朱 凱，程旭東，張少剛，姚勇征，張瑞芳，楊 暉

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026)

阻塞條件下地鐵隧道坡度對煙氣逆流長度影響研究

朱 凱，程旭東，張少剛，姚勇征，張瑞芳，楊 暉*

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026)

在隧道縱向通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，煙氣逆流長度是至關(guān)重要的參數(shù)，傳統(tǒng)的理論預(yù)測模型多適用于公路隧道，對阻塞條件下有坡度的地鐵隧道煙氣逆流長度的研究較少。通過理論分析、縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬，推導(dǎo)了適用于阻塞條件下有坡度的地鐵隧道的無量綱煙氣逆流長度模型，得到了煙氣逆流長度隨坡度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，基于FDS模擬的水平地鐵隧道煙氣逆流長度與實驗結(jié)果變化規(guī)律基本一致，該FDS模型可以研究不同坡度工況，且逆流長度隨著坡度的增加呈增加趨勢。

地鐵隧道；逆流長度；坡度；阻塞條件

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，人民生活水平得到提高，各大城市開始面臨日益加重的交通擁堵問題，為緩解此類問題，地鐵交通系統(tǒng)作為一種有效手段應(yīng)運(yùn)而生，在很多城市得到迅速發(fā)展[1]。但隨之而來的火災(zāi)風(fēng)險也不容小視，2003年2月18日，韓國大邱中央路站，一名患有精神病的乘客點燃了隨身攜帶的液體燃料瓶，導(dǎo)致火災(zāi)悲劇的發(fā)生，火災(zāi)造成192人死亡，147人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約5億元人民幣[2]。由于地鐵隧道為狹長封閉空間，發(fā)生火災(zāi)后空氣供給嚴(yán)重不足，燃燒將會產(chǎn)生大量高溫有毒有害氣體，據(jù)有關(guān)資料顯示，火災(zāi)中因煙氣死亡的比例達(dá)到78.9%，因此研究地鐵隧道煙氣的運(yùn)動規(guī)律十分重要[3]。

煙氣逆流長度是隧道火災(zāi)中表征煙氣運(yùn)動的重要參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量理論分析、實驗和數(shù)值模擬研究。

Thomas[4]首先提出用縱向通風(fēng)來控制隧道煙氣蔓延的方法，基于理論分析，提出在縱向通風(fēng)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣逆流長度預(yù)測模型。Hu等[5]進(jìn)行了全尺寸實驗及FDS數(shù)值模擬，對推導(dǎo)的煙氣逆流長度的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗證，通過結(jié)果對比表明該公式可以用于對公路隧道煙氣逆流長度的預(yù)測。Li等[6]采用無量綱分析和縮尺寸實驗相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)無量綱煙氣逆流長度隨無量綱火源功率的三分之一次方變化，得到相關(guān)關(guān)系式。唐等[7]改變障礙物和火源之間的相對位置，研究其對煙氣逆流長度的影響。Weng等[8]基于CFD數(shù)值模擬和縮尺寸實驗，得到了用于預(yù)測地鐵隧道內(nèi)煙氣逆流長度的經(jīng)驗公式。Tang等[9]研究了在縱向通風(fēng)和頂棚排煙共同作用下煙氣逆流長度的變化規(guī)律，通過小尺寸實驗得到預(yù)測逆流長度的無量綱參數(shù)。

坡度對煙氣的擴(kuò)散也有著很大的影響，坡度產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)將會改變火災(zāi)煙氣的運(yùn)動規(guī)律，因此Atkinson和Wu[10]選擇傾角為0°到10°的隧道進(jìn)行研究，通過和前人實驗進(jìn)行對比，得出臨界風(fēng)速和隧道坡度的關(guān)系；Yi等[11]使用1∶10的縮小隧道模型，研究-3%, -1.8%, -1%, 0%, 1%, 1.8% 和 3%幾種工況下臨界風(fēng)速的變化情況，通過分析給出臨界風(fēng)速模型；Zhong等[12]采用全尺寸研究方法，對自然通風(fēng)條件下傾斜彎曲隧道的煙氣運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對各火災(zāi)階段隧道煙氣溫度分布、逆流長度進(jìn)行分析。Chow等[13]采用縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對傾角為0°、3°、6°和9°的隧道臨界風(fēng)速進(jìn)行研究，基于實驗和數(shù)值模擬提出傾斜隧道臨界風(fēng)速的預(yù)測公式。

目前，前人主要對公路隧道煙氣逆流長度進(jìn)行了研究，地鐵隧道相比于公路隧道更為狹小，空氣卷吸效應(yīng)和壁面熱反饋都將增強(qiáng)，這些都將影響地鐵隧道中的煙氣逆流長度。同時，當(dāng)?shù)罔F隧道內(nèi)存在障礙物時，主要為地鐵列車，其阻塞比一般在0.5左右，大于一般公路隧道阻塞比，阻塞效應(yīng)比公路隧道明顯。而且大多數(shù)研究只考慮坡度對臨界風(fēng)速的影響，坡度對煙氣逆流長度存在何種影響研究不多。綜上所述，考慮地鐵隧道阻塞效應(yīng)和坡度效應(yīng)綜合影響下，研究火災(zāi)中煙氣的逆流長度變化特征具有重要的意義。因此本文采用無量綱分析、縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬，以探究阻塞情況下，坡度地鐵隧道內(nèi)煙氣的逆流長度變化規(guī)律。

1 無量綱分析

前人研究表明[6, 14]，煙氣逆流長度和以下參數(shù)相關(guān)：火源功率、縱向通風(fēng)風(fēng)速、隧道高度、空氣密度、環(huán)境溫度、空氣定壓比熱和重力加速度。相關(guān)物理量、符號及量綱如表1所示，煙氣逆流長度可以用式(1)表示：

f(L,H,Q,V,Ta,ρa(bǔ),g,Cp)=0

(1)

選取L，T，M，Θ作為基本量綱，其余作為導(dǎo)出量綱，則其他四個參數(shù)可以用以下四個方程表達(dá)：

(2)

通過計算，可以得到各公式中待定系數(shù)的值，結(jié)果如式(3)：

α1=-1,β1=γ1=ε1=0

α2=-2,β2=-3,γ2=-1,ε2=0

α3=0,β3=-2,γ3=0,ε3=1

α4=1,β4=-2,γ4=ε4=0

(3)

因此上述四個方程可以表達(dá)為：

(4)

根據(jù)計算，無量綱逆流長度表達(dá)式為：

(5)

Wu等[15]采用五種高度相同但隧道橫截面形狀不同的縮尺寸隧道進(jìn)行實驗，將數(shù)據(jù)與Oka和Atkinson的公式對比，發(fā)現(xiàn)公式并不能和實驗數(shù)據(jù)完全吻合，因此提出將隧道特征水力直徑作為無量綱火源功率的特征長度[16]，特征水力直徑的計算方式如式(6)所示：

(6)

(7)

將式(7)代入式(6)，特征水力直徑可表示為：

(8)

基于以上分析，煙氣逆流長度可以表示為：

(9)

圖1 坡度隧道示意圖Fig.1 Schematic of inclined model subway tunnel

編號物理量符號量綱1逆流長度LL2隧道高度HL3火源功率QML2T-34縱向通風(fēng)風(fēng)速VLT-15環(huán)境溫度TaΘ6空氣密度ρa(bǔ)ML-37重力加速度gLT-28空氣定壓比熱CpLT-2

2 縮尺寸實驗簡介

2.1 物理模型

本文采用1∶10縮尺寸模型試驗臺。試驗臺全長14 m，寬0.4 m，高0.5 m。隧道模型全部采用不燃材料，隧道頂部、底部采用防火板，側(cè)壁為方便觀察，一側(cè)采用耐火玻璃，一側(cè)采用防火板，如圖2(a)所示。隧道一側(cè)為進(jìn)口，安裝有軸流風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)入口處設(shè)置格柵，為隧道提供均勻穩(wěn)定的縱向通風(fēng)，如圖2(b)所示。

圖2 縮尺寸隧道實驗臺Fig.2 The photos of the reduced- scale subway tunnel

隧道另一側(cè)為出口，直通室外。隧道頂棚下方1 cm處設(shè)置有測量溫度的K型熱電偶，共布置56個熱電偶，熱電偶間隔0.25 m，熱電偶布置位置如圖3所示。隧道內(nèi)放置有列車模型，列車模型長1 m，寬0.3 m，高0.38 m，采用不燃材料，列車模型沿隧道中軸線放置。本實驗中采用穩(wěn)定的丙烷氣作為燃料，火源由氣罐、氣壓計、轉(zhuǎn)子流量計、多孔燃燒器組成，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計來改變不同火源功率。如圖4所示，實驗中采用的為0.15 m×0.15 m方形多孔燃燒器，內(nèi)置直徑約為1 mm的碎石，確保出氣均勻，燃燒過程穩(wěn)定，燃燒器表面緊貼隧道底部，和列車模型之間距離為0 m。

圖3 隧道斷面示意圖Fig.3 The sectional sketch of the reduced- scale subway tunnel

在隧道模型內(nèi)放置列車模型，處于水平狀態(tài)，模擬有阻塞工況，進(jìn)行30組實驗，具體工況如表2所示。

3 FDS數(shù)值模擬

3.1 FDS模型

本文采用數(shù)值模擬軟件FDS對不同坡度條件下火災(zāi)煙氣的運(yùn)動進(jìn)行模擬。FDS模型寬0.4 m、高0.5 m，與縮尺寸實驗臺相同；隧道內(nèi)設(shè)置有列車模型，長1 m，寬0.3 m，高0.38 m，表面設(shè)為“INERT”，如圖5所示。隧道入口設(shè)置為“SUPPLY”表面，出口設(shè)置為“OPEN”表面；火源設(shè)置為“BURNER”，采用HRRPUA的方式進(jìn)行功率控制，火源功率分別為2.79 kW、5.58 kW、8.38 kW、11.17 kW和16.67 kW；隧道內(nèi)外環(huán)境溫度均設(shè)置為10 ℃，大氣壓為101325.0 Pa。《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157- 2013)中規(guī)定隧道區(qū)間最大坡度一般不超過30‰，困難地段不超過35‰，為了便于研究不同坡度對煙氣輸運(yùn)規(guī)律的影響，參考前人對坡度隧道的研究進(jìn)展[10, 13, 19, 20]，選取0%，3%，6%，9%，12%，15%六種不同坡度工況進(jìn)行研究。每種工況的模擬時間均為600 s。

表2 本文實驗工況

圖4 列車模型圖片F(xiàn)ig.4 The picture of the model subway

本文共進(jìn)行150組FDS數(shù)值模擬，如表3所示。

圖5 FDS模型示意圖Fig.5 Schematic of FDS model

實驗編號火源功率Q/kW坡度/%縱向通風(fēng)風(fēng)速V/(m/s)1-302.7931-605.5861-908.3891-12011.17121-15016.670、3、6、9、12、150.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.3

3.2 FDS模型網(wǎng)格效驗

FDS用戶指南指出在進(jìn)行計算網(wǎng)格校驗時可以參考特征火源直徑和網(wǎng)格尺寸的比值，即D*/δx。特征火源直徑的定義為：

(10)

相關(guān)研究表明[14, 21]，當(dāng)比值D*/δx的取值在4～16之間時，數(shù)值模擬結(jié)果不依賴于網(wǎng)格尺寸，因此確保了結(jié)果的可信度。本文選取0.1 m、0.05 m、0.04 m和0.02 m四種網(wǎng)格進(jìn)行研究，檢驗FDS模型的網(wǎng)格獨立性。

首先選取火源下游方向1.5 m處垂直方向溫度分布進(jìn)行FDS模型網(wǎng)格效驗。由圖6可知，網(wǎng)格尺寸為0.1 m時，垂直方向上溫度分布出現(xiàn)震蕩，而較小網(wǎng)格尺寸的溫度分布曲線較為平滑。0.04 m和0.02 m計算結(jié)果較為接近，因此0.04 m和0.02 m網(wǎng)格可以用于FDS建模。

圖6 火源下游1.5 m處垂直方向不同網(wǎng)格尺寸溫度變化圖Fig.6 Predicted temperatures located 1.5 m downstream from the fire source in the vertical direction based on different grid sizes

其次將四種網(wǎng)格代入公式(10)中，D*/δx計算結(jié)果如表4所示。由表4可知，網(wǎng)格尺寸0.02 m時，其取值均處于4～16之間，將四種網(wǎng)格尺寸中溫度分布規(guī)律和公式(10)計算結(jié)果綜合考慮，本文中模型采用的網(wǎng)格尺寸為0.02 m。

表4 D*/δx計算結(jié)果

4 討論與分析

4.1 水平地鐵隧道煙氣逆流長度

(11)

式中V1為隧道上游縱向通風(fēng)風(fēng)速，m/s；ρ1為隧道上游空氣密度，kg/m3；A1為隧道上游橫截面積，m2；V2為列車區(qū)域縱向風(fēng)速，m/s，ρ2為列車處空氣密度，kg/m3；A2為列車區(qū)域隧道等效橫截面積，m2。

假設(shè)隧道內(nèi)空氣密度恒定不變，即ρ1=ρ2=ρ0，列車區(qū)域縱向風(fēng)速可表示為：

(12)

由公式(12)可知，當(dāng)隧道內(nèi)進(jìn)行縱向通風(fēng)時，因為地鐵列車存在，列車區(qū)域處截面積A2將發(fā)生變化，現(xiàn)定義隧道阻塞比φ：

(13)

式中At為地鐵列車橫截面積，m2。

因此列車區(qū)域縱向風(fēng)速V2可表示為：

(14)

圖7 隧道縱向通風(fēng)示意圖Fig.7 The schematic diagram of longitudinal ventilation

當(dāng)煙氣逆流長度小于列車長度時，公式(9)將表示為以下關(guān)系式：

(15)

隧道頂棚下方布置的K型熱電偶可以用來測量煙氣逆流長度，圖8給出了隧道穩(wěn)定狀態(tài)下如何從煙氣縱向溫度分布中得到煙氣逆流長度的方法。在溫度分布曲線圖中，我們可以找到具有明顯特征的熱電偶A和熱電偶B，熱電偶A的溫度接近室溫而熱電偶B為火源所在處溫度，熱電偶A與熱電偶B之間存在明顯溫升，因此我們定義熱電偶A、B之間的距離為煙氣的逆流長度，在縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬中，均采用該方法測量煙氣逆流長度。

圖8 縮尺寸隧道頂棚下方煙氣溫度分布示意圖Fig.8 Smoke gas temperature distribution underneath the ceiling indicating in the reduced- scale subway tunnel

圖9 水平條件下無量綱逆流長度結(jié)果Fig.9 Results of dimensionless back- layering length in the horizontal subway tunnel model

圖9為坡度為0%時，存在阻塞物的地鐵隧道無量綱逆流長度實驗與數(shù)值模擬結(jié)果。由圖9可見，當(dāng)坡度為0%時，數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果吻合的較好，煙氣逆流長度具有一致的變化趨勢，采用該模型對逆流長度進(jìn)行研究是可行的。在圖9中可以發(fā)現(xiàn)無量綱逆流長度曲線存在一個拐點，拐點左右區(qū)域1和區(qū)域2無量綱逆流長度曲線斜率不同，煙氣逆流長度在不同區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，區(qū)域1處煙氣逆流長度小于區(qū)域2處煙氣逆流長度。通過對實驗?zāi)M數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)拐點處煙氣逆流長度近似為列車模型長度，區(qū)域1逆流長度L均小于列車模型車長Lt，區(qū)域2逆流長度L均大于列車模型車長Lt。

圖10為煙氣逆流長度L小于列車車長Lt時的煙氣運(yùn)動受力圖。假定煙氣層厚度h、密度ρS和空氣密度ρ0保持不變，選取煙氣層內(nèi)單位體積的控制體進(jìn)行受力分析。隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動驅(qū)動力主要由因熱煙氣與空氣之間的密度差產(chǎn)生的靜壓力Ps和因溫度差產(chǎn)生的煙氣浮力Pbuoyancy提供，其計算公式如下：

(16)

式中Δρ為密度差，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為煙氣層厚度，m。

(17)

式中ρS為煙氣密度，kg/m3；ΔT為煙氣層與空氣層溫度差，K；T0為空氣層溫度，K；θ為隧道傾斜角。

在隧道內(nèi)縱向通風(fēng)將對煙氣向上運(yùn)動產(chǎn)生阻力Pd，其計算公式為：

(18)

式中ρ0為空氣密度，kg/m3；V為縱向通風(fēng)風(fēng)速，m/s。

圖10 隧道煙氣受力分析圖Fig.10 Stress analysis of the smoke in a slope subway tunnel

4.2 不同坡度條件下煙氣逆流長度模型及對比

圖11為坡度3%，6%，9%，12%和15%條件下，存在阻塞物的地鐵隧道無量綱逆流長度模擬結(jié)果。由圖11可知，在不同坡度條件下，由于列車阻塞效應(yīng)的存在煙氣逆流長度曲線都出現(xiàn)了拐點，阻塞效應(yīng)對煙氣逆流長度存在重要的影響；同時通過對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行擬合，得到對應(yīng)坡度條件下區(qū)域1和區(qū)域2的煙氣逆流長度公式。當(dāng)煙氣逆流長度大于列車車長時，縱向通風(fēng)風(fēng)速將不會因阻塞效應(yīng)而增大，因此區(qū)域2處將采用公式(9)進(jìn)行計算。根據(jù)實驗和模擬數(shù)據(jù)，將不同坡度條件下煙氣逆流長度公式進(jìn)行整理，結(jié)果如表5所示。

圖11 不同坡度條件下無量綱逆流長度結(jié)果Fig.11 Results of dimensionless back- layering length in subway tunnel model with different slopes

坡度區(qū)域1R2區(qū)域2R20%L*=5.32lnQ*1/3V*/1-φ()[]-0.690.977L*=35.02lnQ*1/3V*[]-43.760.9723%L*=4.67lnQ*1/3V*/1-φ()[]-0.130.951L*=45.55lnQ*1/3V*[]-53.750.9426%L*=3.77lnQ*1/3V*/1-φ()[]+0.390.963L*=53.89lnQ*1/3V*[]-63.600.9669%L*=3.53lnQ*1/3V*/1-φ()[]+0.710.937L*=56.61lnQ*1/3V*[]-64.440.96012%L*=4.42lnQ*1/3V*/1-φ()[]+0.950.916L*=59.80lnQ*1/3V*[]-67.640.96715%L*=5.08lnQ*1/3V*/1-φ()[]+1.110.937L*=64.57lnQ*1/3V*[]-71.790.971

圖12 不同坡度條件下區(qū)域1和區(qū)域2無量綱煙氣逆流長度對比圖Fig.12 Comparison of dimensionless back- layering length with different slopes in Part 1 and Part 2

如圖12所示，當(dāng)煙氣逆流長度處于相同區(qū)域時，隨著坡度的增加，煙氣逆流長度也隨之增加。主要原因是當(dāng)火源功率和縱向通風(fēng)風(fēng)速相同時，即縱向通風(fēng)而產(chǎn)生的阻力Pd和驅(qū)動煙氣的靜壓力Ps保持不變，煙氣浮力Pbuoyancy隨著坡度的增加而不斷增大，導(dǎo)致較高的坡度具有較長的煙氣逆流長度。由圖12可得，逆流長度并非和坡度呈線性關(guān)系，其主要原因在于煙氣浮力Pbuoyancy除受到坡度影響，還與煙氣溫度有關(guān)，在阻塞效應(yīng)和坡度的共同作用下，煙氣與隧道壁面熱交換過程復(fù)雜，區(qū)域1和區(qū)域2中的逆流長度變化趨勢各有不同。

將表5不同區(qū)域無量綱煙氣逆流長度公式進(jìn)行處理，區(qū)域1和區(qū)域2無量綱逆流長度可以表示為：

(19)

式中a1、a2、b1、b2為擬合系數(shù)。

將不同區(qū)域的a與b的值整理與表6中，由圖13通過與坡度進(jìn)行擬合，得到不同坡度條件下區(qū)域1和區(qū)域2無量綱煙氣逆流長度統(tǒng)一公式：

(20)

圖13 不同區(qū)域a、b與坡度β擬合圖Fig.13 The values of a and b vs. slopeβ in different parts

坡度區(qū)域1a1b1區(qū)域2a2b20%5.320.87835.020.2873%4.670.97245.550.3076%3.771.10953.890.3079%3.531.22456.610.32012%4.411.23859.800.32315%5.081.24464.570.329

5 結(jié)論

本文采用無量綱理論分析、縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬對地鐵隧道的煙氣逆流長度進(jìn)行研究，考慮不同火源功率、縱向通風(fēng)風(fēng)速和隧道坡度，通過實驗、模擬分析得到以下結(jié)論：

(1)水平隧道FDS模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合度較高，本文建立的FDS模型通過改變隧道坡度，可以用于研究不同坡度條件下煙氣逆流長度的變化規(guī)律。

(2) 縮尺寸實驗和FDS模擬結(jié)果表明，隧道阻塞效應(yīng)對煙氣逆流長度存在影響，縱向風(fēng)速在阻塞區(qū)域?qū)⒚黠@增大，導(dǎo)致抑制煙氣向上蔓延阻力Pd增加，使得無量綱煙氣逆流長度曲線出現(xiàn)拐點。

(3)通過對不同坡度條件下逆流長度分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件保持不變，隨坡度的增加，煙氣逆流長度呈現(xiàn)增大趨勢；并根據(jù)實驗和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)推導(dǎo)了適用于阻塞條件下坡度隧道的無量煙氣逆流長度統(tǒng)一模型。

[1] 杜寶玲. 國外地鐵火災(zāi)事故案例統(tǒng)計分析[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2007, 26(2): 214- 217.

[2] 金康錫. 誰來保障地鐵安全——韓國大邱地鐵火災(zāi)的教訓(xùn)和啟示[J]. 中國減災(zāi), 2005, (9): 42- 43.

[3] 寇鼎濤. 鐵路隧道火災(zāi)特性及火災(zāi)原因分析[J]. 隧道建設(shè), 2005, 25(1): 72- 75, 38.

[4] Thomas PH. The movement of buoyant fluid against a stream and the venting of underground fires[J]. Fire Safety Science, 1958, 351: 1- 8.

[5] Hu LH, et al. Studies on buoyancy- driven back- layering flow in tunnel fires[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2008, 32(8): 1468- 1483.

[6] Li YZ, et al. Study of critical velocity and backlayering length in longitudinally ventilated tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 2010, 45(6- 8): 361- 370.

[7] Tang W, et al. Effect of blockage- fire distance on buoyancy driven back- layering length and critical velocity in a tunnel: An experimental investigation and global correlations[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 60(1- 2): 7- 14.

[8] Weng MC, et al. Prediction of backlayering length and critical velocity in metro tunnel fires[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 47: 64- 72.

[9] Tang F, et al. Thermal smoke back- layering flow length with ceiling extraction at upstream side of fire source in a longitudinal ventilated tunnel[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 106: 125- 130.

[10] Atkinson GT, Wu Y. Smoke control in sloping tunnels[J]. Fire Safety Journal, 1996, 27(4): 335- 341.

[11] Yi L, et al. An experimental study on critical velocity in sloping tunnel with longitudinal ventilation under fire[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 43: 198- 203.

[12] Zhong MH, et al. Smoke development in full- scale sloped long and large curved tunnel fires under natural ventilation[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 108: 857- 865.

[13] Chow WK, et al. Smoke movement in tilted tunnel fires with longitudinal ventilation[J]. Fire Safety Journal, 2015, 75: 14- 22.

[14] Weng MC, et al. Full- scale experiment and CFD simulation on smoke movement and smoke control in a metro tunnel with one opening portal[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 42: 96- 104.

[15] Wu Y, et al. Effect of slope on control of smoke flow in tunnel fires[J]. Fire Safety Science, 1997, 5: 1225- 1236.

[16] 范傳剛. 隧道火災(zāi)發(fā)展特性及豎井自然排煙方法研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2015.

[17] Zhang SG, et al. Prediction of smoke back- layering length under different longitudinal ventilations in the subway tunnel with metro train[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, 53: 13- 21.

[18] Lin P, et al. A numerical study on the impact of vehicles’ blockage on the performance of semi- transversal smoke control system in tunnel fire[J]. Procedia Engineering, 2016, 135: 248- 260.

[19] Ji J, et al. A numerical study on upstream maximum temperature in inclined urban road tunnel fires[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 88: 516- 526.

[20] Ko GH, et al. An experimental study on the effect of slope on the critical velocity in tunnel fires[J]. Journal of fire sciences, 2010, 28(1): 27- 47.

[21] Gannouni S, Maad RB. Numerical study of the effect of blockage on critical velocity and backlayering length in longitudinally ventilated tunnel fires[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 48: 147- 155.

[22] Lee YP, Tsai KC. Effect of vehicular blockage on critical ventilation velocity and tunnel fire behavior in longitudinally ventilated tunnels[J]. Fire Safety Journal, 2012, 53: 35- 42.

Slopeeffectontheback-layeringlengthinsubwaytunnelfireswithblockage

ZHU Kai, CHENG Xudong, ZHANG Shaogang, YAO Yongzheng, ZHANG Ruifang, YANG Hui

(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The back- layering length of smoke is an important parameter in longitudinal ventilation design.Previous studies focused on the road tunnels while there is few researches on the back- layering length of smoke in the in clined subway tunnels with blockage.By theoretical analysis, small size experiment and FDS simulation, this paper deduced the dimensionless expression of back- layering length in tunnel fire, which fits for the inclined subway tunnels with blockage. Moreover, the change rule of back- layering length with different slopes is obtained. The results show that the back- layering length of smoke in horizontal subway tunnel with blockage agrees well with the results of FDS simulation, so this model can study the conditions of different slopes; with the increase of slope, the back- layering length increases correspondingly.

Subway tunnel; Back- layering length of smoke; Slope; Blockage

1004- 5309(2017)- 00157- 11

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.05

2017- 02- 28；修改日期2017- 04- 10

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0800603)；國家自然科學(xué)基金重點項目(51323010)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(WK2320000035)

朱凱(1992- )，男，江蘇鎮(zhèn)江人，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室碩士研究生，安全科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事地鐵隧道火災(zāi)防控研究。

楊暉，E- mail: yanghui@ustc.edu.cn

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