于風(fēng)的動壓，煙氣在撞擊頂棚后向迎風(fēng)側(cè)擴(kuò)散一定距離后停止；當(dāng)通風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，風(fēng)的動壓增大，煙氣在撞擊頂棚后完全無法向迎風(fēng)側(cè)擴(kuò)散，轉(zhuǎn)而順風(fēng)擴(kuò)散。

圖6是火源位于車廂下游方向情況下能見度及流場分布。與圖5中火源位于車廂上游方向不同的是，隨著坡度增大，車廂區(qū)域的能見度不斷下降，威脅人員安全疏散。此外，從流場變化情況看，同一縱向通風(fēng)風(fēng)速情況下，車廂區(qū)域火災(zāi)煙氣與縱向通風(fēng)之間相互作用更強(qiáng)烈。

圖5 火源位于車廂上游情況下能見度及流場Fig.5 Visibility and flow field with fire source located at upstream of car

圖6 火源位于車廂下游情況下能見度及流場Fig.6 Visibility and flow field with fire source located at downstream of car

圖7是煙氣逆流長度隨隧道坡度以及縱向通風(fēng)速度的變化。從圖7中可以看出：當(dāng)坡度為0%時(shí)，施加縱向通風(fēng)時(shí)不同火源位置煙氣逆流長度一致；當(dāng)隧道存在坡度且縱向通風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，火源相對于列車車廂位置將會顯著影響煙氣逆流長度，火源在車廂上游方向時(shí)，煙氣逆流長度隨隧道坡度增大而減小?；鹪丛谲噹掠畏较驎r(shí)，煙氣逆流長度隨隧道坡度增大而增大。此時(shí)，煙氣逆流長度由火災(zāi)煙氣熱浮力與縱向通風(fēng)慣性力競爭機(jī)制主控，而上游方向火災(zāi)熱浮力需克服重力分量較小，導(dǎo)致火源在車廂上游和下游方向存在差異；當(dāng)施加縱向通風(fēng)風(fēng)速不斷增大，縱向通風(fēng)慣性力將占主導(dǎo)地位，此時(shí)完全無煙氣蔓延至車廂區(qū)域(煙氣逆流長度為0)，坡度已無顯著影響；當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，火源在車廂上游方向，煙氣逆流長度減小幅度為0.75 m每1%坡度；火源在車廂下游方向，煙氣逆流長度增大幅度為0.5 m每1%坡度。

圖7 不同隧道坡度與縱向通風(fēng)風(fēng)速情況下煙氣逆流長度Fig.7 Smoke back-layering length under different tunnel slopes and longitudinal ventilation wind speeds

3 結(jié)論

1)當(dāng)隧道存在坡度情況下，火源與列車相對位置對火災(zāi)煙氣蔓延具有顯著影響。火源位于車廂上游方向時(shí)，煙氣主要向遠(yuǎn)離車廂一側(cè)蔓延，煙氣逆流長度隨坡度增大而減小；火源位于車廂下游方向時(shí)，煙氣主要向車廂一側(cè)蔓延，煙氣逆流長度隨坡度增大而增大。

2)當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，火源在車廂上游方向，煙氣逆流長度減小幅度為0.75 m每1%坡度；火源在車廂下游方向，煙氣逆流長度增大幅度為0.5 m每1%坡度。

3)當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2 m/s時(shí)，火源位于車廂上下游方向均無煙氣蔓延，煙氣逆流長度為0。