城際鐵路隧道坡度對火災溫度及臨界通風速率的影響

王 奔

(懷化市消防支隊,湖南 懷化 418000)

0 引言

隨著我國基礎設施的不斷完善，軌道交通也得到了快速發展，由于地形多變，在交通網中遍布著無數的隧道，但是軌道交通隧道中一旦發生火災事故，會對隧道內的人員及消防救援人員造成嚴重威脅。然而關于列車在隧道內的火災試驗既耗人力物力財力，且試驗安全性不能保證，因此開展列車在隧道內的火災數值模擬研究具有一定現實意義。鑒于列車隧道火災造成的嚴重危害，國內外學者對此開展了大量研究，主要包括全尺寸試驗研究、縮尺寸試驗研究及數值模擬研究。當隧道內發生火災時，火源功率的大小為影響火災蔓延、煙氣分布及人員安全疏散的主要因素，關于隧道內火源功率的研究得到了眾多學者的廣泛關注，比較全面的有Timothy Shaw等開展的全尺寸隧道火災試驗研究，主要對隧道內不同車輛燃燒的火源進行研究，同時研究了不同火源功率下的火災蔓延規律。當隧道內發生火災后，由于隧道狹長空間結構的影響，火災產生的煙氣到達頂棚后發生頂棚射流，而后快速向隧道兩邊蔓延，然而當隧道存在一定的坡度時，煙氣的流動會截然不同。目前主要的煙氣控制方法是通過機械排煙的方式將煙氣排向一側，有許多學者開展了自然通風及機械通風下的火災頂棚煙氣溫度分布規律，同時建立了相應的溫度衰減經驗公式[1-10]。然而軌道交通隧道主要以客運為主，其火源復雜，火災形勢多變，關于這方面的研究較少。本文通過分析前人研究的經驗，建立不同坡度下軌道交通隧道火災的數值模擬模型，對不同坡度下的臨界通風速率及發生火災時煙氣的蔓延規律、頂棚的溫度分布及CO濃度分布進行分析，探討其火災危險性，并對軌道交通隧道火災的評估做出建議。

1 火災模型的建立

1.1 車體材料介紹及火源功率設置

本文以CRH6型動車組為例，構建列車火災模型。該車的尺寸為200 m×3 m×3.8 m，動車組主要組成部分為座椅、地板、旅客行李、窗簾等，列車內的材料主要有棉布、聚氨酯塑料、織物、PVC等材料，表1給出了各材料的熱力學性能參數。

根據實際要求和FDS自定義的參數值，按照表1設置列車材料的燃燒性能，其單位熱釋放速率為l 000 kW·m-2，模擬試驗采用一個面積為0.5 m×1.0 m規模的明火點火源，點火源熱釋放速率為2 000 kW·m-2，即點火源的功率為1 MW，點火源功率由0增長到1 MW的時間為1 s。

表1 列車內主要材料的熱力學參數

1.2 網格劃分

數值模擬軟件FDS使用大渦模擬LES計算方法，計算中網格尺寸大小對計算精度和計算時間影響非常大。FDS技術手冊中推薦網格尺寸為火災特征直徑D*的0.1倍左右，D*的確定與火災熱物性參數有關[11]，具體公式為：

式中，Q為熱釋放速率，ρ∞為密度，Cp為定壓比熱，T∞為環境溫度，g為重力加速度。

網格尺寸通常在火災特征直徑0.1倍附近取值，各個方向網格個數能被2、3或5整除。考慮到本文模擬的隧道較長(600 m)，故采取在模擬區域內的不同部位采用不同的網格劃分方式，即在受網格影響較大的火源周圍網格尺寸可較小，而遠離火源受網格影響較小區域的網格尺寸可適當放大的方式劃分網格。綜合考慮網格尺寸與火源功率，數值模擬的計算區域600 m×6 m×5.8 m，網格分為三個部分(如圖1所示)：第一部分網絡不加密，區域大小為200 m×6 m×5.8 m；第二部分網格加密，區域大小為200 m×6 m×5.8 m；第三部分網格不加密，區域大小為200 m×6 m×5.8 m。網格總數為111 360個。

圖1 模型示意圖

1.3 工況設置

火源位置、通風模式及隧道坡度示意圖如圖2所示，工況設置見表2。

圖2 火源位置及隧道坡度示意圖

表2 各工況匯總表

2 結果與討論

2.1 動車組火災情況及隧道坡度對頂棚煙氣溫度的影響

圖3所示為動車燃燒時列車內溫度分布規律，由圖可知當火災發生100 s時，列車內高溫區主要分布于列車上部，隨著火災的發展，200 s時，列車內高溫區逐漸向列車下方蔓延，且向兩端傳播，當火災發展到300 s時，整個列車內的最高溫度主要分布在列車中部，當火災發展到400 s時，火災逐漸向列車前后傳播，高溫區主要分布于列車兩端。

圖4所示為各坡度無通風情況下煙氣蔓延的規律，由圖可知，當隧道坡度為-4%時，由于煙囪效應的作用，煙氣主要向上坡方向蔓延，圖4(a)所示為火災發生1 000 s時煙氣的蔓延情況圖，可見煙氣回流長度較短。圖4(b)所示為火災發生1 000 s坡度為-1%穩定時煙氣蔓延規律，可見煙氣回流長度遠長于坡度為-4%的情況。圖4(c)所示為火災發生1 000 s坡度為3%時煙氣蔓延情況。對比不同坡度對動車組隧道火災煙氣的蔓延情況可知，煙氣的蔓延主要受煙囪效應影響，坡度越大，煙囪效應越明顯，煙氣回流長度越短。

圖3 列車內溫度分布規律

圖4 各坡度穩定時煙氣蔓延規律

圖5所示為各坡度無通風情況下隧道頂棚溫度分布曲線圖，由圖可見，隧道中心列車著火部位頂棚的溫度高于隧道兩邊的溫度，隧道左邊部分的溫度分布為，坡度-4%的溫度高于坡度-1%的溫度，坡度-1%的溫度高于坡度3%的溫度。其主要原因為，當坡度為-4%時，由于煙囪效應的作用，煙氣主要分布于左側，故其溫度高于-1%和3%，然而右側溫度3%坡度高于其他兩種坡度。

圖5 無通風時隧道頂板溫度分布曲線圖

2.2 不同坡度臨界風速下的煙氣溫度分布

2.2.1 煙氣蔓延規律

圖6所示為不同坡度臨界風速下隧道內煙氣蔓延情況，由圖可見，當各坡度沒有煙氣回流時，坡度為-4%時的臨界通風速率為2.52 m·s-1，坡度為-1%時的臨界通風速率為2.21 m·s-1，坡度為3%時的臨界通風速率為1.97 m·s-1。由此可見，當隧道內發生火災時，可根據隧道的坡度判定通風速率進行排煙，以防通風速率過慢，煙氣回流長度過長，或者通風速率過大造成煙氣紊亂。

圖6 不同坡度臨界風速下隧道內煙氣蔓延情況

2.2.2 隧道拱頂溫度分布

圖7所示為不同坡度臨界風速下隧道拱頂溫度分布曲線圖，由圖可見，在臨界通風速率下，下風向溫度高于上風向，且各坡度情況下縱向的溫度分布隨著與火源的距離增加，溫度逐漸降低。此外，坡度為-4%和3%，臨界通風情況下隧道頂棚最高溫度大約470 ℃左右，當坡度為-1%時，臨界通風下頂棚最高溫度大約為350 ℃。

圖7 不同坡度臨界風速下隧道拱頂溫度分布

2.3 不同坡度臨界風速下的CO濃度分布

圖8為不同坡度臨界風速下隧道內的CO濃度分布規律，由圖可見，當在臨界風速下，隧道內的CO主要分布于隧道下風向，且隨著與火源的距離增加，CO濃度降低，且不同坡度臨界風速下的CO濃度分布規律不同，隨著坡度的增加，隧道下風向的濃度增加。

圖8 不同坡度臨界風速下隧道內CO分布

3 結論

本文采用FDS模擬軟件研究了CRH6型動車組在隧道內著火時的溫度分布情況，隧道坡度對動車組火災煙氣蔓延、臨界通風速率的影響及相應工況下的溫度分布及CO濃度分布情況，得到隨著隧道坡度的增加，隧道內的煙囪效應越明顯，臨界通風速率變小。當該類火災發生時，可建議根據隧道的坡度及方向選擇合適的通風速率，且臨界通風速率下隧道內的CO主要分布于隧道下風向，消防員在救援時要注意CO的影響。