毛 軍,郗艷紅,樊洪明

(1.北京交通大學土木工程學院,北京 100044;2.北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100022)

隧道列車火災的頂棚射流平均溫度分布

毛 軍1,郗艷紅1,樊洪明2

(1.北京交通大學土木工程學院,北京 100044;2.北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100022)

列車著火并停留在隧道內時,容易產生夾帶火焰的頂棚射流。通過建立列車中部著火時火焰頂棚射流的一維單元控制體模型,考慮火焰煙氣與隧道壁面和列車壁面之間的換熱,導出列車火災火焰頂棚射流平均溫度的迭代計算公式。并通過隧道列車火災的1∶8縮尺模型實驗和數值模擬計算,確定了迭代公式中的待定系數。由該公式經過迭代運算后得到的平均溫度值與實測值吻合較好,最大誤差不超過7%,驗證了公式的可靠性。結果表明：列車上方和離開列車進入隧道的火焰頂棚射流的平均溫度均沿隧道縱向呈指數形式變化,但變化的程度不同。通過分段擬合的方法,分別給出了兩段頂棚射流的平均溫度沿隧道縱向變化的預測公式。對隧道列車火災的報警參數選擇及裝置設置、乘客安全疏散,以及分析火災對隧道襯砌結構的破壞作用等均具有一定的參考價值。

隧道;列車火災;溫度;火焰;頂棚射流

在地鐵隧道列車火災中,由于列車和頂棚之間的空間較小,常常會形成夾帶火焰的煙氣羽流和頂棚射流,這一情形有時也出現在建筑走廊內的火災蔓延過程中。對純煙氣羽流撞擊頂棚的情況已有諸多研究[1-6],但是對夾帶火焰的煙氣直接撞擊頂棚的情況研究卻很少。H ink ley等人對夾帶火焰頂棚射流的研究具有代表性[7]。他們將一個槽狀容器倒置過來模擬建筑走廊,在槽道內靠一端的位置設置一多孔氣體燃燒器,以富空氣的城市煤氣為燃料,通過實驗得到了頂棚下的水平火焰長度的經驗公式,但未對溫度分布情況進行研究。而且,H ink ley等人實驗中的槽道類似于獨頭巷道的情形,與地鐵隧道相比差距較大。毛軍等[8]使用庚烷作為燃料,在地鐵隧道列車火災的1∶8縮尺模型實驗裝置上進行燃燒實驗,分析了列車中部著火時的火焰頂棚射流最高溫度的變化規(guī)律。由于火焰頂棚射流的最高溫度一般出現在隧道頂棚壁面附近,所以僅了解最高溫度的變化規(guī)律而不掌握平均溫度的分布規(guī)律,還難以對火焰向隧道和車體以及空氣的傳熱進行分析,從而影響到人員疏散和應急救援方案的制定。此外,火焰頂棚射流現象易出現在地鐵隧道列車火災中,該文以地鐵隧道列車中部著火為例,對其火焰頂棚射流的平均溫度分布規(guī)律進行研究,以便為科學地實施隧道列車火災的安全救援提供依據。

1 隧道內自由對流狀態(tài)的火焰頂棚射流平均溫度的理論預測

地鐵列車頂部著火并停留在隧道內后,需要將地鐵隧道通風系統(tǒng)由正常通風模式轉變?yōu)榉罏呐艧熌Ｊ?。這一轉變過程需要一定的時間。同時,從火災報警到救災決策,再到執(zhí)行防災排煙模式也需要一定時間。在排煙模式啟動前,隧道內沒有機械通風,隧道內的火焰和煙氣處于自然擴展狀態(tài),火焰自然撞擊隧道頂部壁面,形成沿隧道縱向擴展的自由火焰頂棚射流。在列車頂部到隧道頂部的空間內可能出現火焰和煙氣共存的情況。在火焰層和煙氣層內,各層高度方向上的溫度近似均勻分布。但在隧道長度方向,由于列車和隧道的壁面與火焰和熱煙氣的相互作用,溫度是逐漸變化的。因此,需要分析溫度沿隧道縱向的平均溫度的變化規(guī)律。圖1是地鐵隧道內列車中部著火時頂棚射流的二維非穩(wěn)態(tài)模型,火焰和煙氣與隧道壁面和列車壁面之間呈自然對流狀態(tài)。

圖1 地鐵隧道列車火災的火焰頂棚射流模型

圖1中,y是離火源中心線的坐標,dy是單元控制體的縱向長度,m,H是火源的火焰底面到隧道頂棚的距離,m,h是y處單元控制體的高度,m;u是火焰煙流的縱向蔓延速度,m/s,和分別是縱向流入和流出單元控制體的質量流量,kg/s,﹒mw是火焰區(qū)單元體所卷吸的氣體質量流量,kg/s分別是火焰煙流對隧道壁面和列車壁面的熱交換功率,kW,各包括對流熱和輻射熱兩部分。火焰與煙氣的溫度較接近,它們之間的熱擴散較小,這里忽略不計。同時,為了分析火焰和煙氣沿隧道縱向的溫度變化規(guī)律,只考慮火源功率和煙流溫度都最終達到穩(wěn)定狀態(tài)的情況,做如下假設[4]：

1)隧道火焰和煙氣的密度僅隨溫度變化,隧道內壓力變化不大,氣體狀態(tài)按等壓過程處理。

2)隧道內的火焰和煙氣的寬度沿縱向近似不變(在后面的模型實驗中可以觀察到)。

3)列車上方的火焰卷吸的空氣量較小,火焰與煙氣有明確穩(wěn)定的分界面。

4)按恒定火源考慮,即熱釋放速率不隨時間變化。

5)燃燒穩(wěn)定后,夾帶火焰的煙流的溫度不隨時間變化,這在實驗中得到了驗證。

6)引入雙層區(qū)域模擬思想,假定火焰層和煙氣層內在高度方向的熱物性均勻一致,對高度方向上的熱物性參數進行平均化處理,即在任意y處的火焰層和煙氣層內,密度和溫度與該處的高度無關。

根據上述假設,在火焰區(qū)選取尺寸為B×dy×h的微元控制體,B是控制體的寬度(x方向),m,h是厚度,m?？刂企w內的火焰應滿足連續(xù)性方程和能量方程,即：

其中,和分別是過流斷面上煙氣與隧道和列車的壁面接觸的周長(即濕周),dA1和dA2分別是與隧道和列車壁面的接觸面積,表面換熱系數α包括對流與輻射2部分的系數,α=αc+αr。

1.1 對流換熱系數的計算

1.2 輻射換熱系數的計算

煙氣輻射率(黑度)：εg≈0.8[12]

1.3 隧道和列車壁面與火焰煙流的熱交換

式中,壁面溫度T1、T2與熱煙流溫度T有關。由后面的實驗和數值模擬計算可知,自然對流換熱的熱交換功率小于輻射換熱的熱交換功率;隧道壁面溫度與夾帶火焰的煙流溫度的比值為一常數,設為 φ1;列車表面溫度與煙流溫度的比值也為一常數,設為φ2,則有：T1=φ1Tf,T2=φ2Tf。將它們代入式(7)可得：

而﹒m0=ρuBh,we=βu,卷吸常數β= 0.000 15[15],可見,相對于隧道火災煙流的質量流量而言,卷吸速度we很小,火焰煙流的水平卷吸質量較少,對能量交換的貢獻也較小,所以式(11)可以簡化為：

式(13)為無機械通風條件下,火焰頂棚射流煙流平均溫度的縱向變化規(guī)律。其中,ψ1、ψ2是組合系數,它們以及L1、L2、φ1、φ2、u、h、B、T1、T2和典型位置的Tf等需通過實驗和數值模擬得到。

2 列車火災的火焰頂棚射流的模型實驗

通過1∶8縮尺比例的模型實驗和相似性分析可研究隧道列車火災中夾帶火焰的煙氣頂棚射流的溫度特性。模型實驗中,不開啟機械通風系統(tǒng)。隧道內的煙氣流動是燃料燃燒產生的熱量驅動的,即在隧道列車火災中,浮力效應起主導作用,火源附近的煙氣流動為重力流。因此,采用弗勞德準則作為相似準則[16]。

由于實際地鐵隧道火災的熱釋放速率一般為0～5～10MW[17],利用相似關系可以換算出模型隧道火災的熱釋放速率應為0～27～55 kW,因此,燃料采用庚烷,燃料用量分別為100 m L、150 m L、200 m L、250和350m L,油面距離隧道頂面的高度均為200mm,列車的尺寸為260mm×3 000 mm×350 mm。模型隧道的幾何結構尺寸、模型列車的位置及各物理量測點的布置如圖2所示。編號分別為110、107、105、108和207的溫度測點離隧道頂的距離分別為25、50、100、250和350 mm,溫度測量采用直徑為0.2mm的K型鎧裝銅—康銅熱電偶,其外層是直徑為1mm的不銹鋼包層,精度0.1℃。

圖2 地鐵隧道模型的幾何結構及測點布置圖(幾何尺寸單位：mm)

采用質量損耗率法測定熱釋放速率：Q= φ﹒mΔH。其中,φ為可燃物的燃燒效率,與可燃物種類及燃燒狀況有關。正庚烷在供氧充足條件下的φ =93%。﹒m為質量損失速率,將支承油盤的支架安裝在電子天平上,電子天平實時監(jiān)測燃料質量隨時間的變化情況;采樣間隔為10 s,燃燒時間2～10 min,由此換算得到 ﹒m。ΔH為可燃物的熱值,正庚烷的燃燒熱值為48.24 kJ/g。經過計算,燃料用量為100、150、200和250 m L時,在模型隧道中完全燃燒所需的氧氣充足,故取φ=93%,相應的熱釋放速率分別為28.31、33.53、38.22、38.66和42.98 kW。實測的溫度值將在后面與數值模擬的結果進行比較。

3 火焰頂棚射流的數值模擬

由于溫度測點有限,為了獲得隧道火災的詳細信息及更多的溫度數據,對隧道列車火災中夾帶火焰的煙氣頂棚射流進行數值模擬計算。并與模型實驗中不同熱釋放速率、不同斷面處的溫度進行了對比分析。

3.1 數值模擬條件的設定

采用PHOENICS3.6軟件,按實驗模型中的相應尺寸建模進行數值模擬計算。計算域的尺寸為556mm×8 640mm×627 mm,劃分為18 200個控制容積,火源處及環(huán)形空間處的網格加密,如圖3所示。(X,Y,Z)和(x,y,z)分別是數值模擬和溫度分析的坐標系。模型實驗中燃料的燃燒時間一般在200 s左右,故數值模擬的時間取為206 s。時間采用均步,共分為10步,每20.6 s一步,內迭代次數為1 500。計算各點的速度分量u、v、w,壓強P,溫度T,煙氣質量濃度C,湍流動能k和湍流動能耗散率ε等。

圖3 列車中部著火模擬計算的縱斷面和橫斷面的網格圖

初始條件：假定在初始時刻(t=0)隧道內壓強P=P0,速度分量u=0、v=0、w=0,溫度T0=289 K,煙氣質量濃度C=0在火源處,煙氣質量濃度C= 0.05;火源功率按照實驗計算得出的數值進行設定。

邊界條件：隧道進口,給出速度條件,初始速度為0,溫度T=16℃,煙氣濃度為0;隧道出口,給出壓力條件,出口邊界使用充分發(fā)展條件,即在出口斷面上的節(jié)點參數值對于出口邊界內側最鄰近節(jié)點參數無影響。

隧道壁面：在隧道圍護結構固體壁面及列車側壁表面上,速度分量均采用無滑移邊界條件。隧道及列車壁面均采用鋼質材料,壁面函數采用對數壁面率,粗糙度均取為0.013 mm,輻射系數設為0.85。

煙氣介質所含顆粒群的吸收率和散射系數比氣體大得多,可近似視為灰體,吸收率等于輻射率,為0.77;散射系數為 0.23,輻射換熱模型選用IMMERSOL模型[18]。

3.2 溫度實測數據與數值模擬計算結果的對比分析

對燃料用量分別為100m L、150m L、200 m L、250 m L時的溫度進行模型實驗和數值模擬,結果表明：煙氣層溫度時變規(guī)律的實測值與數值模擬值基本吻合,火源上方溫度測點110、107、105的最大誤差分別為6%、5%和19%,最小誤差分別為0%、1%和0%。列車前后方溫度測點108和207的最大誤差分別為35%和12%,最小誤差分別為2%和1%;平均誤差分別為20%和8%。溫度測點108遠離火源而靠近進風口,溫度較低,在15～30℃之間,測量誤差較大。而在高溫區(qū)的溫度測點的測量誤差均較小?？梢哉J為在各種火災工況下,火焰溫度的數值模擬結果可信。圖4、圖5給出了各個測點(其位置參見圖2)溫度時變曲線的實測與數值模擬結果的對比情況。因此,通過數值模擬獲取溫度分布數據,以便結合實驗數據更準確地確定平均溫度的迭代公式中的待定系數。

圖4 燃料150m L的溫度時變曲線-實測與模擬比較

圖5 燃料200m L的溫度時變曲線-實測與模擬比較

4 火焰頂棚射流的平均溫度的縱向變化規(guī)律

前面推導的公式(13)可用于地鐵隧道列車著火后,火災在隧道內自然燃燒和蔓延的情況(有機械通風的情況另文研究)。該式是比較繁瑣的指數函數形式,下面通過實驗和模擬數據確定其中的待定系數,并對其進行簡化處理,以得到簡便實用的計算公式。以燃燒250 m L庚烷的數據為例,通過迭代計算可求出不同縱向斷面位置的火焰煙流的平均溫度,并擬合出其隨距離變化的曲線,得到理論預測公式(13)的簡化公式(14),如圖6所示。

ˉTC=253.916,DC=234.016,l=0.75,相關系數為0.998 75。

圖6表明：由理論預測公式(13)得到的計算值與數值模擬值在列車長度范圍內吻合較好,最小誤差為0.7%,最大誤差為5.04%。A點是列車端點,煙流離開A點沿著坐標軸方向進入隧道后,卷吸冷空氣的流量突然增大,使溫度快速下降(如AB曲線段)。因此,在A點附近存在溫度變化幅度較大的過渡區(qū),預測誤差增大到6.88%;隨著距離的增加,預測誤差繼續(xù)增大,最大可達16%。可見,火焰煙流的平均溫度在環(huán)形空間和隧道內都以指數形式衰減,但衰減的程度不同,可以通過分段擬合的方法對理論預測公式進行修正,從而得到式(15)。

圖6 火焰頂棚射流的平均溫度隨著縱向距離變化的情況

當0.272 5 m＜y＜1.498 8 m時,ˉTC= 227.867,DC=250.156,l=1.030 9,相關系數為0.996 9;

當1.498 8 m＜y＜1.907 5 m時,ˉTC= 245.835,DC=364 181.681,l=0.175,相關系數為0.979 9。

5 結 論

1)針對隧道列車中部著火時形成火焰頂棚射流的情況,建立二維單元控制體模型,對夾帶火焰的火焰頂棚射流的平均溫度進行了理論分析,并推導出其迭代計算公式。

2)通過1∶8縮尺比例的模型實驗和數值模擬計算,分析了夾帶火焰的煙氣頂棚射流平均溫度的特性,確定了所推導的迭代計算公式中的待定系數,給出了簡便實用的平均溫度經驗公式。

3)在隧道列車火災中,列車上方環(huán)形空間內的火焰煙流的平均溫度以指數形式衰減;火焰煙流由環(huán)形空間進入隧道后,因卷吸的冷空氣增多而使溫度快速下降,煙流的平均溫度以另一指數形式衰減。因此,在列車兩端附近存在溫度變化幅度較大的過渡區(qū)。

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(編輯 王秀玲)

Average Tem perature Distribution of the Ceiling Jet in Train Fires in Tunnels

MAOJun1,XIYan-hong1,FANHong-ming2

(1.The Civil Engineering of Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,P.R.China; 2.The Collage of A rchitecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100022,P.R.China)

The flame ceiling jet is easily formed while the on-fire train stops in the tunnel.The iterative formula is derived to calculate the average temperature of the flame ceiling jet when the fire source is seton the center of the train by establishing a one-dimensional model of the unit control volume,and the heat exchange is considered among the flame smoke and thewall of the tunneland the train.Undetermined coefficients in the iterative formula are determined by small-scale model experiments with the scale factor of 1：8 and numerical simulation.The calculated values of temperature by the iterative formula are consistentwell with the measured values,and the maximum errorof calculation isnomore than 7%,which indicates that the iterative formula is reliable.The results show that the distributions of the average temperatureof flame ceiling jetare in theexponential form,but there are some differences between thatabove the train and that in the tunnel.Two prediction formulas for the flame ceiling jetaverage temperature changing along the longitudinal tunnel are obtained by the sub-fitting method.The results can provide reference for the alarm parameter selection,device settings in tunnel,safety evacuation of the passenger,aswellas the analysisof the destructive effectson the tunnel lining structure caused by tunnel fire.

tunnels;train fires;temperature;flame;ceiling jet

U458.1

A

1674-4764(2011)02-0086-06

2010-08-15

北京市自然科學基金重點資助項目(8101004);國家科技部重大基礎研究前期專項研究資助項目(2005CCA04700)

毛軍(1966-),男,博士,副教授,碩士生導師,博士生副導師,主要從事安全技術與工程及流體力學與高速列車空氣動力學研究,(E-mail)jmao@b jtu.edu.cn。