变阻塞比下地铁疏散走道内火灾烟气运动研究

福建工程学院    林凌敏，吴婧

       【摘  要】根据福州市地铁四号线构建了一个地铁隧道区间模型，利用FLUENT模拟车头电气火灾的应急事件。分析了火灾产生的高温、有毒CO烟气在两种阻塞比条件下的分布情况及对疏散人群的影响。模拟结果表明，纵向通风能在疏散走道范围控制高温烟气蔓延，有利于人员疏散。高阻塞比条件下对流换热增强，降温快，建议设置离轨面高度较低的疏散走道以获取更大的安全空间。针对纵向通风条件只能创造单一安全区域的特点，给出了疏散方案分析及建议。

       【关键词】地铁区间；隧道火灾；阻塞比；纵向通风；疏散策略；CFD模拟；

1 研究背景

       如今，大多数隧道采用纵向通风系统。纵向通风系统不需要额外的空间用于布置通风风管，占据隧道空间小，系统造价便宜，所以被广泛应用^[1]。纵向通风的作用原理即在隧道内产生一个纵向的气流，将火灾产生的烟气吹向下游，在火灾上游形成一个无烟区域，保证了隧道使用者的安全。纵向通风的风速在大等于临界风速时能够有效地抑制烟气逆流，Oka和Atkinson通过实验得出以通风引入的空气温度、隧道高度、热释放率等变量的无量纲临界风速数学表达式。^[25]

       地铁隧道内发生火灾时，常用的疏散策略是将列车停靠在地铁站点，便于人员从站台疏散^[5,6]。根据过去的研究^[7,8,9]，在约50%的火灾案情中，列车没有行进至指定站点，而是停在站与站之间的区间隧道内。学者引入阻塞比来描述火灾发生时列车占据隧道的情况，并且已经证实了阻塞比对临界速度、烟气逆流长度的显著影响。Gannouni^[2]利用FDS模拟，研究了阻塞比为0.31时，隧道内阻挡物不同摆放位置对于临界通风风速大小的影响。临界通风风速较没有阻挡物时减小，且临界风速随着阻挡物离地间距的增长而略微减小。Zhang^[3]进行了地铁隧道火灾缩尺模型的实验。由于列车的阻挡(阻塞比0.52)，存在截面积变化的区域风速增加，惯性力与热传递加剧，烟气逆流长度缩短。Zhang依据实验数据推导了含阻塞比，列车长度等变量的无量纲烟气逆流长度计算公式。

       学者希望通过研究火灾烟气运动的规律与控制烟气传播的方法，来最小化烟气带来的伤害。高温烟气带来的伤害可以是间接的，Wetzig的研究^[18]表明，温度高于400℃时，混凝土中的氢氧化钙将会产生水蒸气，这将加速混凝土剥落过程，并降低混凝土的强度。壁面材料受热脱落，甚至整体结构坍塌，可能对隧道内的撤离人员与救灾人员造成伤害^[1,17]。学者通过研究贴近顶板的烟气最高温的出现位置，温度变化趋势等能够直接预判隧道结构受损的可能性^[19]。

       火灾产生的烟气也可以直接伤害人体，其中，高温烟气通过三种形式危害人体:导致人体体温过高，灼伤人体表皮，灼伤呼吸道^[4]。此外，烟气含有的CO气体可迅速扩散穿过肺泡膜，并在红细胞中与血红蛋白结合，导致血液携氧能力降低[25]。以往的火灾模拟实验^[1]，探测点布置在隧道顶棚附近及火灾上下游位置，不处于疏散走道附近，并不能直接表明高温有毒烟气对于疏散人员的伤害情况，通风对于威胁隧道使用人群的高温及CO气体的抑制效果也未得到研究。

       本文尝试将阻塞比等因素考虑在内，借助CFD软件，模拟纵向通风条件下的地铁隧道中发生火灾后的烟气运动规律，重点分析位于疏散人员走道位置的温度及CO浓度分布情况，评估通风的有效性，为将来的地铁设计及地铁火灾应对策略提供参考。

2 实验方法

       2.1 隧道模型

       根据福州地铁四号线实际工程设置隧道模型，设定隧道区间内停有6节编组列车，单节车厢的长宽高为19×2.8×3.8m，为城市大中型地铁线路常用的B型车厢尺寸。选取的隧道区间为盾构型直管段，长153m，隧道建筑限界直径6.2m，对应的阻塞比，为本文的低阻塞比实验组。根据地铁限界标准 CJJ/T96-2018^[22]，区间圆形隧道建筑限界直径普通道床地段最小应为5.2m，对应的阻塞比，作为高阻塞比实验组。

       2.2 模拟火源

       模拟火源用体积热源代替。根据UPTUN^[23,24]的研究，现行标准下的地铁车厢由于使用较多不燃材料，车厢着火情况下的放热率在10~50MW之间。但为了考虑火灾最不利情况下对于隧道使用人员的影响，UPTUN提议忽略火灾发展阶段的过程，火源保持最大放热率值。针对车头电气火灾，UPTUN建议使用10MW的恒定放热率数值。

       48%的列车火灾是由机械或电器故障引发的，而电子设备与刹车系统多位于列车下部^[8,9]，故将模拟火源设定在列车下部。为了模拟车头部位发生电器火灾，将模拟火源设定在车厢前端^[2,3]。为便于研究烟气逆流长度，将火源中心位置设为坐标原点。隧道内纵向通风由车尾部火灾上游区域送入，吹向车头下游发生火灾区域，如图1所示。

图1 模型示意图

       Ingason^[14]依据Runehamar隧道全尺寸燃烧实验测量的数据，推导出燃烧产生的二氧化碳含量与放热率关系的公式(2)。CO含量根据Vega ^[11]从EUREKA实验数据得到的结果，在不完全燃烧的模型中，每20ppm的约含1ppm的CO。因此，火源燃烧产物边界条件简化为的生成率（0.87kg/s），CO含量则根据上述理论直接计量。

       2.3 模拟场景及验证

       本次模拟利用计算流体力学软件FLUENT进行3D计算域内的流体的质量守恒，动量守恒及能量守恒方程求解。FLUENT是被广泛使用的CFD软件，有不少学者利用FLUENT研究火灾烟气特性^[11,12,13]。在体积热源边界设置细化网格（图2），组总网格数为294668个，组总网格数为239578个。湍流模型选择standard k−