地鐵列車運行速度對客室內火災煙氣擴散的影響*

毛 軍 王少華 郗艷紅 胡嘉偉 王 丹

(1.北京交通大學土木建筑與工程學院，100044，北京；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，100082，北京；3.北京市地鐵運營有限公司，100044，北京∥第一作者，教授)

地鐵地下空間相對封閉，一旦發生火災，人員疏散困難，極易造成人員傷亡[1-2]。為此，國內外對地鐵發生火災后的煙氣擴散、人員疏散和應急救援問題進行了諸多研究[3-6]。其中，地鐵隧道中的列車火災及其應急救援是一類較為復雜的情況，相關研究十分有限。文獻[7]提出了隧道運動火源的計算方法，建立了火災熱釋放速率與列車運行速度的關系模型；文獻[8]使用STAR-CD軟件對列車頂部著火的火災煙氣特性進行了數值模擬計算，分析了列車運行速度與煙氣流動特征、溫度分布特性的關系。但上述研究均假定車體著火，未考慮客室內部著火的情況，而客室著火會直接危及乘客的生命安全。因此，針對火災發生在客室內部、列車繼續運動的場景，分析不同車速對列車內部火災煙氣擴散的影響，揭示其規律十分必要。

1 地鐵隧道模型與車輛模型

以北京地鐵B型車在某區間隧道內運動的情形為例建立計算模型，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道和車輛的截面圖

地鐵隧道的長度為1 200 m，內部凈空高度為5.2 m，圓弧直徑為6 m，底面寬度為4.2 m。車輛的外形尺寸為19 m(長)×2.8 m(寬)×3.5 m(高)。客室頂部安裝有通風排煙裝置，可將其排風口簡化為如圖2面積相等的集中式排風口。客室內部凈空高度為2.1 m，煙氣在車頂下方的凈空間內流動。假定長方體火源位于客室中部，其長、寬、高分別為2.5 m、1.4 m、0.4 m，火源底面距離地板0.2 m。客室頂部有2個尺寸為1 m×1 m的方形排風口，風口距離車輛兩端的距離分別為4 m；在客室側面布設4個尺寸為0.5 m×0.5 m的進風口，進風口到兩端的距離均為1 m。列車的加、減速度分別為0.83 m/s2和1.00 m/s2。

圖2 簡化地鐵車輛客室模型三維視圖

2 數值模擬條件

2.1 基本邊界條件

按非定常流動考慮，在初始時刻，隧道內各處的空氣壓力均為一個大氣壓，空氣流動速度均為0，環境溫度為17 ℃。相對大氣壓為0。地鐵隧道的進口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界。地鐵隧道壁面均為無滑移壁面。

2.2 網格劃分

考慮到計算速度和計算結果精度的要求，采用結構化網格。車輛客室和火源附近區域的網格尺寸分別為0.3 m和0.2 m。客室內部的網格劃分如圖3所示。

圖3 地鐵車輛客室內部的網格劃分

2.3 客室內運動火源設置

假定乘客行李著火，火源采用體積熱源模型，即假定為一個熱源和一個質量源。假定火源熱釋放速率按時間平方關系增長，并在列車運行到地鐵隧道中部時達到最大，其值為2 MW[10]。質量源主要是產生CO和CO2的混合氣體，前者的比例為5%，后者為95%[11]。

模擬中的列車運行由UDF(用戶定義函數)控制。列車經歷加速、勻速以及減速三個階段，到達隧道出口時停止運行。列車動模型計算流程圖如圖4所示。

圖4 列車動模型計算流程圖

2.4 計算工況設置

為了分析列車運行速度和通風條件對客室內部火災煙氣擴散過程的影響，設定若干工況進行模擬計算，參見表1。

表1 計算工況設置

3 計算結果分析

3.1 客室內外溫度及煙氣的時變規律

列車在隧道內運行時，客室內部的煙氣擴散過程隨時間發生變化。圖5為工況3下不同燃燒時間t隧道縱向中心截面的溫度和煙氣濃度分布情況。

圖5 工況3下不同燃燒時間隧道縱向中心截面的溫度和CO質量分數分布

由圖5可知，隨著時間的增加，客室內的溫度不斷升上，煙氣在客室內逐步擴散，高溫區域從客室中部不斷向客室兩端擴展，且濃度也越來越高。同時，客室內的煙氣因受到慣性作用，會產生與列車運動方向相反的相對運動。因此，客室內的高溫、高濃度區域向客室后部明顯偏移，客室后半部分的溫度和煙氣濃度均明顯高于客室的前半部分。t=40 s時，客室內的最高溫度約為100 ℃；t=60 s時，客室內的最高溫度達到296 ℃；而CO質量分數分別達到2.87%和4.74%。

為了進一步分析客室內煙氣的溫度和濃度的變化規律，考慮人員視線高度[7-8]，在客室內高1.7 m的水平面以及過客室中心的縱向截面上設置32個數據采集點，以獲取不同位置溫度和煙氣濃度的分布情況，結果如圖6所示。

由圖6 a)可知，隨著燃燒時間的增加，火源四周的升溫區域越來越大，客室內部的溫度也不斷升高。t=40 s時，火源兩側的最高溫度不超過50 ℃；而t=60 s時，大部分區域的溫度已經超過175 ℃。客室內前半部分區域的溫度并沒有明顯的增長，而客室后半部分區域內的溫度隨時間增加而明顯增大。

由圖6 b)可知，火源附近的煙氣分布大致和溫度相同。隨著時間的增加，煙氣的擴散范圍不斷增大，濃度逐步升高。t=40 s時，火源兩側的CO質量分數不超過0.5%；t=60 s時，客室內1.7 m高度位置處的CO質量分數超過3.5%。同時，客室內前半部分區域的CO質量分數并沒有明顯的增長，而客室內后半部分區域內CO質量分數隨著時間的增加而增長。

需要指出的是，客室外的車體前方和后方區域的溫度和煙氣濃度分布有所不同。其原因是：列車在隧道中運行時的活塞風效應使列車與隧道之間的環形空間內產生從車頭指向車尾的氣流，并在車頂附近產生負壓，從而使車內偏向尾部區域的煙氣通過客室尾部的排風口流向隧道內，形成車內煙氣向隧道內的擴散情形；而客室前方不存在煙氣擴散情況。

3.2 列車運行速度對溫度場和煙氣濃度的影響

列車的運行速度對客室內的煙氣溫度分布和煙氣流動都有較為明顯的影響。圖7為不同工況下，列車頭部距離隧道出口500 m和100 m處時，客室內部溫度和CO質量分數的分布情況。

圖7 不同工況下列車距離隧道出口不同距離時客室內測點溫度和煙氣分布情況

由圖7可知，隨著列車運行速度的增加，客室內各點的溫度和煙氣濃度呈下降趨勢。火源兩側縱向的溫度和煙氣濃度呈不對稱分布，客室尾部區域的溫度和煙氣濃度總體上均遠大于前部區域的。各點的溫度和煙氣濃度亦隨列車運行速度的增加而降低。同時，隨著列車至隧道出口的距離不斷減小，列車活塞風效應逐步減弱，客室內前部區域(例如火源右側6 m處之后)的煙氣溫度和煙氣濃度有所回升。

事實上，可建立客室內溫度與列車運行速度之間的定量關系。在客室內火源左側即后部區域選取2個監測點，分析其溫度隨列車運行速度的變化情況，發現可用二次函數表示二者之間的關系。圖8為二者的擬合曲線，擬合關系式為：

圖8 測點溫度隨速度變化擬合曲線

T1=0.009 1v2-1.641 58v+340.170 49

(1)

T2=0.019 19v2-2.803 27v+349.346 3

(2)

式中：

T1,T2——分別為測點1和測點2處的溫度；

v——列車運行速度。

由圖8可見，當列車運行速度從30 km/h增加到70 km/h時，煙氣溫度隨列車運行速度的增高而降低，且呈二次函數關系。出現上述變化趨勢的主要原因是：客室頂部排風口的風速及排煙速率隨時間的增加而增加。圖9為列車運行速度為50 km/h時，排風風速及排煙速率隨時間變化的過程。因此，列車運行速度越高，客室內同一位置截面以及相同位置測點的溫度和煙氣濃度就越低。主要原因是：其一，列車運行速度越高，車頂風口附近的風速就越大，單位時間內通過風口排出的煙氣就越多；其二，盡管列車運行速度不同，但火源的熱釋放速率均在列車行至隧道中間位置時達到穩定，即此時在單位時間產生的熱量和煙氣質量是相同的。因此，列車運行速度越大，到達隧道同一位置截面的時間就越短，產生的熱量和煙氣質量就越少。

圖9 列車運行速度為50 km/h時客室排風風速與排煙速率的時變規律

4 結論

1) 列車在地鐵隧道中運行中客室內部發生火災后，客室內的溫度和煙氣濃度均呈非均勻分布，后半部分區域的溫度和煙氣濃度總體上遠大于前半部分區域的；客室外前方區域的溫度和煙氣濃度并沒有明顯的增長，而客室外后方區域內的則隨著時間的增加而增長。

2) 列車活塞風效應對客室內煙氣溫度和煙氣濃度有較大影響。隨著列車至隧道出口距離的減少，活塞風效應的逐漸減弱使得客室內前部區域的煙氣溫度和煙氣濃度有所回升。

3) 客室頂部自然通風口的風速以及煙氣排出速率隨列車運行速度的增大而增大，客室內各點的溫度和煙氣濃度隨列車運行速度的增加呈二次曲線關系減小。

本文研究結果對客室內煙氣監測傳感器和報警裝置的設置、車載排煙口的設計以及車內人員的疏散方向選擇均具有一定的參考價值。