基于Pyrosim模擬的地鐵隧道火災火場環境變化研究

王鵬 劉萬福

摘要 隨著我國經濟社會的不斷發展，諸多城市內已經建成了龐大的地下交通網絡，以地鐵為首的城市地下軌道交通方式具有方便快捷、安全可靠等優點，目前已經成為城市居民出行的首選交通方式。但是，一旦地鐵內發生火災，對于乘員人身安全的威脅是巨大的，這是因為在區間隧道火場環境下，火情蔓延速度快、有毒煙氣不易排放、地下能見度不足、乘員人員密集等因素導致的。基于此，文章以Pyrosim模擬研究的方法，對地鐵隧道火災火場環境的變化進行研究，以溫度、CO濃度、能見度為主要指標，綜合判定兩個試驗工況下火場環境變化規律。結果表明，在不開啟通風的自然條件下，火場環境溫度升高，CO濃度升高，能見度降低，均會對于人員安全造成極大影響，在開啟縱向通風的條件下，則會在上風向創造人員疏散安全環境。

關鍵詞 火場環境;Pyrosim;溫度;CO濃度;能見度

中圖分類號 U231.96 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0178-03

收稿日期：2022-04-18

作者簡介：王鵬（1996—），男，研究生在讀，工學碩士，研究方向：火災環境下的熱物理過程。

通信作者：劉萬福（1957—）男，博士研究生，教授，研究方向：環境安全中的熱物理過程。

0 引言

地鐵建筑主體通常情況下處在地下位置，發生火災時危害極大[1]。在此背景下，該文基于Pyrosim軟件火場環境模擬過程，針對地鐵隧道火場環境變化關鍵參數進行研究，探尋在無通風以及開啟縱向通風模式下地鐵隧道火災火場環境的變化規律，對于科學組織人員疏散及通風模式有一定的指導意義。

1 研究工具及模型的建立

1.1 研究工具簡介

Pyrosim火災仿真軟件是由美國Thunderhead Engineering

公司在基于FDS（Fire Dynamics Simulator）的基礎上進行開發的，FDS是由美國標準與技術研究院（NIST）進行研發的，通過納維-斯托克斯方程來計算模擬現實燃燒的復雜過程。

1.2 物理模型的建立

該文主要以類矩形單洞雙線隧道以為研究對象，對這種隧道結構形式下的火災環境參數變化規律進行研究。由于該文的研究重點為煙氣在事故隧道的蔓延情況以及人員疏散情況，為節省計算成本，僅建立事故隧道模型，在事故隧道建立列車模型，具體參數為列車編組節數6節單節車廂基本長度22 m，單節車廂基本寬度3 m，單節車廂頂棚高度3.7 m，單節車廂每側車門數5對，車門寬度1.3 m。

1.3 火災模型參數的確定

該次模擬實驗將火源熱釋放速率設置為7.5 MW。由于區間隧道火災屬于非穩態火災，根據地鐵列車上可燃物的燃燒性質，該文將地鐵區間隧道火災設計為快速火模型[2]，火災增長系數為0.046 9，當時間為400 s時，火災熱釋放速率達到最大值7.5 MW。選取Pyrosim軟件中的“POLYURETHANE”反應，火源熱釋放速率設置為7.5 MW，燃燒面積為1 m*1 m。邊界條件為在模擬風機失效時端口設置為“OPEN”表面，在模擬風機縱向送風時，端口設置為“SUPPLY”表面，設置“Specify Velocity”選項為2 m/s，即縱向通風風速為2 m/s。

1.4 隧道火災模擬實驗方案的設計

為全面掌握地鐵隧道火災火場變化情況，該文將采用無通風以及縱向通風兩種方式進行模擬，列車位于隧道中部，火災位置選取在列車端部，確定如下兩種工況進行模擬研究。A1工況為隧道一端風機強制縱向通風狀態，A2工況為自然通風狀態。為明晰火災情況下隧道空間區域內危險性的變化情況，該研究將空間區域離散化，共將整體空間區域分為28個子區域，分別布置CO濃度測點、溫度測點以及能見度測點，空間區域劃分圖如圖1所示。

1.5 隧道火災安全環境的判別方法

在該研究中將危害人員生命健康的主要因素確定為隧道溫度、CO含量、能見度。以此來判斷隧道火災的安全環境，該研究認為一般危險區域溫度界限為55 ℃，絕對危險區域溫度界限為90 ℃;一般危險區域的CO濃度界限為400 ppm，絕對危險區域的CO濃度界限為800 ppm。最后，人員在大空間區域內可以承受的能見度閾值為10 m，故該文認為一般危險區域的能見度界限為10 m，不設絕對危險閾值。

2 火場環境工況模擬結果及分析

2.1 A1工況火災模擬結果及分析

在A1工況下，各區域達到絕對危險區域以及一般危險區域的時間統計見圖2。由圖可知，在開啟縱向通風排煙情況下，6～10、17～28、24～28區域保持安全，僅近火源區域的子區域變為絕對危險區域，下風向子區域會變成一般危險區域。

受溫度影響，疏散平臺區域16在272 s時成為絕對危險區域，在550 s時CO濃度達到絕對危險標準，由于測點設置的原因，在此工況下區域16所屬部分既包括下風向部分也包括上風向部分，認為區域16上風向部分區域始終保持安全環境;在列車區域23，受溫度升高影響340 s時成為絕對危險區域。下風向區域1～5、11～16、23自46 s起均逐漸轉變為一般危險區域，距離火源越遠轉變為一般危險區域的時間就越長，但是疏散平臺15區域受能見度影響轉變為一般危險區域的時間略高于距離火源更近的16區域。總的來看，在開啟機械通風的情況下，能見度會迅速降低到10 m以下，對人員疏散造成威脅。相較于能見度，CO濃度除近火源區域外不會達到嚴重危害人員健康的400 ppm的標準，而溫度僅在火源下風向200 m范圍內超過55 ℃，在遠火源區域，溫度對于人員疏散逃生的威脅是可控的。

2.2 A2工況火災模擬結果及分析

A2工況下，各區域達到絕對危險區域以及一般危險區域的時間統計見圖3。

由圖3可知，在防排煙系統失效的情況下，在3 000 s時間范圍內除靠近兩端站臺的1、10、11、26區域外，其他區域均會轉變為絕對危險區域，且除近火源區域外，其他子區域主要是受到CO濃度升高的影響轉變為絕對危險區域。全部子區域均會變成一般危險區域，主要受到CO濃度以及能見度變化的影響。空間區域距離火源越遠轉變為危險區域以及一般危險區域的時間也就越長。但這一規律在近火源100 m范圍內受CO濃度影響的危險環境時間變化規律卻有例外，因為首先形成較厚煙氣層的位置并不在火源處，而是在火源附近位置，所以CO濃度累積在這些位置也是相對較快的，除此之外，溫度僅在子區域16、23兩個最靠近火源的位置達到了95 ℃，在火源附近100 m范圍達到55 ℃，對于整體區域安全的影響范圍較窄。

3 結論

（1）采用2 m/ s的縱向通風風速可以遏制煙氣向上風向傳播，為人員安全疏散創造了有利環境。

（2）能見度快速下降到10 m的時間要先于溫度到達55 ℃以及CO濃度達到200 ppm的時間，可見在地鐵隧道火災中，能見度的快速下降會首先導致火災環境對于乘員造成不利影響。

（3）溫度對于人員安全疏散的影響主要集中在近火源區域內，是否開啟縱向通風模式對于溫度擴散范圍的影響不大，但會有效遏制上風向熱量的擴散以及累積。

（4）CO濃度在自然通風環境下會隨著時間的推移在全隧道區域內超過400 ppm。在開啟縱向通風后，CO濃度在下風向近火源區域仍會超過400 ppm，但隨著時間的推移，下風向遠火源區域的CO濃度不會達到400 ppm，但會超過200 ppm。

綜上所述，在隧道火災發生后，如若不采取通風手段，火場安全環境狀況會對人員疏散造成較大影響，開啟縱向通風模式后，會在上風向創造出人員安全疏散環境，為火場救援以及人員疏散爭取到有利條件。

參考文獻

[1]仇培云， 史聰靈， 汪良旗， 等.地鐵長大區間隧道火災排煙模式有效性研究[J]. 安全， 2020（6）： 47-52.

[2]朱慶松. 地鐵區間隧道火災煙氣流動特性及人員疏散研究[D].馬鞍山：安徽工業大學， 2019.