基于Pyrosim模擬的地鐵隧道火災(zāi)火場(chǎng)環(huán)境變化研究

王鵬 劉萬(wàn)福

摘要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，諸多城市內(nèi)已經(jīng)建成了龐大的地下交通網(wǎng)絡(luò)，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(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為城市居民出行的首選交通方式。但是，一旦地鐵內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，對(duì)于乘員人身安全的威脅是巨大的，這是因?yàn)樵趨^(qū)間隧道火場(chǎng)環(huán)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(dǎo)致的?；诖耍恼乱訮yrosim模擬研究的方法，對(duì)地鐵隧道火災(zāi)火場(chǎng)環(huán)境的變化進(jìn)行研究，以溫度、CO濃度、能見度為主要指標(biāo)，綜合判定兩個(gè)試驗(yàn)工況下火場(chǎng)環(huán)境變化規(guī)律。結(jié)果表明，在不開啟通風(fēng)的自然條件下，火場(chǎng)環(huán)境溫度升高，CO濃度升高，能見度降低，均會(huì)對(duì)于人員安全造成極大影響，在開啟縱向通風(fēng)的條件下，則會(huì)在上風(fēng)向創(chuàng)造人員疏散安全環(huán)境。

關(guān)鍵詞 火場(chǎng)環(huán)境;Pyrosim;溫度;CO濃度;能見度

中圖分類號(hào) U231.96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0178-03

收稿日期：2022-04-18

作者簡(jiǎn)介：王鵬（1996—），男，研究生在讀，工學(xué)碩士，研究方向：火災(zāi)環(huán)境下的熱物理過程。

通信作者：劉萬(wàn)福（1957—）男，博士研究生，教授，研究方向：環(huán)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(fā)生火災(zāi)時(shí)危害極大[1]。在此背景下，該文基于Pyrosim軟件火場(chǎng)環(huán)境模擬過程，針對(duì)地鐵隧道火場(chǎng)環(huán)境變化關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，探尋在無(wú)通風(fēng)以及開啟縱向通風(fēng)模式下地鐵隧道火災(zāi)火場(chǎng)環(huán)境的變化規(guī)律，對(duì)于科學(xué)組織人員疏散及通風(fēng)模式有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究工具及模型的建立

1.1 研究工具簡(jiǎn)介

Pyrosim火災(zāi)仿真軟件是由美國(guó)Thunderhead Engineering

公司在基于FDS（Fire Dynamics Simulator）的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，F(xiàn)DS是由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）進(jìn)行研發(fā)的，通過納維-斯托克斯方程來(lái)計(jì)算模擬現(xiàn)實(shí)燃燒的復(fù)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(duì)象，對(duì)這種隧道結(jié)構(gòu)形式下的火災(zāi)環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究。由于該文的研究重點(diǎn)為煙氣在事故隧道的蔓延情況以及人員疏散情況，為節(jié)省計(jì)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(shù)為列車編組節(jié)數(shù)6節(jié)單節(jié)車廂基本長(zhǎng)度22 m，單節(jié)車廂基本寬度3 m，單節(jié)車廂頂棚高度3.7 m，單節(jié)車廂每側(cè)車門數(shù)5對(duì)，車門寬度1.3 m。

1.3 火災(zāi)模型參數(shù)的確定

該次模擬實(shí)驗(yàn)將火源熱釋放速率設(shè)置為7.5 MW。由于區(qū)間隧道火災(zāi)屬于非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，根據(jù)地鐵列車上可燃物的燃燒性質(zhì)，該文將地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)設(shè)計(jì)為快速火模型[2]，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.046 9，當(dāng)時(shí)間為400 s時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到最大值7.5 MW。選取Pyrosim軟件中的“POLYURETHANE”反應(yīng)，火源熱釋放速率設(shè)置為7.5 MW，燃燒面積為1 m*1 m。邊界條件為在模擬風(fēng)機(jī)失效時(shí)端口設(shè)置為“OPEN”表面，在模擬風(fēng)機(jī)縱向送風(fēng)時(shí)，端口設(shè)置為“SUPPLY”表面，設(shè)置“Specify Velocity”選項(xiàng)為2 m/s，即縱向通風(fēng)風(fēng)速為2 m/s。

1.4 隧道火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

為全面掌握地鐵隧道火災(zāi)火場(chǎng)變化情況，該文將采用無(wú)通風(fēng)以及縱向通風(fēng)兩種方式進(jìn)行模擬，列車位于隧道中部，火災(zāi)位置選取在列車端部，確定如下兩種工況進(jìn)行模擬研究。A1工況為隧道一端風(fēng)機(jī)強(qiáng)制縱向通風(fēng)狀態(tài)，A2工況為自然通風(fēng)狀態(tài)。為明晰火災(zāi)情況下隧道空間區(qū)域內(nèi)危險(xiǎn)性的變化情況，該研究將空間區(qū)域離散化，共將整體空間區(qū)域分為28個(gè)子區(qū)域，分別布置CO濃度測(cè)點(diǎn)、溫度測(cè)點(diǎn)以及能見度測(cè)點(diǎn)，空間區(qū)域劃分圖如圖1所示。

1.5 隧道火災(zāi)安全環(huán)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(lái)判斷隧道火災(zāi)的安全環(huán)境，該研究認(rèn)為一般危險(xiǎn)區(qū)域溫度界限為55 ℃，絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域溫度界限為90 ℃;一般危險(xiǎn)區(qū)域的CO濃度界限為400 ppm，絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的CO濃度界限為800 ppm。最后，人員在大空間區(qū)域內(nèi)可以承受的能見度閾值為10 m，故該文認(rèn)為一般危險(xiǎn)區(qū)域的能見度界限為10 m，不設(shè)絕對(duì)危險(xiǎn)閾值。

2 火場(chǎng)環(huán)境工況模擬結(jié)果及分析

2.1 A1工況火災(zāi)模擬結(jié)果及分析

在A1工況下，各區(qū)域達(dá)到絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域以及一般危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間統(tǒng)計(jì)見圖2。由圖可知，在開啟縱向通風(fēng)排煙情況下，6～10、17～28、24～28區(qū)域保持安全，僅近火源區(qū)域的子區(qū)域變?yōu)榻^對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域，下風(fēng)向子區(qū)域會(huì)變成一般危險(xiǎn)區(qū)域。

受溫度影響，疏散平臺(tái)區(qū)域16在272 s時(shí)成為絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域，在550 s時(shí)CO濃度達(dá)到絕對(duì)危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，由于測(cè)點(diǎn)設(shè)置的原因，在此工況下區(qū)域16所屬部分既包括下風(fēng)向部分也包括上風(fēng)向部分，認(rèn)為區(qū)域16上風(fēng)向部分區(qū)域始終保持安全環(huán)境;在列車區(qū)域23，受溫度升高影響340 s時(shí)成為絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域。下風(fēng)向區(qū)域1～5、11～16、23自46 s起均逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐话阄ｋU(xiǎn)區(qū)域，距離火源越遠(yuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐话阄ｋU(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間就越長(zhǎng)，但是疏散平臺(tái)15區(qū)域受能見度影響轉(zhuǎn)變?yōu)橐话阄ｋU(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間略高于距離火源更近的16區(qū)域?？偟膩?lái)看，在開啟機(jī)械通風(fēng)的情況下，能見度會(huì)迅速降低到10 m以下，對(duì)人員疏散造成威脅。相較于能見度，CO濃度除近火源區(qū)域外不會(huì)達(dá)到嚴(yán)重危害人員健康的400 ppm的標(biāo)準(zhǔn)，而溫度僅在火源下風(fēng)向200 m范圍內(nèi)超過55 ℃，在遠(yuǎn)火源區(qū)域，溫度對(duì)于人員疏散逃生的威脅是可控的。

2.2 A2工況火災(zāi)模擬結(jié)果及分析

A2工況下，各區(qū)域達(dá)到絕對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域以及一般危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間統(tǒng)計(jì)見圖3。

由圖3可知，在防排煙系統(tǒng)失效的情況下，在3 000 s時(shí)間范圍內(nèi)除靠近兩端站臺(tái)的1、10、11、26區(qū)域外，其他區(qū)域均會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域，且除近火源區(qū)域外，其他子區(qū)域主要是受到CO濃度升高的影響轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域。全部子區(qū)域均會(huì)變成一般危險(xiǎn)區(qū)域，主要受到CO濃度以及能見度變化的影響。空間區(qū)域距離火源越遠(yuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域以及一般危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間也就越長(zhǎng)。但這一規(guī)律在近火源100 m范圍內(nèi)受CO濃度影響的危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)間變化規(guī)律卻有例外，因?yàn)槭紫刃纬奢^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(duì)較快的，除此之外，溫度僅在子區(qū)域16、23兩個(gè)最靠近火源的位置達(dá)到了95 ℃，在火源附近100 m范圍達(dá)到55 ℃，對(duì)于整體區(qū)域安全的影響范圍較窄。

3 結(jié)論

（1）采用2 m/ s的縱向通風(fēng)風(fēng)速可以遏制煙氣向上風(fēng)向傳播，為人員安全疏散創(chuàng)造了有利環(huán)境。

（2）能見度快速下降到10 m的時(shí)間要先于溫度到達(dá)55 ℃以及CO濃度達(dá)到200 ppm的時(shí)間，可見在地鐵隧道火災(zāi)中，能見度的快速下降會(huì)首先導(dǎo)致火災(zāi)環(huán)境對(duì)于乘員造成不利影響。

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

（4）CO濃度在自然通風(fēng)環(huán)境下會(huì)隨著時(shí)間的推移在全隧道區(qū)域內(nèi)超過400 ppm。在開啟縱向通風(fēng)后，CO濃度在下風(fēng)向近火源區(qū)域仍會(huì)超過400 ppm，但隨著時(shí)間的推移，下風(fēng)向遠(yuǎn)火源區(qū)域的CO濃度不會(huì)達(dá)到400 ppm，但會(huì)超過200 ppm。

綜上所述，在隧道火災(zāi)發(fā)生后，如若不采取通風(fēng)手段，火場(chǎng)安全環(huán)境狀況會(huì)對(duì)人員疏散造成較大影響，開啟縱向通風(fēng)模式后，會(huì)在上風(fēng)向創(chuàng)造出人員安全疏散環(huán)境，為火場(chǎng)救援以及人員疏散爭(zhēng)取到有利條件。

參考文獻(xiàn)

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