地鐵隧道火災(zāi)雙點排煙煙氣溫度分布特性的試驗研究

雷凱榮　覃 新　趙 鵬　高 波　袁中原

地鐵隧道火災(zāi)雙點排煙煙氣溫度分布特性的試驗研究

雷凱榮1覃 新2趙 鵬3高 波3袁中原3

（1.青島地鐵集團(tuán)有限公司工程建設(shè)分公司 青島 266000；2.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610036；3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

基于1:20的模型試驗，研究了火源熱釋放率、排煙量和風(fēng)口長度對地鐵隧道火災(zāi)雙點排煙煙氣溫度分布特性的影響。結(jié)果表明：火源段煙氣溫度隨著火源熱釋放率的增加而顯著增加，在排煙作用下非火源段煙氣溫度急劇下降；排煙量和風(fēng)口長度對火源段煙氣溫度幾乎沒有影響；排煙量對非火源段煙氣溫度影響較大，而風(fēng)口長度對非火源段煙氣溫度影響不大。

地鐵隧道火災(zāi)；雙點排煙；模型試驗；煙氣溫度分布

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通向城際軌道交通發(fā)展，地鐵線路越來越長，許多超過3公里、甚至穿山、過河的地鐵長區(qū)間隧道已經(jīng)建成通車，例如南京2號線、武漢2號線和7號線。由于地鐵隧道是相對狹長和封閉的空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣會在隧道內(nèi)傳播和積聚，有統(tǒng)計結(jié)果表明，高溫有毒的煙氣是導(dǎo)致人員傷亡的主要因素[1]。所以，合理設(shè)置通風(fēng)排煙系統(tǒng)并且掌握煙氣溫度分布的規(guī)律對確保人員安全逃生具有重要意義。

隨著排煙技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了點式排煙系 統(tǒng)[2]。如圖1所示，當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時，火源附近的排煙風(fēng)口自動打開，豎井內(nèi)的排煙風(fēng)機(jī)聯(lián)動將煙氣從排煙道排出隧道。點式排煙系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：在合理設(shè)計排煙量的情況下，可以將煙氣控制在一定的范圍。與傳統(tǒng)的縱向通風(fēng)相比，可以避免對追蹤列車的影響。除此之外，由于我國地鐵隧道主要采用單洞雙線盾構(gòu)隧道，可以有效利用上部富余空間設(shè)置排煙道，不會大量增加土建投資。因此，點式排煙被認(rèn)為是一種極具潛力的排煙方式。

圖1 點式排煙原理圖

Ingason和Li[3]基于1:23的模型試驗，證明了點式排煙在公路隧道較大規(guī)模火災(zāi)工況下的有效性，并給出了誘導(dǎo)風(fēng)速的取值建議。高曉明等人[4]以某地鐵過江段為研究對象，數(shù)值模擬了排煙道風(fēng)速對火災(zāi)煙氣控制效果的影響，得到了隧道縱向風(fēng)速為1m/s時的合理排煙道風(fēng)速。盧艷艷等人[5]依托實際工程項目，采用小尺寸燃燒試驗和數(shù)值模擬的方法，對地鐵隧道火災(zāi)半橫向通風(fēng)進(jìn)行了系列研究，研究結(jié)果指出，最佳排煙風(fēng)速與火源功率的1/3次方成線性關(guān)系，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在排煙風(fēng)口正下方時，不需要縱向送風(fēng)，而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在兩排煙風(fēng)口之間時，需要縱向送風(fēng)且風(fēng)速為臨界風(fēng)速。朱常琳等人[6]基于數(shù)值模擬研究了排煙道高度、排煙風(fēng)速、排煙風(fēng)口開啟個數(shù)對隧道煙氣控制的影響，研究認(rèn)為，排煙道高度宜設(shè)置為1.6m，排煙風(fēng)速控制為10m/s，并且開啟火源附近2個排煙口能獲得較好的排煙效果；吳萍等人[7]采用FDS研究了風(fēng)口尺寸和排煙量對排煙效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)口越寬越有利于排煙；當(dāng)排煙量增加到一定值以后，排煙效率趨于不變。

從以往的研究可以看出，數(shù)值模擬是研究地鐵隧道火災(zāi)點式排煙的主要手段，試驗研究很少；其次，前人的研究主要集中于點式排煙的煙氣控制效果，缺乏對煙氣溫度分布特性的研究，而這一問題關(guān)乎點式排煙系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生時是否能夠滿足人員安全逃生的要求。所以，本文基于1:20的模型試驗，研究了火源熱釋放率、排煙量和風(fēng)口長度對頂壁煙氣溫度分布特性的影響，研究的結(jié)果希望為地鐵隧道火災(zāi)點式排煙的工程設(shè)計和應(yīng)用提供參考。

1 模型試驗

基于Froude模型法的縮尺試驗已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于隧道火災(zāi)的研究當(dāng)中。根據(jù)Froude相似關(guān)系，縮尺試驗和全尺寸試驗的火源熱釋放率、煙氣溫度和體積流量之間的對應(yīng)關(guān)系可以由下式計算[8]：

式中，代表全尺寸試驗；代表縮尺試驗；為縮尺比，本試驗縮尺比為1:20。

模型試驗主要由模型隧道、燃燒系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三部分組成。下面進(jìn)行簡單的介紹。

1.1 模型隧道

圖2 模型隧道

模型隧道由隧道和排煙道兩部分組成。如圖2所示，模型隧道的一側(cè)采用5mm的防火玻璃制作，以便觀察火焰的偏轉(zhuǎn)情況，隧道的底面、側(cè)面、頂壁以及排煙道均用10 mm的防火板制作。從圖3可以看出，隧道長14m，寬0.25m、高0.25m；排煙道位于隧道上方，與隧道寬度相同，高度為0.12m。在排煙隔板上設(shè)置風(fēng)口，為了更好地排煙，風(fēng)口的寬度為0.25m；風(fēng)口的長度為0.2m、0.15m、0.1m和0.05m，對應(yīng)的實際隧道尺寸為4m、3m、2m和1m；根據(jù)NFPA130的要求，需要確保距離火源30m之外的煙氣參數(shù)滿足安全逃生的要求，本試驗中火源處在兩風(fēng)口的中心，也就是隧道的中心，所以風(fēng)口距離火源的位置設(shè)置為1.5m，即風(fēng)口間距為3m。為了方便下文表述，如圖3所示，定義了火源段和非火源段。

圖3 模型隧道示意圖

1.2 燃燒系統(tǒng)

試驗采用2cm高的正方形甲醇油池火模擬火源，火源的熱釋放率可由下式計算[9]：

其中甲醇的燃燒效率可以認(rèn)為是1，甲醇的燃燒熱Δ為19.93kJ/g，甲醇的質(zhì)量損失率m利用電子天平稱量得到。試驗中火源熱釋放率的測量結(jié)果如表1所示。

表1 火源熱釋放率

1.3 測量系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果與討論

圖4表示試驗中熱電偶測得的溫度變化情況?？梢钥闯?，熱電偶溫度先逐漸上升，然后在400～655s之間達(dá)到穩(wěn)定，最后溫度小幅波動接著下降，直至火焰熄滅。因此，本文使用的溫度數(shù)據(jù)均為400～655s之間的溫度平均值。

圖4 煙氣溫度

本系列試驗火源位于隧道的中心，且兩側(cè)的風(fēng)量相等。因此，理論上火源兩側(cè)溫度分布是對稱的，這與圖5在火源熱釋放率1.48kW、風(fēng)口長度0.05m和排煙量17m3/h的試驗工況下測得的溫度數(shù)據(jù)相吻合。所以，下文僅對火源一側(cè)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 火源兩側(cè)煙氣溫度分布

2.1 火源熱釋放率的影響

圖6比較了在不同火源熱釋放率下，頂壁煙氣溫度分布的變化情況。從圖中可以看出，火源段煙氣溫度會隨著火源熱釋放率的增加顯著增加，且煙氣溫度高，對人員安全影響大；而非火源段在排煙作用下，煙氣溫度會急劇下降，這是因為大量的煙氣被排出隧道，所以非火源段煙氣溫度低，對人員安全影響小。

圖6 火源熱釋放率對煙氣溫度分布的影響

2.2 排煙量的影響

以火源熱釋放率2.54kW、風(fēng)口長度0.20m的試驗工況為例，分析了排煙量對煙氣溫度分布的影響。從圖7可以看出，排煙量幾乎不會影響火源段煙氣溫度的分布。但是隨著排煙量的增加，非火源段的煙氣溫度逐漸下降，當(dāng)排煙量達(dá)到20m3/h時，非火源的煙氣溫度已經(jīng)接近于環(huán)境溫度，此時說明煙氣基本已由風(fēng)口全部排出。NFPA130要求距離火源30m外的逃生人員身體接觸到的煙氣溫度不得高于70℃，這意味著如果排煙量設(shè)計合理，點式排煙系統(tǒng)完全可以滿足人員安全逃生的溫度要求。

圖7 排煙量對煙氣溫度分布的影響

2.3 風(fēng)口長度的影響

以火源熱釋放率3.52kW，排煙量為20m3/h的試驗工況為例，分析了風(fēng)口長度對煙氣溫度分布的影響。從圖8可以看出，風(fēng)口長度的變化對于火源段煙氣溫度幾乎沒有影響；對于非火源段，風(fēng)口長度的增加會使非火源段煙氣溫度有所降低，但是風(fēng)口長度對非火源段煙氣溫度的影響有限。這主要是因為大量的煙氣已經(jīng)被排出隧道，風(fēng)口下游的煙氣溫度已經(jīng)比較低了，所以溫度變化不大。

圖8 風(fēng)口長度對煙氣溫度分布的影響

3 結(jié)論

本文通過一系列1:20的縮尺模型試驗，研究了火源熱釋放率、排煙量和風(fēng)口長度對雙點排煙煙氣溫度分布特性的影響，得到了以下幾點結(jié)論：

（1）火源段煙氣溫度隨著火源熱釋放率的增加迅速增加，但是由于排煙的作用，非火源段的煙氣溫度會急劇下降。

（2）排煙量和風(fēng)口長度對火源段煙氣溫度分布幾乎沒有影響。

（3）排煙量對非火源段煙氣溫度分布影響很大，通過合理設(shè)計排煙量，完全可以滿足人員安全逃生的溫度要求；而風(fēng)口長度對非火源段煙氣溫度影響有限。

[1] Beard, A N. Fire safety in tunnels[J]. Fire Safety Journal. 2009,44(2):276-278.

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[4] 高曉明,崔峰青,韓新,等.地鐵隧道不同排煙風(fēng)速對火災(zāi)煙氣控制的模擬分析[J].災(zāi)害學(xué),2010,(25):150-153.

[5] 盧艷艷.區(qū)間隧道火災(zāi)半橫向排煙研究[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

[6] 朱常琳,李昂,常睿.地鐵區(qū)間隧道半橫向排煙方式的數(shù)值模擬研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2015,(25):150-153.

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[9] KarlssonB. Quintiere JG. Enclosure Fire Dynamics[M]. USA: CRC Press, 2000.

An ExperimentalStudy on the SmokeTemperatureDistribution in a Subway Tunnel Fire withTwo-pointExtraction VentilationSystem

Lei Kairong1Qin Xin2Zhao Peng3Gao Bo3Yuan Zhongyuan3

(1.Qingdao Metro, Qingdao, 266000; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu, 610031;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

This study investigated the effects of heat release rate, exhaust volumetric flow rate and extraction vent length on the smoke temperature distribution based on a series of 1/20 reduced-scale experiments. Experimental results show that the smoke temperature significantly increases with the heat release rate in the fire section while it sharply decreases in the non-fire section. Exhaust volumetric flow rate and extraction vent length have no effect on the smoke temperature distribution in the fire section. Exhaust volumetric flow rate has a significant influence on the smoke temperature distribution in the non-fire section. Meanwhile, the effect of extraction vent length on the smoke temperature distribution in the non-fire section is limited.

subway tunnel fires; two-point extraction ventilation system; reduced-scale experiment; smoke temperature distribution

TU453.5

A

1671-6612（2019）03-319-04

雷凱榮（1985.3-），男，本科，Email：rongkailei@163.com

袁中原（1983.8-），男，博士，Email：zhongyuan.yuan@home.swjtu.edu.cn

2019-04-08