地铁区间隧道火灾通风模式的数值分析

关键词 地铁区间隧道火灾 通风排烟模式 临界风速 联络通道

0 引言

地铁属于人员密集场所,一旦发生火灾,后果将不堪设想。针对地铁区间隧道火灾, 目前 规范要求司机应尽最大可能将列车驶出隧道进入前方站台后进行人员疏散,倘若列车无法驶入前方站台而被迫停靠在漆黑的隧道中,应启动地铁区间隧道通风排烟系统进行排烟,在这种情况下,确定合理的通风模式至关重要。地铁区间隧道的火灾通风排烟模式是非常复杂的,它与列车的停靠位置、人员的疏散方向、火灾发生位置以及区间隧道是否设置联络通道等因素有关。 本文通过分析研究,提出了地铁隧道火灾中几种复杂的通风排烟模式,选取了其中一种最复杂的模式,利用CFD方法进行了具体的数值模拟分析,得出了该模式下的最佳烟控送风速度。

1 地铁区间隧道火灾的通风排烟模式

图1a,1b为火灾发生在列车端部的情形,此时的送风方向应本着与大多数人员的逃生方向相反的原则来确定,若联络通道处于上风侧(图1a),则不需要考虑联络通道内的风向;若联络通道处于下风侧(图1b),为防止烟气向另一条区间隧道扩散,则应该通过联络通道向着火隧道加压送风。图1c,1d为火灾发生在列车中部的情形,此时应根据列车的停靠位置来判断送风方向。当列车停靠在靠近车站位置时(图1c),考虑到利用车站排烟更为有利,因此采用向车站方向送风的通风方式,此时联络通道处于上风侧,不需要考虑烟气的扩散;当列车停靠在靠近中间联络通道时(图1d),为保证更多的人逃生,则应该采用向联络通道方向送风的通风方式,此时联络通道处于火灾下风侧,应保证联络通道内具有指向着火区间隧道的送风,从而可以保证人员通过联络通道逃生。通过对以上四种模式的分析,可以看出图1d对应的火灾通风模式为最不利模式。下面将对该种通风模式进行数值模拟分析,从而得出该模式下的临界风速以及保证联络通道内无烟的未着火区间隧道两端的最佳送风速度。

2 数值模拟分析

2.1 物理模型和边界条件 地铁隧道围护结构壁面采用无滑移边界条件,考虑到隧道轴向导热与径向导热相比可忽略不计,因此隧道围护结构的导热按径向导热处理,并假定围护结构外壁面温度与地面下深层土壤温度相同,取20℃。隧道内气流通过对流换热和热辐射与隧道壁进行热量交换,近壁第一个节点的湍流黏度和换热系数等采用壁面函数法处理,辐射换热模型采用PHOENICS自带的IMMERSOL模型。隧道入口给出速度和温度边界条件,入口送风温度为环境空气温度20℃,出口给出压力边界条件。

2.2 火源设置2.3 数值 计算 方法

模拟采用PHOENICS软件。湍流模型选用带浮升力修正的K-ε两方程模型,动量方程采用交错网格方法进行离散,其余方程的离散采用有限容积法,网格划分个数为200(L)×50(W)×20(H),差分格式选用混合格式,求解方法为SIMPLE算法,计算终止时间为火灾发生后600s,时间步长为1s,迭代收敛判据为10-3。边界条件的处理采用将其处理为各相应变量的源项的方法[7],计算网格采用正交的结构化网格。

3 计算结果分析

3.1 临界风速的模拟结果分析

关于隧道火灾的烟气控制,临界风速一直是隧道防排烟系统设计的一个重要参数,它与火灾强度、隧道几何形状、隧道坡度、壁面粗糙度以及火源的大小形状等因素有关。当纵向通风速度大于临界风速时,隧道内的烟气由原来的双向扩散变为单向扩散,从而可以为人员疏散和消防救援提供一条无烟通道。为了确定固定火灾强度下的临界速度,笔者分别模拟研究了纵向通风速度为2.0m/s,2.3m/s,2.6m/s和2.9m/s时的烟气扩散情况(火灾强度为10MW),烟气层的边界由0.1kg/m3的等浓度线来确定,对应的烟气体积分数为0.015。模拟结果如图3所示。

3.2 临界风速下相邻区间隧道和联络通道内的烟气分布

在隧道发生火灾时,联络通道对人员疏散起着重要的作用,可作为疏散通道考虑,为 研究 火灾条件下联络通道的安全性,以2.9m/s作为着火区间隧道的纵向通风速度,在未着火区间隧道两端不送风、两端对送送风速度0.5m/s、两端对送送风速度1m/s以及两端对送送风速度1.5m/s四种情况下,研究 分析 烟气通过联络通道向未着火区间隧道的扩散情况,模拟结果如图4~7所示。 从图5a可以看出,在0.5m/s的两端对送送风速度下,未着火区间隧道内仍然布满了大量的烟气,只是烟气的体积分数最大值为0.09左右,比图4a中的有所减小。此时未着火区间隧道内烟气的温度与送风气流温度差不多,为20℃左右,不会对人员生命构成危险。从图7b,7c可以看出,烟气在联络通道内的温度和体积分数平均值比两端不送风时大大减小,高温区位于联络通道顶部, 影响 距离大约为一个隧道宽度,其他大部分区域的温度值在20℃左右。

3.3 临界风速下联络通道中心断面的速度分布

图8给出了未着火区间隧道四种不同通风方式下联络通道内的速度分布情况。从图8a可以看出,在未着火区间隧道两端不送风的情况下,烟气沿联络通道顶端以较大的速度从着火区间隧道进入未着火区间隧道,联络通道内的速度最大值为3m/s左右。图8b中由于未着火区间隧道两端对送送风形成正压,导致联络通道内下部有通向着火区间隧道的气流,但联络通道上部仍有部分烟气扩散进入未着火区间隧道。图8c中联络通道内指向着火区间隧道的风速较大,最大值为5m/s左右,仅有极少量烟气从联络通道顶部进入未着火区间隧道内。图8d中联络通道内的风速为6m/s左右,烟气在联络通道内的扩散完全得到了抑制。考虑到6m/s的风速人是可以承受的,因此未着火区间隧道两端的最佳送风速度应该控制在1~1.5m/s之间。

4 结论

4.1 比较分析了带有一个联络通道的区间隧道火

灾常见的四种通风排烟模式,得出了当列车停靠在靠近中部联络通道位置,并且火灾发生在列车中部时对应的火灾通风排烟模式为该区间隧道的最复杂模式。4.3在着火区间隧道保持2.9m/s的纵向通风速度下,未着火区间隧道两端的最佳送风速度范围为1~1.5m/s,在此送风速度范围内,联络通道内具有速度为6m/s左右的指向着火区间隧道的气流,既保证了烟气无法通过联络通道扩散进入未着火区间隧道,又不会影响人员的安全疏散。

参考 文献 [2]KumarS,CoxG.Mathematicalmodelingoffiresinroadtunnels[C]∥5thInternationalSymposiumontheAerodynamicsandVentilationofVehicleTunnels,1985

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[7]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安 交通 大学出版社,2001