談城市鐵路隧道臨界風速的合理確定

田 博

(中鐵置業集團有限公司，北京 100055)

l*=-4.0+3.7Fr

l*=-3.1+1.3Fr

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談城市鐵路隧道臨界風速的合理確定

田 博

(中鐵置業集團有限公司，北京 100055)

采用試驗研究的方法，針對隧道內有列車和無列車兩種情況進行比較，通過分析臨界風速與隧道內火源熱釋放率、隧道斷面積等因素的關系，得出一般隧道中小型火災時通風系統需采用的合理理論臨界風速，為防排煙設計提供初步參考數據。

臨界風速，火源熱釋放率，回流長度

0 引言

從防排煙設計的角度，對鐵路隧道火災的研究最終都歸結于確定合適的臨界風速。能夠阻止隧道內有毒煙氣回流，并使煙氣與人員疏散方向逆向擴散的最小縱向通風速度稱為“臨界風速”。

城市鐵路隧道的臨界風速的確定，需通過城市鐵路隧道火災模型試驗進行模擬，由于城市鐵路隧道與山嶺鐵路隧道均屬于狹長的受限空間，煙氣流動特性相同，因此，此試驗部分成果可以借鑒山嶺鐵路隧道的火災煙氣流動研究。

對列車在一般隧道段的火災情況進行試驗，按實際隧道的斷面尺寸和1/20的縮尺比例制作隧道模型，研究不同火源熱釋放率和隧道風速下煙氣擴散情況，確定模型隧道控制煙氣的隧道臨界風速。

1 典型隧道段火災試驗模型

試驗模型裝置：一般隧道段試驗模型裝置由四部分組成：模型隧道(包含模型列車)、通風系統、燃燒系統和測試系統，模型隧道段長12 m，寬0.45 m，高0.39 m，見圖1。

隧道模型圍護結構由復合材質組成，由內到外分別為：2 mm厚鋼板→壁厚25 mm的混凝土→耐火粘土磚。為測試結果均勻，模型隧道設置100個溫度測量和煙氣監測孔，孔間距120 mm，監測點均勻布置。

煙氣溫度測量采用φ1 mm K型熱電偶，火源附近采用φ3 mm K型熱電偶，1級精度，共50個。

在隧道中部設置燃氣燃燒器，采用直徑為150 mm的多孔床形式，寬度與列車模型相同；多孔床燃燒面與隧道的底面平齊，模擬火源現場。

為測試隧道內有列車時對火災煙氣擴散的影響，在模型隧道中部放置一段總長為6 m的模型列車。

試驗時，采用ThermaCAMTM E30紅外成像儀對隧道中火焰燃燒情況進行測量。

通風測量系統由通風機、渦街流量計及測試接管構成，用于測量隧道通風流量，結果與驗證性模型試驗相似。

1.1 隧道無列車的試驗結果

根據測試結果，不同火源熱釋放率和不同風速下得到的煙氣回流長度結果，繪出回流長度—風速曲線，外推得到各種火源熱釋放率下的臨界風速，見圖2。

不同火源熱釋放率下，隧道無列車模型試驗的臨界風速試驗結果見表1。

表1 臨界風速試驗結果表(隧道無列車)

1.2 隧道有列車的試驗結果

為了研究列車阻塞對火災煙氣擴散的影響，在模型隧道中放置了一列車模型。

根據各種火源熱釋放率在不同風速下得到的煙氣回流長度結果，繪出回流長度—風速曲線可得到各種火源熱釋放率的臨界風速，見圖3。

隧道有列車阻塞模型試驗臨界風速不同火源熱釋放率下的臨界風速試驗結果見表2。

表2 臨界風速試驗結果表(隧道有列車)

2 結果比較及分析

2.1 回流長度的不同

將Fr數和無量綱回流長度l*分別定義如下：

(1)

(2)

式中：g——重力加速度；H——隧道高度；ρo——環境空氣密度；ρf——煙氣密度;V——隧道斷面風速;l——煙氣回流長度。

隧道內無列車時，無量綱回流長度可表述為：

l*=-4.0+3.7Fr

(3)

隧道內有列車時，無量綱回流長度可表述為：

l*=-3.1+1.3Fr

(4)

由公式可看出，有無列車兩工況下回流長度結果有較大差距，在相同的Fr數下，無列車時回流長度明顯更長；同時Fr數的變化對無列車工況回流長度影響更大。

2.2 臨界Fr數的差異

由Danzier,Kennedy和Heselden提出的臨界風速計算公式是根據Froude數和實驗數據推導的半經驗公式，如式(5)～式(8)所示：

(5)

其中,

(6)

(7)

(通過模型試驗得)(8)

其中，g為重力加速度；H為隧道高度；V為隧道通風速度；ρo為環境空氣密度；ρf為煙氣密度；Cp為定壓比熱；A為隧道斷面積；To為環境空氣溫度；Qc為火源熱釋放率的對流部分；φ為隧道傾斜角度，(°)。

通過美國Memorial組織的隧道測試證明，按式(5)～式(8)計算時，在較小火源熱釋放率時會導致臨界風速偏小，但在較大火源熱釋放率時會導致臨界風速偏大，所以FrC與火災熱釋放率相關，并不是一個常數，因此通過實驗可知：

隧道內無列車時，臨界Froude數與無量綱火災熱釋放率的關系可表述為：

(9)

隧道內有列車時，臨界Froude數與無量綱火災熱釋放率的關系可表述為：

(10)

根據式(9)，式(10)可知，可以用無量綱火災熱釋放率為0.1作為分界點，當大于0.1時，隧道內無論有、無列車，FrC都有所升高。這是因為火災熱釋放率在大于0.1時，臨界風速基本趨于穩定，與火災熱釋放率幾乎無關，所以會導致FrC值的計算變大。

所以，隧道火災臨界風速按式(3)計算是合理的，但FrC的取值應根據火災熱釋放率的不同進行相應選取，不能按定值計算。

2.3 臨界風速差異

從圖4可以看出，隧道內有列車時，臨界風速會減小。這是由于列車占據了部分斷面面積，使有效通風斷面減小，所以在相同的風量下平均風速有所增加，阻煙效果更加理想。

同時可看到，火源熱釋放率較小時臨界風速變化顯著；而當火源熱釋放率較大時臨界風速基本趨于穩定。

為比較圖4中的兩條擬合曲線的差異，定義臨界風速差異比α如下：

(11)

其中，下標tr表示有列車工況；ntr表示無列車工況。

由圖5可以看出，隧道內列車阻塞時的臨界風速與無阻塞時的臨界風速近似成比例關系，臨界風速差異比α基本位于0.23附近。

因此，理論上可以利用無列車條件下得到的臨界風速測試結果，通過阻塞比的修正，得到有列車時隧道火災的臨界風速。

2.4 實際隧道臨界風速

根據Froude的試驗模擬方法，原型和模型的速度與火源熱釋放率相似關系分別為：

由于模型試驗縮尺比為1/20，對應實際隧道的臨界風速為表3數值。

表3 實際隧道臨界風速

鐵路隧道內列車發生火災時，隧道內總是存在列車阻塞，設計時可在表3基礎上考慮一定的安全余量確定設計風速。

3 結語

通過上述分析可得出以下結論：

1)有列車和無列車情況下臨界風速差異：因為列車的阻擋作用，火源附近通風斷面減小，使得在相同的縱向風量條件下，局部平均風速增加，阻煙效果更好。火源熱釋放率較小時臨界風速變化顯著；而當火源熱釋放率較大時臨界風速基本趨于穩定。臨界風速差異比α如下：

2)隧道內有列車阻塞時的臨界風速與無阻塞時的臨界風速近似成比例關系，且隧道阻塞比α稍小于臨界風速差異比。因此，可以按無列車阻塞得到的臨界風速試驗結果，通過阻塞比的修正，得到有列車阻塞時隧道火災的臨界風速。

3)一般隧道段的臨界風速仍可按Kennedy公式計算，但FrC的取值應按下列情況選用：

a.隧道內無列車時，臨界Froude數與無量綱火災熱釋放率的關系可表述為：

b.隧道內有列車時，臨界Froude數與無量綱火災熱釋放率的關系可表述為：

4)鐵路隧道內列車發生火災時，隧道內總是存在列車阻塞。目前，一般隧道火災規模按隧道熱釋放率大致分為三種：小型火災介于0 MW～3 MW之間，中型火災介于3 MW～20 MW之間，大型火災介于20 MW～50 MW之間。但是考慮到實際發生大型火災的幾率較低(大型火災可以采用其他一些特殊手段消除和減少)，本文僅列出針對一般隧道段中、小型火災縱向通風臨界風速近似值，建議在火災熱釋放率為3 MW～10 MW的火災情況下，一般隧道段火災縱向通風臨界風速不小于2.19 m/s；在火災熱釋放率為11 MW～25 MW的火災情況下，一般隧道段火災縱向通風臨界風速不小于2.64 m/s。設計時可在此基礎上考慮一定的安全余量，確定通風系統的設計風速，既可以保證通風系統的安全性與經濟性，同時也滿足GB 50157—2003地鐵設計規范中對區間火災時防排煙風速2 m/s～11 m/s的取值規定。

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Discussion on rational determination of critical velocity of urban railway tunnel

Tian Bo

(ChinaRailwayPropertyIndustryGroupCo.,Ltd,Beijing100055,China)

Applying experimental research method, the paper compares two kinds of tunnel conditions with and without trains. Through analyzing critical velocity and internal tunnel fire source heat releasing ratio and tunnel section area and other factors, it finally finds out that: rational theoretical critical velocity should be adopted in internal tunnel ventilation system for small and medium fire, which has provided some basis for ventilation and smoke-exhausting design.

critical velocity, fire-source heat release ratio, recirculation length

1009-6825(2015)18-0192-04

2015-04-16

田 博(1977- )，男，工程師

U453.5

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