坡度與活塞風對地鐵長區間隧道火災點式排煙的影響

唐海峰 雷 波

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坡度與活塞風對地鐵長區間隧道火災點式排煙的影響

唐海峰 雷 波

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

采用數值模擬方法對點式排煙模式下地鐵長區間隧道火災煙氣流動進行了計算分析，研究了坡度與活塞風對排煙效率與煙氣溫度分布的影響。結果表明：煙氣不僅受排煙風口的抽吸作用，同時坡度與活塞風影響隧道內煙氣流動，點式排煙模式下坡度與活塞風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；點式排煙；坡度；活塞風

0 引言

現有的地鐵區間隧道火災通風模式主要為縱向通風，即采用射流風機結合隧道風機將煙氣控制在通風下游側，并通過風井將煙氣排出隧道，通風方向取決于火災列車的著火點位置。縱向通風具有土建工程小，運營費用低等優勢，但當火源位于列車中部時，無論怎么改變縱向通風方向，總有部分車廂處于火災煙氣中；當隧道內同時存在多輛列車時，縱向通風可能使得煙氣蔓延到通風下游側未著火的列車，如圖1所示。相較于傳統排煙模式，點式排煙對煙氣的控制能力更強，但是需要更高的自動控制要求，即在火災發生且列車減速停車后，立即打開火源附近的排煙風口進行排煙，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煙氣流動進行了計算分析，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系統中單點式排煙優于多點式排煙。吳萍[2]指出了地鐵長區間隧道火災點式排煙的特殊性，并通過控制變量法得到了排煙風量、風口尺寸等參數對排煙效率及煙氣特性的影響規律，證明了雙點式排煙的優越性。

坡度與活塞風影響隧道內煙氣流動[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對排煙效率及煙氣溫度分布的影響。

圖1 縱向通風對下游側疏散環境影響示意圖

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立排煙風道的單洞雙線地鐵長區間隧道，隧道拱部安裝隔板修筑頂部排煙風道，隔板上等距離安設排煙風口。由于隧道的對稱性，本文進行了適當的簡化，取對稱的單線隧道進行計算，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。風道高1.25m，寬5.5m。列車位于隧道正中間，選用標準B型車，尺寸為120m×2.8m×3.8m。列車側壁面厚度為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，設隧道上坡方向與車頭方向相同時坡度為正。

環境溫度為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。風道端頭為排風條件，雙向對稱排風。設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，部分學者通過模型實驗驗證了FDS軟件對于隧道火災計算的準確性[5,6]。

圖4 隧道模型圖

2 計算結果及分析

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

2.1 排煙效率與溫度控制要求

定義排煙效率為=0～0內單個風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為火災計算時間，0=360s[7]；12為靠近車尾、車頭風口的排煙效率；12為單位時間靠近車尾、車頭風口的排煙量；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，經計算單位時間火源CO2的生成量為0.46kg/s。

NFPA130[9]對于地鐵區間隧道內火災可忍受環境做了明確要求，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鍵參數。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

設火源位置為=0，>0為車頭方向，選取不考慮活塞風影響時隧道坡度=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偏移，且上坡側風道內煙氣流速大于下坡側。

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。由于風口的對稱抽吸作用，=0%工況與=3%工況煙氣集中在“風口段”（兩開啟風口之間的區域），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。不考慮活塞風影響工況1、2=46%，由于活塞風使得煙氣向火源下游側偏移，考慮活塞風影響工況1降低至20%，2升高至54%。

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

圖6 煙氣溫度隨時間變化

圖7為不考慮活塞風影響工況=360s與考慮活塞風影響工況=180s時疏散路徑人高處煙氣溫度縱向分布圖。不考慮活塞風影響工況，煙氣溫度以火源為中心基本呈對稱分布，煙氣環境滿足溫度控制要求。由于活塞風使得煙氣向火源下游側偏移，考慮活塞風影響工況上游側煙氣溫度降低，而下游側煙氣溫度升高，=30～65m區域煙氣溫度超過了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%。這是由于坡度為負時，坡度促進了隧道風速的衰減，煙氣容易回流至“風口段”；隨著坡度向著正坡方向增大時，隧道風速衰減的速度減慢，風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“風口段”回流的速度較快，=-3%工況火源下游側煙氣溫度隨時間升高與降低的速度都較快，煙氣溫度達到最高值的時間提前至=140s。=3%工況煙氣向“風口段”回流的速度減慢，下游側煙氣溫度隨時間不斷升高，煙氣溫度達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%工況火源上游側煙氣溫度高于=3%工況，而下游側煙氣溫度低于=3%工況；=-3%工況不滿足溫度控制要求的區域為=30～55m區域，=3%工況不滿足溫度控制要求的區域擴大為=30～75m區域。這是由于坡度為負時，向下游側偏移的煙氣量較少；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 結論

本文基于排煙風量為40m3/s、風口尺寸為2m×3m、風口間距為60m、火源位于兩開啟風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對地鐵長區間隧道火災排煙效率及煙氣溫度分布的影響，得到以下結論：

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

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

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

[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.地鐵長區間隧道點式排煙的煙氣特性研究[D].成都:西南交通大學,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.

[4] 陳霖.地鐵隧道著火列車繼續運行條件下的煙氣特性研究[D].成都:西南交通大學,2016.

[5] 胡順利,畢海權,何磊.縱向擋煙垂壁在單洞雙線隧道中的應用[J].制冷與空調,2014,28(1):53-56.

[6] L F Chen, L H Hu, W Tang, et al. Studies on buoyancy driven two-directional smoke flow layering length with combination of point extraction and longitudinal ventilation in tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 2013,59:94-101.

[7] GB 50157-2013,地鐵設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[8] 潘一平.隧道火災集中排煙模式下的排煙效率研究[J].安全與環境學報,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，博士生導師，E-mail：lbswjtu@163.com

2017-05-10