陳　霖 畢海權(quán) 劉小霞 王　菁

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地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速數(shù)值模擬分析

陳霖 畢海權(quán) 劉小霞 王菁

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

以目前工程上采用側(cè)式疏散平臺進(jìn)行火災(zāi)人員疏散救援的地鐵區(qū)間隧道為背景，使用三維CFD軟件“STAR-CCM+”對隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過建立更為真實(shí)的隧道火災(zāi)場景，即將列車阻塞以及疏散門開啟影響因素引入火災(zāi)計算模型，得到了不同熱釋放速率下的臨界風(fēng)速，從而為地鐵工程排煙系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

STAR-CCM+；地鐵隧道火災(zāi)；臨界風(fēng)速；數(shù)值模擬

0 引言

當(dāng)區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時，一般采用縱向通風(fēng)對煙氣進(jìn)行控制，使煙氣在隧道內(nèi)僅沿某一方向蔓延，從而在火源上游方向形成一個單側(cè)的無煙安全疏散通道，以保證人員的安全撤離。工程上一般按能夠抑制煙氣不發(fā)生逆流的最小風(fēng)速進(jìn)行通風(fēng)，即臨界風(fēng)速。

目前，關(guān)于隧道火災(zāi)縱向煙氣控制的臨界風(fēng)速研究已取得了較多的成果[1-7]，但仍存在一些不足，如：大部分學(xué)者的研究成果并未考慮列車阻塞效應(yīng)對臨界風(fēng)速的影響，少部分學(xué)者即使考慮阻塞也僅僅是將列車簡化為一個實(shí)體。然而，地鐵新型列車內(nèi)部車廂之間均貫通，車廂兩端并無隔斷門，區(qū)間隧道人員的救援采用側(cè)式疏散平臺進(jìn)行疏散，停車救援時疏散側(cè)門全部開啟，此時車廂內(nèi)部著火后的煙氣蔓延特性較以往的研究模型有很大差異。因此，以目前工程上采用側(cè)式疏散平臺進(jìn)行火災(zāi)人員疏散的區(qū)間隧道為背景，建立更為真實(shí)的隧道火災(zāi)場景進(jìn)行臨界風(fēng)速的研究將非常有意義。

本文采用STAR-CCM+三維數(shù)值模擬計算軟件，通過數(shù)值試驗(yàn)方法，對既有區(qū)間隧道火災(zāi)縱向煙氣控制進(jìn)行研究，通過將列車阻塞與疏散門開啟影響因素引入數(shù)值計算模型，模擬得到了不同熱釋放速率下的臨界風(fēng)速。

1 計算模型及驗(yàn)證

1.1 幾何模型

臨界風(fēng)速數(shù)值計算研究對象為設(shè)有側(cè)式疏散平臺的圓形盾構(gòu)區(qū)間隧道，如圖1所示。列車采用B型車，尺寸120m×2.8m×3.8m，車廂內(nèi)部全部貫通。為反應(yīng)真實(shí)火災(zāi)場景，火源設(shè)置在中部車廂內(nèi)部，疏散側(cè)門全部打開，且著火車廂窗戶已全部燒壞?？紤]到實(shí)際火災(zāi)一般發(fā)生在一段區(qū)間隧道內(nèi)，只需對火災(zāi)區(qū)間隧道進(jìn)行通風(fēng)[8]，因此物理模型只按一段考慮，本文取隧道計算長度為300m。隧道-列車模型如圖2所示，隧道斷面具體參數(shù)如表1所示。

圖1 區(qū)間隧道橫斷面尺寸示意圖

圖2 地鐵隧道-列車模型

表1 各隧道斷面參數(shù)

1.2 計算方法

本文采用STAR-CCM+內(nèi)嵌套的火災(zāi)模塊進(jìn)行火災(zāi)模擬分析，該軟件應(yīng)用的控制方程、湍流模型、燃燒模型、離散方法及壁面處理等計算方法詳見用戶使用手冊的物理模型及火災(zāi)模塊章節(jié)[9]，這里僅對其做簡單介紹。

基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程。湍流計算采用兩方程模型進(jìn)行求解，近壁區(qū)流場及溫度場的求解采用All y+壁面函數(shù)處理法。燃燒模型采用體積熱源模型（Voumetric Heat Source Model，VHS），即將火源設(shè)定為一個固定體積的具有相當(dāng)熱釋放速率的熱源，忽略化學(xué)反應(yīng)過程。

1.3 網(wǎng)格劃分

參考FDS火災(zāi)模擬軟件的用戶使用手冊[10]，采用火源特征直徑來確定火源附近的網(wǎng)格大小，定義如下：

1.4 初始條件及邊界條件

襯砌為混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.5m；土壤恒溫層取18℃，初始環(huán)境溫度為20℃，模擬最大時間為900s。隧道壁面及列車表面為無滑移的wall邊界，其中，隧道壁面粗糙高度為0.4mm，列車壁面粗糙高度為0.1mm。為實(shí)現(xiàn)與實(shí)際隧道縱向排煙相同的效果，本文將隧道一端設(shè)為速度入口邊界，一端設(shè)為壓力出口邊界。

1.5 計算工況

通風(fēng)排煙系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵就是確定火災(zāi)熱釋放速率，根據(jù)國內(nèi)外列車隧道火災(zāi)的研究，隧道火災(zāi)熱釋放速率峰值一般為5～31.1MW[11]，其中乘客附帶行李完全燃燒的熱釋放速率約為2.5MW。本文對不同火災(zāi)熱釋放速率下的縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速進(jìn)行計算，模擬工況如表2所示。工況說明：以熱釋放速率2.5MW 為例，則包含4種工況，即0.8m/s、0.9m/s、1.0m/s、1.1m/s。

表2 縱向通風(fēng)計算工況

1.6 可靠性驗(yàn)證

考慮到本文為首次采用STAR-CCM+進(jìn)行臨界風(fēng)速計算，因此，模擬結(jié)果的可靠性需得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這里通過文獻(xiàn)[12]中的隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)進(jìn)行臨界風(fēng)速計算結(jié)果的可靠性驗(yàn)證，即按照文獻(xiàn)所采用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對比。

圖3為限制風(fēng)速下隧道內(nèi)煙氣溫度分布云圖。從圖中可以看出，采用STAR-CCM+進(jìn)行隧道火災(zāi)模擬時，可很好的預(yù)測煙氣的分布形態(tài)。

圖3 限制風(fēng)速下隧道縱斷面煙氣溫度分布云圖（Q=3.9kW，Vc=0.32m/s）

圖4給出了模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬回流長度-風(fēng)速曲線的比較圖。其中，為回流長度，為縱向通風(fēng)速度。通過將曲線進(jìn)行延伸擬合，分別得到試驗(yàn)與數(shù)值計算的臨界風(fēng)速值為0.52m/s、0.485m/s，模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差在8%以內(nèi)，顯然，采用STAR-CCM+進(jìn)行臨界風(fēng)速研究可行。

圖4 回流長度—速度曲線結(jié)果對比

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在縱向通風(fēng)的作用下，隧道拱頂下方的火災(zāi)煙氣溫度在煙氣逆流前鋒的位置將出現(xiàn)驟降[12]，根據(jù)這一特征，這里采用與試驗(yàn)驗(yàn)證相同的方法，通過分析穩(wěn)態(tài)時火災(zāi)煙氣的溫度場來確定各風(fēng)速下的煙氣回流長度，然后繪制煙氣回流長度-風(fēng)速關(guān)系曲線，通過延伸擬合得到各工況下的臨界風(fēng)速。以5MW為例，圖5給出了通過擬合得到的臨界風(fēng)速下的縱向煙氣溫度分布云圖，從圖中可以看出，采用擬合的方法可行。

圖5 臨界條件下縱向溫度分布（Q=5MW，Vc=1.475m/s）

圖6給出了不同熱釋放速率下的臨界風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可知，在一定范圍內(nèi)，隨著火災(zāi)熱釋放速率的不斷增大，縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速也逐漸增大，但當(dāng)熱釋放速率大于10MW時，臨界風(fēng)速不再隨熱釋放速率的增大而增大，而是保持一定值。

圖6 臨界風(fēng)速隨熱釋放速率的變化關(guān)系

對于既有區(qū)間隧道（最大車速為80km/h）而言，工程上一般按熱釋放速率為7.5MW進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，規(guī)定火災(zāi)工況下縱向最小通風(fēng)速度不低于2m/s，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，在實(shí)際隧道火災(zāi)熱釋放速率難以確定的情況下，2m/s的縱向通風(fēng)速度完全可以保證不同火災(zāi)規(guī)模下的煙氣不發(fā)生回流。

3 結(jié)論

在實(shí)際隧道火災(zāi)中，影響縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速的因素較多，臨界風(fēng)速研究的發(fā)展趨勢將是模型的進(jìn)一步精確化。本文通過采用CFD軟件“STAR-CCM+”建立更為真實(shí)的全尺寸地鐵隧道火災(zāi)場景，對既有區(qū)間隧道（最大車速80km/h）縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

（1）采用STAR-CCM+內(nèi)嵌火災(zāi)模塊進(jìn)行隧道火災(zāi)計算可很好的預(yù)測煙氣的分布形態(tài)，同時對縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速的研究也較為準(zhǔn)確。

（2）在一定范圍內(nèi)，臨界風(fēng)速值隨著熱釋放速率的增大而不斷增大，但當(dāng)熱釋放速率大于10MW時，臨界風(fēng)速不再隨熱釋放速率的增大而變化，各熱釋放速率下的臨界風(fēng)速均小于2m/s。

（3）實(shí)際地鐵工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，在列車熱釋放速率難以確定的情況下，當(dāng)前《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的最小通風(fēng)速度（不低于2m/s）可以保證不同火災(zāi)規(guī)模下的煙氣不發(fā)生回流。

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Numerical Simulation Study on Critical Velocity in Subway Tunnel Fire

Chen Lin Bi Haiquan Liu Xiaoxia Wang Jing

( Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

Under the background of widely used subway tunnel equipped with lateral evacuation platform for the fire evacuation and rescue, the paper uses the new generation of CFD software “STAR-CCM+”, applies the numerical simulation model to study the critical velocity of subway tunnel fires in longitudinal ventilation. The paper establishes a more real tunnel fire scene by introducing the influencing factors of blocked train and opened evacuation doors to the fire calculation model. At last, the paper obtains the critical velocity in the different heat release rate, which can provides reference for the design of the metro engineering exhaust system.

star-ccm+; subway tunnel fire; critical velocity; numerical simulation

1671-6612（2017）03-245-04

TU998.1

A

陳 霖（1990-），男，在讀碩士研究生，E-mail：cqw199034@126.com

畢海權(quán)（1974-），男，博士研究生，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-03-18