列車阻塞效應(yīng)對(duì)地鐵隧道臨界風(fēng)速的影響

夏三縣 張曉偉 胡璠 王海濤

1 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司

2 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)有限公司

3 河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

當(dāng)?shù)罔F隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，地鐵列車通常需要停在火災(zāi)的上游位置。當(dāng)車輛擁堵在火源的上游位置時(shí)，地鐵列車阻塞效應(yīng)會(huì)改變隧道的流速和流場(chǎng)分布，因此，列車堵塞會(huì)對(duì)臨界風(fēng)速造成影響。火災(zāi)臨界風(fēng)速是地鐵隧道煙氣控制的關(guān)鍵參數(shù)，隧道風(fēng)速大于臨界風(fēng)速可以防止火災(zāi)煙氣逆風(fēng)流傳播，可以給乘客撤離提供無(wú)煙安全撤離路線[1]。因此，研究列車阻塞效應(yīng)對(duì)地鐵隧道臨界風(fēng)速的影響具有重要意義。

2000 年開(kāi)始隧道阻塞對(duì)臨界風(fēng)速的影響得到學(xué)者們的關(guān)注和重視[2-4]，但大部分學(xué)者著重研究公路隧道阻塞比對(duì)火災(zāi)臨界風(fēng)速的影響，鮮有地鐵隧道的相關(guān)研究[5]。Li 等[6]研究了汽車阻塞效應(yīng)對(duì)公路隧道臨界風(fēng)速的影響。Lee 等[7]研究了火源在阻塞車輛的上下游位置對(duì)公路隧道臨界風(fēng)速的影響。江荷等[8]開(kāi)展了排煙口對(duì)地鐵隧道火災(zāi)機(jī)械排煙效果影響的FDS 數(shù)值模擬研究。Kang[9]試驗(yàn)研究了車輛火災(zāi)對(duì)公路隧道臨界風(fēng)道的影響。王君[10]開(kāi)展了地鐵長(zhǎng)區(qū)間隧道火災(zāi)工況風(fēng)速的實(shí)測(cè)試驗(yàn)和研究分析。地鐵隧道與公路隧道的截面形狀、截面尺寸和隧道材料均不相同，因此本文開(kāi)展了地鐵列車阻塞效應(yīng)對(duì)地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速的影響，給出考慮地鐵列車阻塞效應(yīng)的地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速計(jì)算公式。

1 數(shù)值模擬和熱煙驗(yàn)證試驗(yàn)

1.1 地鐵隧道三維數(shù)值模型

本研究在FDS 軟件中建立了水平地鐵隧道三維物理模型。地鐵隧道截面形狀為矩形，隧道尺寸長(zhǎng)寬高為100 m×4.8 m×5.3 m。隧道地板、墻壁和頂板為鋼筋混凝土。火源尺寸長(zhǎng)寬高為1 m×1 m×0.5 m，火源熱釋放速率設(shè)為5 MW。火源設(shè)置在隧道70 m 處地板中心位置，列車尺寸長(zhǎng)寬高為40 m×2.8 m×3.8 m，列車位于隧道入口30 m 處。隧道外風(fēng)速設(shè)置為0 m/s，隧道外空氣溫度設(shè)置為20 ℃。

1.2 單元格尺寸敏感性分析

數(shù)值模擬的單元格尺寸可以根據(jù)火源特征直徑計(jì)算確定。單元格尺寸取火源特征直徑的1/12～1/4 比較合適。式（1）給出了火源特征直徑的計(jì)算公式。

式中：D*是火源特征直徑，m；Q 是火源熱釋放速率，kW；ρ0室外空氣密度，kg/m3；cp是空氣的定壓比熱，kJ(kg·K)；g 是重力加速度，g/s2；T0是空氣溫度，K。

圖1 給出了不同單元格尺寸的隧道內(nèi)的溫度分布情況。單元格尺寸小于0.3 m 時(shí)，溫度的變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此本文采用0.2 m 單元格尺寸。

圖1 火源下風(fēng)側(cè)5 m 垂直方向的溫度分布圖

1.3 熱煙驗(yàn)證試驗(yàn)

本研究在真實(shí)地鐵隧道內(nèi)開(kāi)展了熱煙試驗(yàn)，用于驗(yàn)證FDS 模擬結(jié)果的正確性。試驗(yàn)時(shí)熱源的熱釋放速率為23.03 kW。隧道內(nèi)風(fēng)速0.25 m/s。圖2 比較熱源下風(fēng)側(cè)0.5 m 處隧道斷面距地面高度1 m 處空氣溫度預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值，兩者的最大偏差小于0.8 ℃，誤差率小于5%，表明FDS 模型的模擬準(zhǔn)確性很高。

圖2 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)溫度和實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

2.1 列車阻塞長(zhǎng)度對(duì)隧道臨界風(fēng)速的影響

通過(guò)改變列車的長(zhǎng)度，研究了不同阻塞長(zhǎng)度對(duì)火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度的影響。阻塞長(zhǎng)度是指發(fā)生火災(zāi)時(shí)地鐵列車長(zhǎng)度。火源位于隧道送風(fēng)入口端70 m 處，列車位于火源上游側(cè)且緊鄰火源。隧道與大氣連通的一個(gè)端口設(shè)置為“SUPPLY”，用于產(chǎn)生1.4 m/s 的縱向風(fēng)速。隧道的另一個(gè)端口設(shè)置為“OPEN”，用于模擬室外大氣環(huán)境。圖3 和圖4 分別給出了不同阻塞長(zhǎng)度的火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度情況和溫度云圖。

圖3 不同阻塞長(zhǎng)度的煙氣返流長(zhǎng)度

圖4 不同阻塞長(zhǎng)度的溫度云圖

由圖3 和圖4 可知，阻塞長(zhǎng)度對(duì)隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速影響不明顯，阻塞長(zhǎng)度10、20、30 和40 m 的火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度基本相同。地鐵列車的車廂較長(zhǎng)，車廂長(zhǎng)度均超過(guò)10 m。由此，可以認(rèn)為阻塞長(zhǎng)度對(duì)地鐵出入線隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速基本沒(méi)有影響。

2.2 列車阻塞比對(duì)地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速的影響

在隧道長(zhǎng)度100 m、火源熱釋放速率7.5 MW 模擬條件下，通過(guò)改變列車的高度研究了地鐵列車阻塞比對(duì)地鐵隧道臨界風(fēng)速的影響。隧道縱向風(fēng)速為1.6 m/s，列車距離隧道入口30 m，地鐵列車長(zhǎng)度為40 m。圖5 和圖6 分別給了阻塞比10.46%、20.92%、31.38%和41.84%時(shí)地鐵隧道的煙氣返流長(zhǎng)度情況和溫度場(chǎng)云圖。

圖5 不同阻塞比的煙氣返流長(zhǎng)度

圖6 不同阻塞比的溫度云圖

由圖5 和圖6 可知，阻塞比對(duì)地鐵隧道火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度影響較大，阻塞比10.46%的火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度最長(zhǎng)，阻塞比41.84%的火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度最短。隨著隧道阻塞比逐漸增大，火災(zāi)煙氣返流長(zhǎng)度逐漸變短。究其原因是列車會(huì)使隧道截面積變小，進(jìn)而會(huì)增加隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速，使隧道煙氣返流長(zhǎng)度和臨界風(fēng)速變小。隧道阻塞區(qū)域和隧道無(wú)阻塞區(qū)域的隧道風(fēng)速之間存在以下關(guān)系時(shí)：

式中：ρ1和ρ2是分別是阻塞區(qū)和非阻塞區(qū)域的空氣密度；Ab是隧道阻塞區(qū)域的隧道截面積；A 是隧道非阻塞區(qū)域的隧道截面積；φ 是隧道的阻塞比。

3 地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速模型修正

現(xiàn)有研究表明隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速與火災(zāi)熱釋放速率、空氣密度、隧道外部環(huán)境空氣溫度、空氣比熱、重力加速度和隧道幾何尺寸密切相關(guān)。隧道臨界風(fēng)速可以表示為以上幾個(gè)影響因素的函數(shù)。

通過(guò)無(wú)量綱分析，式（3）可以用以下公式表示：

式中：H 是隧道水力直徑；Vc是隧道臨界風(fēng)速；V*是無(wú)量綱隧道風(fēng)速；Q*是無(wú)量綱火源熱釋放速率。

式（4）的系數(shù)需要根據(jù)隧道具體情況確定，Tang等人[11]開(kāi)展了公路隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速的熱煙試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了公路隧道的臨界風(fēng)速預(yù)測(cè)模型。

本文采用直接觀測(cè)法確定數(shù)值模擬研究的地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速。直接觀測(cè)法通過(guò)改變地鐵隧道送風(fēng)風(fēng)速，直至肉眼觀察煙氣恰好不發(fā)送隧道火災(zāi)煙氣返流現(xiàn)象，此時(shí)的隧道風(fēng)速即為地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速。利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的FDS 數(shù)值模型模擬研究了0%、10.46%、20.92%、31.38%和41.84%阻塞比時(shí)的地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速，并根據(jù)不同阻塞比時(shí)的地鐵隧道臨界風(fēng)速的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，采用非線性回歸方法擬合給出了考慮地鐵列車阻塞時(shí)的地鐵隧道臨界風(fēng)速預(yù)測(cè)公式：

式中：φ 是地鐵隧道阻塞比。

隨著地鐵隧道阻塞比的增加，地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速逐漸變小。地鐵隧道阻塞比的增大率與臨界風(fēng)速的減小率之間呈線性關(guān)系。比較式(7)和式(8)可知，水平地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速小于Tang 等人[11]給出的水平公路隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速。這是因?yàn)榈罔F隧道的幾何尺寸和斷面形狀與Tang 模型不同，導(dǎo)致Tang 模型預(yù)測(cè)值大于地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速。

4 結(jié)論

1)列車阻塞會(huì)改變隧道內(nèi)縱向風(fēng)速和風(fēng)壓分布情況，因此地鐵列車阻塞效應(yīng)會(huì)影響地鐵隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速。地鐵列車長(zhǎng)度變化對(duì)地鐵隧道臨界風(fēng)速的影響很小。

2）隨著地鐵隧道阻塞比的增加，地鐵隧道臨界風(fēng)速逐漸變小，反之亦然。地鐵隧道阻塞比的增大率與臨界風(fēng)速的減小率之間呈線性關(guān)系。