唐海峰 雷 波

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坡度與活塞風(fēng)對地鐵長區(qū)間隧道火災(zāi)點式排煙的影響

唐海峰 雷 波

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

采用數(shù)值模擬方法對點式排煙模式下地鐵長區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動進(jìn)行了計算分析，研究了坡度與活塞風(fēng)對排煙效率與煙氣溫度分布的影響。結(jié)果表明：煙氣不僅受排煙風(fēng)口的抽吸作用，同時坡度與活塞風(fēng)影響隧道內(nèi)煙氣流動，點式排煙模式下坡度與活塞風(fēng)對排煙效率與煙氣溫度分布的影響不能忽略。

地鐵隧道；火災(zāi)；點式排煙；坡度；活塞風(fēng)

0 引言

現(xiàn)有的地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)模式主要為縱向通風(fēng)，即采用射流風(fēng)機(jī)結(jié)合隧道風(fēng)機(jī)將煙氣控制在通風(fēng)下游側(cè)，并通過風(fēng)井將煙氣排出隧道，通風(fēng)方向取決于火災(zāi)列車的著火點位置?？v向通風(fēng)具有土建工程小，運(yùn)營費(fèi)用低等優(yōu)勢，但當(dāng)火源位于列車中部時，無論怎么改變縱向通風(fēng)方向，總有部分車廂處于火災(zāi)煙氣中；當(dāng)隧道內(nèi)同時存在多輛列車時，縱向通風(fēng)可能使得煙氣蔓延到通風(fēng)下游側(cè)未著火的列車，如圖1所示。相較于傳統(tǒng)排煙模式，點式排煙對煙氣的控制能力更強(qiáng)，但是需要更高的自動控制要求，即在火災(zāi)發(fā)生且列車減速停車后，立即打開火源附近的排煙風(fēng)口進(jìn)行排煙，如圖2所示。

Chi-Ji Lin[1]對單、多點式排煙模式下公路隧道火災(zāi)煙氣流動進(jìn)行了計算分析，通過研究煙氣溫度、CO濃度、能見度的分布情況，得到在部分橫向通風(fēng)系統(tǒng)中單點式排煙優(yōu)于多點式排煙。吳萍[2]指出了地鐵長區(qū)間隧道火災(zāi)點式排煙的特殊性，并通過控制變量法得到了排煙風(fēng)量、風(fēng)口尺寸等參數(shù)對排煙效率及煙氣特性的影響規(guī)律，證明了雙點式排煙的優(yōu)越性。

坡度與活塞風(fēng)影響隧道內(nèi)煙氣流動[3,4]，而前人在研究點式排煙時都未考慮坡度與活塞風(fēng)的影響。因此本文基于雙點式排煙，采用FDS軟件計算分析了坡度與活塞風(fēng)對排煙效率及煙氣溫度分布的影響。

圖1 縱向通風(fēng)對下游側(cè)疏散環(huán)境影響示意圖

圖2 點式排煙原理圖

1 計算模型與條件

本文研究對象為帶獨(dú)立排煙風(fēng)道的單洞雙線地鐵長區(qū)間隧道，隧道拱部安裝隔板修筑頂部排煙風(fēng)道，隔板上等距離安設(shè)排煙風(fēng)口。由于隧道的對稱性，本文進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，取對稱的單線隧道進(jìn)行計算，如圖3所示。

圖3 簡化后隧道橫截面圖

隧道高5m，最寬處寬4.65m，長度為740m。風(fēng)道高1.25m，寬5.5m。列車位于隧道正中間，選用標(biāo)準(zhǔn)B型車，尺寸為120m×2.8m×3.8m。列車側(cè)壁面厚度為0.25m，車門尺寸為1.3m×1.86m，車廂之間貫通道尺寸為1.9m×1.35m×0.52m。圖4為隧道模型圖，設(shè)隧道上坡方向與車頭方向相同時坡度為正。

環(huán)境溫度為20℃，土壤層溫度為15℃。隧道壁面材料為混凝土，列車表面為絕熱條件。風(fēng)道端頭為排風(fēng)條件，雙向?qū)ΨQ排風(fēng)。設(shè)置火源位于列車車底，熱釋放率為7.5MW。

采用流動分析軟件FDS5.53進(jìn)行計算，湍流模型選用計算量小且精度較高的大渦模擬，部分學(xué)者通過模型實驗驗證了FDS軟件對于隧道火災(zāi)計算的準(zhǔn)確性[5,6]。

圖4 隧道模型圖

2 計算結(jié)果及分析

選取典型工況：排煙風(fēng)量為40m3/s、風(fēng)口尺寸為2m×3m、風(fēng)口間距為60m、火源位于兩開啟風(fēng)口正中間。

2.1 排煙效率與溫度控制要求

定義排煙效率為=0～0內(nèi)單個風(fēng)口累積排出的煙氣量與火源煙氣累積生成量的比值[8]：

式中，0為火災(zāi)計算時間，0=360s[7]；12為靠近車尾、車頭風(fēng)口的排煙效率；12為單位時間靠近車尾、車頭風(fēng)口的排煙量；為單位時間火源煙氣的生成量。本文采用CO2的生成量和排出量表征煙氣的生成量和排出量，經(jīng)計算單位時間火源CO2的生成量為0.46kg/s。

NFPA130[9]對于地鐵區(qū)間隧道內(nèi)火災(zāi)可忍受環(huán)境做了明確要求，其中接觸溫度、輻射量、有害氣體濃度、煙氣能見度是影響人員疏散的關(guān)鍵參數(shù)。本文選取疏散路徑人高處（距離中隔墻0.35m，距離疏散平臺頂面1.75m）的煙氣溫度縱向分布進(jìn)行研究，要求距離火源30m外疏散路徑人高處煙氣溫度不得高于70oC。

2.2 坡度對排煙效率及煙氣溫度分布的影響

設(shè)火源位置為=0，>0為車頭方向，選取不考慮活塞風(fēng)影響時隧道坡度=0%、3%。=0%工況1、2=46%，=3%工況1降低至34%，2升高至52%。這是由于坡度使得煙氣向火源上坡側(cè)偏移，且上坡側(cè)風(fēng)道內(nèi)煙氣流速大于下坡側(cè)。

圖5為=0%工況與=3%工況=360s時疏散路徑人高處煙氣溫度縱向分布圖。由于風(fēng)口的對稱抽吸作用，=0%工況與=3%工況煙氣集中在“風(fēng)口段”（兩開啟風(fēng)口之間的區(qū)域），坡度對煙氣溫度分布的影響較小，煙氣溫度以火源為中心基本呈對稱分布，煙氣環(huán)境滿足溫度控制要求。

圖5 疏散路徑人高處煙氣溫度分布

2.3 活塞風(fēng)對排煙效率及煙氣溫度分布的影響

選取隧道坡度=0%，列車車速120km/h。不考慮活塞風(fēng)影響工況1、2=46%，由于活塞風(fēng)使得煙氣向火源下游側(cè)偏移，考慮活塞風(fēng)影響工況1降低至20%，2升高至54%。

圖6為考慮活塞風(fēng)影響工況=40m、50m處疏散路徑人高處煙氣溫度隨時間變化圖。=0～180s內(nèi)煙氣溫度隨時間逐漸升高；=180s時煙氣溫度達(dá)到了最高值，分別為110℃、100℃；=180～360s內(nèi)煙氣溫度隨時間逐漸降低。這是由于隨著隧道風(fēng)速不斷衰減，煙氣逐漸向“風(fēng)口段”回流。因此本文選擇考慮活塞風(fēng)影響工況=180s時的煙氣溫度分布進(jìn)行分析。

圖6 煙氣溫度隨時間變化

圖7為不考慮活塞風(fēng)影響工況=360s與考慮活塞風(fēng)影響工況=180s時疏散路徑人高處煙氣溫度縱向分布圖。不考慮活塞風(fēng)影響工況，煙氣溫度以火源為中心基本呈對稱分布，煙氣環(huán)境滿足溫度控制要求。由于活塞風(fēng)使得煙氣向火源下游側(cè)偏移，考慮活塞風(fēng)影響工況上游側(cè)煙氣溫度降低，而下游側(cè)煙氣溫度升高，=30～65m區(qū)域煙氣溫度超過了70℃，不滿足溫度控制要求。

圖7 疏散路徑人高處煙氣溫度分布

2.4 坡度耦合活塞風(fēng)對排煙效率及煙氣溫度分布的影響

選取列車車速120km/h，隧道坡度=-3%、3%。=-3%工況1=36%、2=53%，=3%工況1、2分別降低至0%、40%。這是由于坡度為負(fù)時，坡度促進(jìn)了隧道風(fēng)速的衰減，煙氣容易回流至“風(fēng)口段”；隨著坡度向著正坡方向增大時，隧道風(fēng)速衰減的速度減慢，風(fēng)口對煙氣的抽吸能力減弱。

圖8為=-3%工況與=3%工況=40m處疏散路徑人高處煙氣溫度隨時間變化圖。由于煙氣向“風(fēng)口段”回流的速度較快，=-3%工況火源下游側(cè)煙氣溫度隨時間升高與降低的速度都較快，煙氣溫度達(dá)到最高值的時間提前至=140s。=3%工況煙氣向“風(fēng)口段”回流的速度減慢，下游側(cè)煙氣溫度隨時間不斷升高，煙氣溫度達(dá)到最高值的時間延后至=360s。

圖8 煙氣溫度隨時間變化

圖9為=-3%工況=140s與=3%工況=360s時疏散路徑人高處煙氣溫度縱向分布圖。=-3%工況火源上游側(cè)煙氣溫度高于=3%工況，而下游側(cè)煙氣溫度低于=3%工況；=-3%工況不滿足溫度控制要求的區(qū)域為=30～55m區(qū)域，=3%工況不滿足溫度控制要求的區(qū)域擴(kuò)大為=30～75m區(qū)域。這是由于坡度為負(fù)時，向下游側(cè)偏移的煙氣量較少；隨著坡度向著正坡方向增大時，向下游側(cè)偏移的煙氣量增加。

圖9 疏散路徑人高處煙氣溫度分布

3 結(jié)論

本文基于排煙風(fēng)量為40m3/s、風(fēng)口尺寸為2m×3m、風(fēng)口間距為60m、火源位于兩開啟風(fēng)口正中間的典型工況，研究了點式排煙模式下坡度與活塞風(fēng)對地鐵長區(qū)間隧道火災(zāi)排煙效率及煙氣溫度分布的影響，得到以下結(jié)論：

（1）不考慮活塞風(fēng)影響的情況下，坡度為0%時，火源兩側(cè)風(fēng)口排煙效率1、2=46%；坡度增大至3%時，火源下坡側(cè)1降低至34%，上坡側(cè)2升高至52%。坡度對煙氣溫度分布的影響較小，煙氣環(huán)境滿足溫度控制要求。

（2）單獨(dú)考慮活塞風(fēng)影響且列車車速120km/h的情況下，活塞風(fēng)使得煙氣向火源下游側(cè)偏移，上游側(cè)1降低至20%，下游側(cè)2升高至54%；下游側(cè)煙氣溫度升高，一定長度區(qū)域內(nèi)煙氣環(huán)境不滿足溫度控制要求。

（3）同時考慮坡度與活塞風(fēng)影響且列車車速為120km/h的情況下，坡度從-3%增大至3%時，火源上游側(cè)1從36%降低至0%，下游側(cè)2從53%降低至40%；下游側(cè)煙氣溫度升高，不滿足溫度控制要求的區(qū)域擴(kuò)大。

[1] Chi-Ji Lin, Yew Khoy Chuah. A study on long tunnel smoke extraction strategies by numerical simulation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008,23:522-530.

[2] 吳萍.地鐵長區(qū)間隧道點式排煙的煙氣特性研究[D].成都:西南交通大學(xué),2015.

[3] L H Hu, L F Chen, L Wu, et al. An experimental investigation and correlation on buoyant gas temperature below ceiling in a slopping tunnel fire[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,51:246-254.

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[8] 潘一平.隧道火災(zāi)集中排煙模式下的排煙效率研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2012,12(2):191-196.

[9] NFPA130-2007, Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems Quincy[S]. USA: National Fire Protection Association, 2007.

The Influence of Slope and Piston Action Wind on Point Extreation Ventilation in Subway Long Tunnel Fire

Tang Haifeng Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Through numerical simulation model, the smoke flow in subway long tunnel fire under point extreation ventilation mode was simulated and analyzed. The paper researched the influence of slope and piston action wind on the exhaust efficiency and distribution of smoke temperature under point extreation ventilation mode. The results show smoke flow is not only affected by extreation of vents, but also by slope and piston action wind, so the influence of slope and piston action wind on the exhaust efficiency and distribution of smoke temperature under point extreation ventilation mode could not be ignored.

subway tunnel; fire; point extreation ventilation; slope; piston action wind

1671-6612（2017）06-561-04

U231.96

A

唐海峰（1992-），男，在讀碩士研究生，E-mail：tahfeng@163.com

雷 波（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lbswjtu@163.com

2017-05-10