地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)模式數(shù)值

1、地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)模式數(shù)值    摘要介紹了地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)常見的幾種通風(fēng)排煙模式,對其中一種最復(fù)雜的模式進(jìn)行了數(shù)值分析。模擬分析得出,對于地鐵實(shí)際工程中的單線盾構(gòu)圓形隧道,在10MW火災(zāi)強(qiáng)度下,著火區(qū)間隧道內(nèi)2.62.9m/s左右的縱向風(fēng)速可以有效阻止煙氣發(fā)生逆流;在著火區(qū)間隧道2.9m/s的縱向風(fēng)速下,未著火區(qū)間隧道兩端對送送風(fēng)速度為11.5m/s時(shí),聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)有風(fēng)速為6m/s左右的氣流流向著火區(qū)間隧道,可有效抑制煙氣通過聯(lián)絡(luò)通道向未著火區(qū)間隧道蔓延,保證人員的安全疏散。 關(guān)鍵詞地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)排煙模式臨界風(fēng)速聯(lián)絡(luò)通道 0 引言

2、60;     地鐵屬于人員密集場所,一旦發(fā)生火災(zāi),后果將不堪設(shè)想。針對地鐵區(qū)間隧道火災(zāi),目前規(guī)范要求司機(jī)應(yīng)盡最大可能將列車駛出隧道進(jìn)入前方站臺后進(jìn)行人員疏散,倘若列車無法駛?cè)肭胺秸九_而被迫?？吭谄岷诘乃淼乐?應(yīng)啟動地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)進(jìn)行排煙,在這種情況下,確定合理的通風(fēng)模式至關(guān)重要。地鐵區(qū)間隧道的火災(zāi)通風(fēng)排煙模式是非常復(fù)雜的,它與列車的?？课恢谩⑷藛T的疏散方向、火災(zāi)發(fā)生位置以及區(qū)間隧道是否設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道等因素有關(guān)。      目前,國內(nèi)外已有很多人對地鐵隧道火災(zāi)煙氣的流動與控制作了大量的研究。P.J

3、.Woodburn等人把地鐵火災(zāi)煙氣的數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比,用來驗(yàn)證數(shù)值模擬的靈敏度和準(zhǔn)確性,研究表明,除縱向通風(fēng)速度對煙氣回流擴(kuò)散范圍具有決定性影響外,火源的熱釋放速率以及湍流模型的選擇對煙氣回流擴(kuò)散范圍影響也較大1。S.Kuma等人對隧道火災(zāi)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,并分別研究了輻射、熱傳導(dǎo)和壁面粗糙度等因素對火災(zāi)煙氣的影響2。盧平等人對縱向通風(fēng)水平隧道火災(zāi)煙氣的流動特性進(jìn)行了模擬與分析3。鄭晉麗研究了隧道火災(zāi)中幾種常用的數(shù)值模擬方法,提出了火災(zāi)發(fā)生后應(yīng)采取的有效煙氣控制措施4。然而迄今,針對地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)通風(fēng)排煙模式進(jìn)行深入研究的文獻(xiàn)不是很多。   &#

4、160;  本文通過分析研究,提出了地鐵隧道火災(zāi)中幾種復(fù)雜的通風(fēng)排煙模式,選取了其中一種最復(fù)雜的模式,利用CFD方法進(jìn)行了具體的數(shù)值模擬分析,得出了該模式下的最佳煙控送風(fēng)速度。1 地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)的通風(fēng)排煙模式      地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB501572003)規(guī)定,當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道長度超過500m時(shí),在區(qū)間隧道中部應(yīng)設(shè)置與另一條地鐵區(qū)間隧道相通的聯(lián)絡(luò)通道?？紤]到目前地鐵區(qū)間隧道長度一般都會超過500m,因此本文研究區(qū)間隧道中部設(shè)有一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的情形。根據(jù)火災(zāi)發(fā)生位置和列車?？课恢玫牟煌?分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)間隧道的通風(fēng)排煙模式主要有四種5,如圖

5、1所示。          圖1a,1b為火災(zāi)發(fā)生在列車端部的情形,此時(shí)的送風(fēng)方向應(yīng)本著與大多數(shù)人員的逃生方向相反的原則來確定,若聯(lián)絡(luò)通道處于上風(fēng)側(cè)(圖1a),則不需要考慮聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的風(fēng)向;若聯(lián)絡(luò)通道處于下風(fēng)側(cè)(圖1b),為防止煙氣向另一條區(qū)間隧道擴(kuò)散,則應(yīng)該通過聯(lián)絡(luò)通道向著火隧道加壓送風(fēng)。圖1c,1d為火災(zāi)發(fā)生在列車中部的情形,此時(shí)應(yīng)根據(jù)列車的停靠位置來判斷送風(fēng)方向。當(dāng)列車?？吭诳拷囌疚恢脮r(shí)(圖1c),考慮到利用車站排煙更為有利,因此采用向車站方向送風(fēng)的通風(fēng)方式,此時(shí)聯(lián)絡(luò)通道處于上風(fēng)側(cè),不需要考慮煙氣

6、的擴(kuò)散;當(dāng)列車?？吭诳拷虚g聯(lián)絡(luò)通道時(shí)(圖1d),為保證更多的人逃生,則應(yīng)該采用向聯(lián)絡(luò)通道方向送風(fēng)的通風(fēng)方式,此時(shí)聯(lián)絡(luò)通道處于火災(zāi)下風(fēng)側(cè),應(yīng)保證聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)具有指向著火區(qū)間隧道的送風(fēng),從而可以保證人員通過聯(lián)絡(luò)通道逃生。通過對以上四種模式的分析,可以看出圖1d對應(yīng)的火災(zāi)通風(fēng)模式為最不利模式。下面將對該種通風(fēng)模式進(jìn)行數(shù)值模擬分析,從而得出該模式下的臨界風(fēng)速以及保證聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)無煙的未著火區(qū)間隧道兩端的最佳送風(fēng)速度。2 數(shù)值模擬分析2.1 物理模型和邊界條件      本文模擬的地鐵隧道為單線盾構(gòu)圓形隧道斷面,斷面直徑5.5m,物理模型如圖2所示。為研究

7、方便,本文選取中部聯(lián)絡(luò)通道前后共100m長的區(qū)間隧道作為研究對象,模擬時(shí)假設(shè)火災(zāi)發(fā)生在距離聯(lián)絡(luò)通道20m處。      地鐵隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面采用無滑移邊界條件,考慮到隧道軸向?qū)崤c徑向?qū)嵯啾瓤珊雎圆挥?jì),因此隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱按徑向?qū)崽幚?并假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)外壁面溫度與地面下深層土壤溫度相同,取20。隧道內(nèi)氣流通過對流換熱和熱輻射與隧道壁進(jìn)行熱量交換,近壁第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的湍流黏度和換熱系數(shù)等采用壁面函數(shù)法處理,輻射換熱模型采用PHOENICS自帶的IMMERSOL模型。隧道入口給出速度和溫度邊界條件,入口送風(fēng)溫度為環(huán)境空氣溫度20,出口給出壓力邊界條

8、件。    2.2 火源設(shè)置      關(guān)于地鐵火災(zāi)強(qiáng)度的設(shè)置,香港地鐵工程技術(shù)人員保守估計(jì)最大值為2MW;而英美等國一般采用550MW,且重點(diǎn)研究10MW情況下的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)。因此,本文研究的火災(zāi)強(qiáng)度設(shè)為10MW?；馂?zāi)的發(fā)煙量采用對應(yīng)于10MW火災(zāi)強(qiáng)度下的發(fā)煙量27kg/s6,火源大小設(shè)置為2m×2m×1m(長×寬×高)。2.3 數(shù)值計(jì)算方法      模擬采用PHOENICS軟件。湍流模型選用帶浮升力修正的K-兩方程

9、模型,動量方程采用交錯網(wǎng)格方法進(jìn)行離散,其余方程的離散采用有限容積法,網(wǎng)格劃分個(gè)數(shù)為200(L)×50(W)×20(H),差分格式選用混合格式,求解方法為SIMPLE算法,計(jì)算終止時(shí)間為火災(zāi)發(fā)生后600s,時(shí)間步長為1s,迭代收斂判據(jù)為10-3。邊界條件的處理采用將其處理為各相應(yīng)變量的源項(xiàng)的方法7,計(jì)算網(wǎng)格采用正交的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。3 計(jì)算結(jié)果分析3.1 臨界風(fēng)速的模擬結(jié)果分析      關(guān)于隧道火災(zāi)的煙氣控制,臨界風(fēng)速一直是隧道防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù),它與火災(zāi)強(qiáng)度、隧道幾何形狀、隧道坡度、壁面粗糙度以及火源的大小形狀等因

10、素有關(guān)。當(dāng)縱向通風(fēng)速度大于臨界風(fēng)速時(shí),隧道內(nèi)的煙氣由原來的雙向擴(kuò)散變?yōu)閱蜗驍U(kuò)散,從而可以為人員疏散和消防救援提供一條無煙通道。為了確定固定火災(zāi)強(qiáng)度下的臨界速度,筆者分別模擬研究了縱向通風(fēng)速度為2.0m/s,2.3m/s,2.6m/s和2.9m/s時(shí)的煙氣擴(kuò)散情況(火災(zāi)強(qiáng)度為10MW),煙氣層的邊界由0.1kg/m3的等濃度線來確定,對應(yīng)的煙氣體積分?jǐn)?shù)為0.015。模擬結(jié)果如圖3所示。          從圖3a,3b可以看出,縱向風(fēng)速為2.0m/s和2.3m/s時(shí)著火區(qū)間隧道內(nèi)的煙氣均有比較長的回流距離,

11、這對人員疏散和消防救援是極為不利的。圖3c中2.6m/s的縱向風(fēng)速下煙氣的回流距離有所減小,但著火區(qū)域下游的煙氣層的下降速度增加。圖3d中2.9m/s的縱向風(fēng)速下煙氣的回流現(xiàn)象完全得到了控制,煙氣僅沿縱向通風(fēng)氣流向著火區(qū)下游擴(kuò)散,從而使著火區(qū)上游成為安全的無煙區(qū)。因此,通過對以上模擬結(jié)果的分析,本文所研究的隧道對應(yīng)于10MW火災(zāi)強(qiáng)度下的臨界風(fēng)速大約在2.62.9m/s之間。3.2 臨界風(fēng)速下相鄰區(qū)間隧道和聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的煙氣分布      在隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),聯(lián)絡(luò)通道對人員疏散起著重要的作用,可作為疏散通道考慮,為研究火災(zāi)條件下聯(lián)絡(luò)通道的安全性,以2

12、.9m/s作為著火區(qū)間隧道的縱向通風(fēng)速度,在未著火區(qū)間隧道兩端不送風(fēng)、兩端對送送風(fēng)速度0.5m/s、兩端對送送風(fēng)速度1m/s以及兩端對送送風(fēng)速度1.5m/s四種情況下,研究分析煙氣通過聯(lián)絡(luò)通道向未著火區(qū)間隧道的擴(kuò)散情況,模擬結(jié)果如圖47所示。      從圖4可以看出,在未著火區(qū)間隧道兩端不送風(fēng)的情況下,大量煙氣將通過聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入未著火區(qū)間隧道,并以聯(lián)絡(luò)通道為中心向兩端對稱擴(kuò)散。圖4a,4b中煙氣已經(jīng)充滿整個(gè)未著火區(qū)間隧道,并且呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,煙氣的最大體積分?jǐn)?shù)和溫度位于未著火區(qū)間隧道中心的頂部,體積分?jǐn)?shù)最大值為0.4左右,溫度最高值為17

13、0,煙氣在該隧道內(nèi)的溫度和濃度均已經(jīng)達(dá)到了對人員生命構(gòu)成危險(xiǎn)的程度。從圖4c可以看出,整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道已經(jīng)充滿了煙氣,煙氣的體積分?jǐn)?shù)最大值為0.4左右,聯(lián)絡(luò)通道底部的煙氣體積分?jǐn)?shù)也已達(dá)到了0.1。圖4d中聯(lián)絡(luò)通道頂部煙氣溫度的最高值為210左右,聯(lián)絡(luò)通道底部的煙氣溫度在7080之間,人員將無法安全通過聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行疏散。          從圖5a可以看出,在0.5m/s的兩端對送送風(fēng)速度下,未著火區(qū)間隧道內(nèi)仍然布滿了大量的煙氣,只是煙氣的體積分?jǐn)?shù)最大值為0.09左右,比圖4a中的有所減小。此時(shí)未著火區(qū)間隧道內(nèi)

14、煙氣的溫度與送風(fēng)氣流溫度差不多,為20左右,不會對人員生命構(gòu)成危險(xiǎn)。從圖7b,7c可以看出,煙氣在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的溫度和體積分?jǐn)?shù)平均值比兩端不送風(fēng)時(shí)大大減小,高溫區(qū)位于聯(lián)絡(luò)通道頂部,影響距離大約為一個(gè)隧道寬度,其他大部分區(qū)域的溫度值在20左右。          從圖6a可以看出,在兩端對送送風(fēng)速度為1m/s的情況下,未著火區(qū)間隧道僅在中央很小一部分范圍內(nèi)有煙氣分布,但煙氣體積分?jǐn)?shù)最大值也僅有0.015左右,此時(shí)未著火區(qū)間隧道內(nèi)煙氣的溫度為20左右,從溫度和濃度兩方面來考慮可以認(rèn)為該區(qū)間隧道是安全的。圖6b中

15、聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)絕大部分區(qū)域的煙氣體積分?jǐn)?shù)為0.015左右,煙氣主要分布在聯(lián)絡(luò)通道上部區(qū)域。圖6c中聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)絕大部分區(qū)域的溫度為20左右,已無法對人員生命構(gòu)成危險(xiǎn)。          從圖7a可以看出,在1.5m/s的兩端對送送風(fēng)速度下,未著火區(qū)間隧道內(nèi)已經(jīng)沒有煙氣,此時(shí)該區(qū)間隧道內(nèi)的溫度為20左右。從圖7b,7c可以看出,聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)已基本上成為安全的無煙區(qū),人員可以安全地通過聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入未著火區(qū)間隧道進(jìn)行避難。此時(shí),未著火區(qū)間隧道內(nèi)完全沒有煙氣進(jìn)入,可以作為安全的人員避難通道使用。  &

16、#160; 3.3 臨界風(fēng)速下聯(lián)絡(luò)通道中心斷面的速度分布      圖8給出了未著火區(qū)間隧道四種不同通風(fēng)方式下聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的速度分布情況。從圖8a可以看出,在未著火區(qū)間隧道兩端不送風(fēng)的情況下,煙氣沿聯(lián)絡(luò)通道頂端以較大的速度從著火區(qū)間隧道進(jìn)入未著火區(qū)間隧道,聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的速度最大值為3m/s左右。圖8b中由于未著火區(qū)間隧道兩端對送送風(fēng)形成正壓,導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)下部有通向著火區(qū)間隧道的氣流,但聯(lián)絡(luò)通道上部仍有部分煙氣擴(kuò)散進(jìn)入未著火區(qū)間隧道。圖8c中聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)指向著火區(qū)間隧道的風(fēng)速較大,最大值為5m/s左右,僅有極少量煙氣從聯(lián)絡(luò)通道頂部進(jìn)入未著火

17、區(qū)間隧道內(nèi)。圖8d中聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的風(fēng)速為6m/s左右,煙氣在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的擴(kuò)散完全得到了抑制?？紤]到6m/s的風(fēng)速人是可以承受的,因此未著火區(qū)間隧道兩端的最佳送風(fēng)速度應(yīng)該控制在11.5m/s之間。    4 結(jié)論4.1 比較分析了帶有一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的區(qū)間隧道火      災(zāi)常見的四種通風(fēng)排煙模式,得出了當(dāng)列車停靠在靠近中部聯(lián)絡(luò)通道位置,并且火災(zāi)發(fā)生在列車中部時(shí)對應(yīng)的火災(zāi)通風(fēng)排煙模式為該區(qū)間隧道的最復(fù)雜模式。4.2 對于10MW火災(zāi)強(qiáng)度的地鐵區(qū)間隧道火災(zāi),保證著火區(qū)間隧道煙氣不發(fā)生回流的臨界風(fēng)速范圍為2.62.9

18、m/s。4.3在著火區(qū)間隧道保持2.9m/s的縱向通風(fēng)速度下,未著火區(qū)間隧道兩端的最佳送風(fēng)速度范圍為11.5m/s,在此送風(fēng)速度范圍內(nèi),聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)具有速度為6m/s左右的指向著火區(qū)間隧道的氣流,既保證了煙氣無法通過聯(lián)絡(luò)通道擴(kuò)散進(jìn)入未著火區(qū)間隧道,又不會影響人員的安全疏散。 參考文獻(xiàn)1WoodburnPJ,BritterRE.CFDsimulationofatunnelfirepartJ.FireSafetyJournal,1996,26(1):35622KumarS,CoxG.MathematicalmodelingoffiresinroadtunnelsC5thInternationalSymposiumontheAerodynamicsandVentilationofVehicleT