城際鐵路隧道坡度對(duì)火災(zāi)溫度及臨界通風(fēng)速率的影響

王 奔

(懷化市消防支隊(duì),湖南 懷化 418000)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，軌道交通也得到了快速發(fā)展，由于地形多變，在交通網(wǎng)中遍布著無(wú)數(shù)的隧道，但是軌道交通隧道中一旦發(fā)生火災(zāi)事故，會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的人員及消防救援人員造成嚴(yán)重威脅。然而關(guān)于列車在隧道內(nèi)的火災(zāi)試驗(yàn)既耗人力物力財(cái)力，且試驗(yàn)安全性不能保證，因此開(kāi)展列車在隧道內(nèi)的火災(zāi)數(shù)值模擬研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。鑒于列車隧道火災(zāi)造成的嚴(yán)重危害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究，主要包括全尺寸試驗(yàn)研究、縮尺寸試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬研究。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源功率的大小為影響火災(zāi)蔓延、煙氣分布及人員安全疏散的主要因素，關(guān)于隧道內(nèi)火源功率的研究得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，比較全面的有Timothy Shaw等開(kāi)展的全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)研究，主要對(duì)隧道內(nèi)不同車輛燃燒的火源進(jìn)行研究，同時(shí)研究了不同火源功率下的火災(zāi)蔓延規(guī)律。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，由于隧道狹長(zhǎng)空間結(jié)構(gòu)的影響，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣到達(dá)頂棚后發(fā)生頂棚射流，而后快速向隧道兩邊蔓延，然而當(dāng)隧道存在一定的坡度時(shí)，煙氣的流動(dòng)會(huì)截然不同。目前主要的煙氣控制方法是通過(guò)機(jī)械排煙的方式將煙氣排向一側(cè)，有許多學(xué)者開(kāi)展了自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)下的火災(zāi)頂棚煙氣溫度分布規(guī)律，同時(shí)建立了相應(yīng)的溫度衰減經(jīng)驗(yàn)公式[1-10]。然而軌道交通隧道主要以客運(yùn)為主，其火源復(fù)雜，火災(zāi)形勢(shì)多變，關(guān)于這方面的研究較少。本文通過(guò)分析前人研究的經(jīng)驗(yàn)，建立不同坡度下軌道交通隧道火災(zāi)的數(shù)值模擬模型，對(duì)不同坡度下的臨界通風(fēng)速率及發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的蔓延規(guī)律、頂棚的溫度分布及CO濃度分布進(jìn)行分析，探討其火災(zāi)危險(xiǎn)性，并對(duì)軌道交通隧道火災(zāi)的評(píng)估做出建議。

1 火災(zāi)模型的建立

1.1 車體材料介紹及火源功率設(shè)置

本文以CRH6型動(dòng)車組為例，構(gòu)建列車火災(zāi)模型。該車的尺寸為200 m×3 m×3.8 m，動(dòng)車組主要組成部分為座椅、地板、旅客行李、窗簾等，列車內(nèi)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(xué)性能參數(shù)。

根據(jù)實(shí)際要求和FDS自定義的參數(shù)值，按照表1設(shè)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(yàn)采用一個(gè)面積為0.5 m×1.0 m規(guī)模的明火點(diǎn)火源，點(diǎn)火源熱釋放速率為2 000 kW·m-2，即點(diǎn)火源的功率為1 MW，點(diǎn)火源功率由0增長(zhǎng)到1 MW的時(shí)間為1 s。

表1 列車內(nèi)主要材料的熱力學(xué)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬軟件FDS使用大渦模擬LES計(jì)算方法，計(jì)算中網(wǎng)格尺寸大小對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間影響非常大。FDS技術(shù)手冊(cè)中推薦網(wǎng)格尺寸為火災(zāi)特征直徑D*的0.1倍左右，D*的確定與火災(zāi)熱物性參數(shù)有關(guān)[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(huán)境溫度，g為重力加速度。

網(wǎng)格尺寸通常在火災(zāi)特征直徑0.1倍附近取值，各個(gè)方向網(wǎng)格個(gè)數(shù)能被2、3或5整除?？紤]到本文模擬的隧道較長(zhǎng)(600 m)，故采取在模擬區(qū)域內(nèi)的不同部位采用不同的網(wǎng)格劃分方式，即在受網(wǎng)格影響較大的火源周圍網(wǎng)格尺寸可較小，而遠(yuǎn)離火源受網(wǎng)格影響較小區(qū)域的網(wǎng)格尺寸可適當(dāng)放大的方式劃分網(wǎng)格。綜合考慮網(wǎng)格尺寸與火源功率，數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域600 m×6 m×5.8 m，網(wǎng)格分為三個(gè)部分(如圖1所示)：第一部分網(wǎng)絡(luò)不加密，區(qū)域大小為200 m×6 m×5.8 m；第二部分網(wǎng)格加密，區(qū)域大小為200 m×6 m×5.8 m；第三部分網(wǎng)格不加密，區(qū)域大小為200 m×6 m×5.8 m。網(wǎng)格總數(shù)為111 360個(gè)。

圖1 模型示意圖

1.3 工況設(shè)置

火源位置、通風(fēng)模式及隧道坡度示意圖如圖2所示，工況設(shè)置見(jiàn)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(jié)果與討論

2.1 動(dòng)車組火災(zāi)情況及隧道坡度對(duì)頂棚煙氣溫度的影響

圖3所示為動(dòng)車燃燒時(shí)列車內(nèi)溫度分布規(guī)律，由圖可知當(dāng)火災(zāi)發(fā)生100 s時(shí)，列車內(nèi)高溫區(qū)主要分布于列車上部，隨著火災(zāi)的發(fā)展，200 s時(shí)，列車內(nèi)高溫區(qū)逐漸向列車下方蔓延，且向兩端傳播，當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到300 s時(shí)，整個(gè)列車內(nèi)的最高溫度主要分布在列車中部，當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到400 s時(shí)，火災(zāi)逐漸向列車前后傳播，高溫區(qū)主要分布于列車兩端。

圖4所示為各坡度無(wú)通風(fēng)情況下煙氣蔓延的規(guī)律，由圖可知，當(dāng)隧道坡度為-4%時(shí)，由于煙囪效應(yīng)的作用，煙氣主要向上坡方向蔓延，圖4(a)所示為火災(zāi)發(fā)生1 000 s時(shí)煙氣的蔓延情況圖，可見(jiàn)煙氣回流長(zhǎng)度較短。圖4(b)所示為火災(zāi)發(fā)生1 000 s坡度為-1%穩(wěn)定時(shí)煙氣蔓延規(guī)律，可見(jiàn)煙氣回流長(zhǎng)度遠(yuǎn)長(zhǎng)于坡度為-4%的情況。圖4(c)所示為火災(zāi)發(fā)生1 000 s坡度為3%時(shí)煙氣蔓延情況。對(duì)比不同坡度對(duì)動(dòng)車組隧道火災(zāi)煙氣的蔓延情況可知，煙氣的蔓延主要受煙囪效應(yīng)影響，坡度越大，煙囪效應(yīng)越明顯，煙氣回流長(zhǎng)度越短。

圖3 列車內(nèi)溫度分布規(guī)律

圖4 各坡度穩(wěn)定時(shí)煙氣蔓延規(guī)律

圖5所示為各坡度無(wú)通風(fēng)情況下隧道頂棚溫度分布曲線圖，由圖可見(jiàn)，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?yàn)?，?dāng)坡度為-4%時(shí)，由于煙囪效應(yīng)的作用，煙氣主要分布于左側(cè)，故其溫度高于-1%和3%，然而右側(cè)溫度3%坡度高于其他兩種坡度。

圖5 無(wú)通風(fēng)時(shí)隧道頂板溫度分布曲線圖

2.2 不同坡度臨界風(fēng)速下的煙氣溫度分布

2.2.1 煙氣蔓延規(guī)律

圖6所示為不同坡度臨界風(fēng)速下隧道內(nèi)煙氣蔓延情況，由圖可見(jiàn)，當(dāng)各坡度沒(méi)有煙氣回流時(shí)，坡度為-4%時(shí)的臨界通風(fēng)速率為2.52 m·s-1，坡度為-1%時(shí)的臨界通風(fēng)速率為2.21 m·s-1，坡度為3%時(shí)的臨界通風(fēng)速率為1.97 m·s-1。由此可見(jiàn)，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可根據(jù)隧道的坡度判定通風(fēng)速率進(jìn)行排煙，以防通風(fēng)速率過(guò)慢，煙氣回流長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，或者通風(fēng)速率過(guò)大造成煙氣紊亂。

圖6 不同坡度臨界風(fēng)速下隧道內(nèi)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(fēng)速下隧道拱頂溫度分布曲線圖，由圖可見(jiàn)，在臨界通風(fēng)速率下，下風(fēng)向溫度高于上風(fēng)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(fēng)情況下隧道頂棚最高溫度大約470 ℃左右，當(dāng)坡度為-1%時(shí)，臨界通風(fēng)下頂棚最高溫度大約為350 ℃。

圖7 不同坡度臨界風(fēng)速下隧道拱頂溫度分布

2.3 不同坡度臨界風(fēng)速下的CO濃度分布

圖8為不同坡度臨界風(fēng)速下隧道內(nèi)的CO濃度分布規(guī)律，由圖可見(jiàn)，當(dāng)在臨界風(fēng)速下，隧道內(nèi)的CO主要分布于隧道下風(fēng)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(fēng)速下的CO濃度分布規(guī)律不同，隨著坡度的增加，隧道下風(fēng)向的濃度增加。

圖8 不同坡度臨界風(fēng)速下隧道內(nèi)CO分布

3 結(jié)論

本文采用FDS模擬軟件研究了CRH6型動(dòng)車組在隧道內(nèi)著火時(shí)的溫度分布情況，隧道坡度對(duì)動(dòng)車組火災(zāi)煙氣蔓延、臨界通風(fēng)速率的影響及相應(yīng)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(nèi)的煙囪效應(yīng)越明顯，臨界通風(fēng)速率變小。當(dāng)該類火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可建議根據(jù)隧道的坡度及方向選擇合適的通風(fēng)速率，且臨界通風(fēng)速率下隧道內(nèi)的CO主要分布于隧道下風(fēng)向，消防員在救援時(shí)要注意CO的影響。