縱向通風(fēng)對(duì)地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)溫度特性影響

易欣，范晶，馬礪，楊元博，張鵬宇

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710054；2.西安科技大學(xué)陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710054)

地鐵屬于地下半封閉的空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于內(nèi)部空間相對(duì)狹長(zhǎng)，逃生條件差，疏散救援困難將造成大量的人員傷亡[1]。同時(shí)，火災(zāi)形成的高溫氣流超過隧道承載能力時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)將遭到破壞[2]。此外，地鐵火災(zāi)的類型多樣化，主要包括區(qū)間隧道內(nèi)電纜火災(zāi)、車廂內(nèi)飾及乘客行李火災(zāi)、機(jī)車電氣設(shè)備火災(zāi)等[3]，其中，區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)火災(zāi)規(guī)模一般較大，而且列車在行進(jìn)過程中，火災(zāi)對(duì)人員影響更為嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道火災(zāi)溫度分布理論研究中包括頂棚最高溫度和頂棚溫度水平分布2方面，主要采用小尺寸實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析結(jié)合的方法進(jìn)行研究。SHAFEE等[4]通過實(shí)驗(yàn)，研究得出隧道縱向通風(fēng)、熱釋放速率及隧道阻塞等是影響頂棚溫度及其分布的主要因素，其中縱向通風(fēng)影響因子為45%、隧道堵塞影響因子為25%，隧道傾角影響因子為19%，其他因素影響因子為11%，沒有堵塞的情況下，熱釋放速率約增加33%。隧道縱向通風(fēng)、火源功率及隧道阻塞等因素是學(xué)者研究頂棚最高溫度及其分布的要點(diǎn)。ALPERT[5]根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了無限大平板下熱煙氣最高溫度與距離的關(guān)系，提出Alpert頂棚射流煙氣溫度預(yù)測(cè)模型。KURIOKA等[6]實(shí)驗(yàn)得到隧道頂棚最高溫度和火源功率以及縱向通風(fēng)的預(yù)測(cè)模型，該模型認(rèn)為最大頂棚溫度與量綱一功率和弗洛德數(shù)有關(guān)。HU等[7]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)Kurioka公式進(jìn)行一致性驗(yàn)證，通過小尺寸實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)最高溫度關(guān)系式，得出頂棚溫度在水平距離上的衰減過程呈指數(shù)關(guān)系。翁廟成等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)隧道頂部上游的煙氣溫度縱向分布服從指數(shù)衰減規(guī)律，同時(shí)提出煙囪效應(yīng)也會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)存在影響。TIAN等[9]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火源功率和通風(fēng)速度對(duì)頂棚最高溫度及其位置影響明顯。INGASON等[10]利用小尺寸模型提出一種基于指數(shù)關(guān)系的火源下游的溫度分布公式，解釋了最大頂棚溫度沿著隧道延伸現(xiàn)象。LI等[11-12]在Kurioka公式的基礎(chǔ)上考慮了隧道放熱速度、縱向通風(fēng)速度和截面形狀的影響，研究表明：在當(dāng)通風(fēng)速度(量綱一的量)大于0.19時(shí)，隧道頂棚下最大升溫隨縱向通風(fēng)速度線性減小，其余情況下，則隨放熱速率(量綱一的量)的2/3功率變化。KHATTRI[13]對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。FAN等[14]對(duì)火災(zāi)附近橫向煙氣溫度分布及其與縱向煙氣溫度分布的差異進(jìn)行比較，建立了頂棚下橫向煙氣溫度分布的相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為隧道側(cè)壁的阻擋作用使得溫度的橫向衰減速度增加。然而，GONG等[15]通過小尺寸實(shí)驗(yàn)和理論分析研究了隧道煙氣傳播過程中傳熱傳質(zhì)問題，提出關(guān)于溫度在水平分布的非齊次線性微分方程，該結(jié)果顯示溫度分布并非遵循指數(shù)關(guān)系。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧道溫度分布的研究較多以公路隧道為模型，以小尺寸實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬為主要實(shí)驗(yàn)手段，溫度分布的理論預(yù)測(cè)模型研究最為廣泛，但提出的關(guān)系式存在較大差別，主要原因是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、通風(fēng)速度、火源功率的選取與地鐵區(qū)間隧道實(shí)際參數(shù)存在差距。例如，翁廟成等[8]采用1:10實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鹪垂β蕿?.59～12.38 kW進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的預(yù)測(cè)結(jié)果比Hu模型的大；LI等[12]采用矩形和圓弧隧道截面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通風(fēng)速度為0.05～0.72 m/s，火源功率為1.1～14.0 kW，預(yù)測(cè)結(jié)果與通風(fēng)速度關(guān)系較大，實(shí)驗(yàn)功率低于實(shí)際火災(zāi)功率；劉方等[16]對(duì)不同截面形狀進(jìn)行研究，結(jié)果表明：僅當(dāng)截面形狀系數(shù)小于1時(shí)，溫度分布服從指數(shù)衰減規(guī)律，反之，需進(jìn)行系數(shù)修正。王君[17]發(fā)現(xiàn)隧道坡度和預(yù)測(cè)修正系數(shù)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)Hu模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。在此，本文作者建立1:10小尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)區(qū)間隧道的截面和火災(zāi)規(guī)模研究不同縱向通風(fēng)速度條件下火災(zāi)發(fā)展過程及規(guī)律，主要包括縱向通風(fēng)速度、火源功率對(duì)溫度分布和煙氣流動(dòng)的影響，為進(jìn)一步研究區(qū)間隧道火災(zāi)的規(guī)律和火災(zāi)撲救及人員救助等方面提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

為了研究方便，進(jìn)行如下假設(shè)：

1)火源為固定式火源；

2)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)滿足Boussinesq假設(shè)，即ρ0-ρ≈ρ0β(T-T0)，其中，ρ為流體密度，ρ0為參考位置的流體密度，β為體積膨脹系數(shù)，T為氣體溫度，T0為參考位置的氣體溫度；

3)火災(zāi)煙氣為不可壓縮流體；

4)固壁傳熱為一維熱傳導(dǎo)；

5)不考慮由于化學(xué)反應(yīng)引起的煙氣成分變化。

根據(jù)Froude相似性原理，得到各參數(shù)關(guān)系式如表1所示。

表1 地鐵煙氣運(yùn)動(dòng)相似關(guān)系Table 1 Scaling relations of smoke movement

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

本研究模型取自西安地鐵三號(hào)線某區(qū)間隧道，選取長(zhǎng)度100 m作為研究區(qū)域，采用1:10比例建立小尺寸模型。隧道截面寬度為0.48 m，高為0.42 m，頂部為拱形結(jié)構(gòu)，半徑為0.24 m，底部為矩形，高為0.18 m，由單節(jié)長(zhǎng)度為0.7 m的14根節(jié)段連接而成，隧道長(zhǎng)共為10 m，隧道一端安裝軸流風(fēng)機(jī)，另一端為自然排煙。實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置圖如圖1所示。

圖1 1:10小尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Photos of 1:10 model-scale tunnel

1.3 火源設(shè)計(jì)

火源功率Q是指單位時(shí)間內(nèi)可燃物燃燒釋放出來的熱量，決定了室內(nèi)溫度和產(chǎn)煙量，計(jì)算式如下：

式中：φ為燃燒效率因子，反映不完全燃燒的程度，取0.3～0.9；m為可燃物質(zhì)量燃燒速率；ΔH為可燃物的熱值，kJ/g。

根據(jù)王建文等[18]的研究結(jié)果，行李的熱釋放速率不超過2 MW，通風(fēng)條件下，車廂熱釋放速率約為3.9 MW。本實(shí)驗(yàn)采用柴油作為燃料，燃燒熱約為42 kJ/g。易亮等[19]認(rèn)為柴油油池火燃燒過程分為3個(gè)階段，每個(gè)階段均占全過程的1/3，其燃燒效率為0.68～0.85，主要受燃燒面積和通風(fēng)條件的影響，燃燒速率處于16～38 g/(s·m2)之間，當(dāng)火源面積為0.25 m2時(shí)，燃燒速率為 16.4 g/(s·cm2)。王君[17]對(duì)較小尺寸油盤燃燒速度進(jìn)行測(cè)定，得到燃燒速率為1.0～1.4 mg/(s·cm2)。FERRERO 等[20]對(duì)直徑為3 m的油盤中柴油燃燒速率進(jìn)行計(jì)算，得穩(wěn)定燃燒階段的柴油燃燒速率約為39 g/min，即2.2 mg/(s·cm2)。本實(shí)驗(yàn)采用油盤半徑為10，11和12 cm，油盤面積較小，故取燃燒速率為1.2 mg/(s·cm2)，燃燒效率為0.8。不同直徑油盤火源功率如表2所示。

表2 不同直徑油盤火源功率Table 2 Heat release rate(HRR)for reduced and full scale

2 實(shí)驗(yàn)工況

為研究火災(zāi)時(shí)隧道模型空間內(nèi)的溫度場(chǎng)分布和熱輻射，采用K型鎧裝熱電偶測(cè)定場(chǎng)內(nèi)溫度分布、采用熱流計(jì)測(cè)定不同位置的熱輻射強(qiáng)度，采用電子風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速。

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，隧道區(qū)間排煙速度應(yīng)大于2 m/s，小于11 m/s。根據(jù)相似性比例設(shè)置實(shí)驗(yàn)工況如表3所示?；鹪聪嘛L(fēng)側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。

表3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置Table 3 Key parameters of test cases

圖2 火源下風(fēng)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Thermocouple arrangement on fire source downstream side

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 通風(fēng)速度對(duì)火焰形狀的影響

在區(qū)間隧道火災(zāi)發(fā)展過程中，火源功率和通風(fēng)速度對(duì)火焰形狀有明顯的影響。通過油盤實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中燃燒穩(wěn)定階段的火焰形狀進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，火焰發(fā)展過程中，當(dāng)無縱向通風(fēng)時(shí)，火源靜止燃燒，火焰豎直向上，同時(shí)，由于空間有限，油池燃燒不充分，火焰寬度較小。隨著縱向通風(fēng)的增加，通風(fēng)加強(qiáng)，火勢(shì)增大，火焰長(zhǎng)度和火焰傾角明顯增加，火焰高度逐漸降低。由圖4可以看出，通風(fēng)風(fēng)速相同時(shí)，隨著火源功率的增加，火焰面積增加，火焰燃燒越不充分，火焰顏色由亮黃色變?yōu)樯铧S色，燃燒效率降低，產(chǎn)煙量增加。因此，當(dāng)增加縱向通風(fēng)時(shí)，會(huì)加強(qiáng)火焰燃燒，降低火焰高度。

3.2 頂棚水平溫度分布

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于火羽流的浮升力作用，煙氣向上蔓延，受到隧道頂部阻擋后形成頂棚射流，煙氣沿著隧道頂部縱向流動(dòng)，同時(shí)在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)。因此，頂棚溫度能夠反映出隧道內(nèi)最高溫度，研究頂棚溫度分布對(duì)人員疏散均具有重要意義。不同火源功率下縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)頂棚煙氣溫度分布的影響如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)無隧道通風(fēng)時(shí)，火源兩側(cè)溫度近似正態(tài)分布，火焰正上方溫度比其他位置的高，且隨著火源距離的增加，煙氣溫度下降緩慢。3種火源功率下最高溫度分別為235，294和475℃，火源功率增加，燃燒加劇，頂棚最高溫度增大。當(dāng)增加縱向通風(fēng)風(fēng)速時(shí)，火源兩側(cè)溫度顯著下降，當(dāng)風(fēng)速大于1.0 m/s時(shí)，對(duì)溫度的下降過程影響不大。火源上風(fēng)側(cè)(大于0.7 m)的溫度和環(huán)境溫度一致，煙氣沒有造成火源上風(fēng)側(cè)的溫度升高，表明該風(fēng)速條件對(duì)溫度和煙氣有良好的控制效果。由于隧道相對(duì)封閉導(dǎo)致由對(duì)流產(chǎn)生的熱交換速度降低，增加風(fēng)速僅提高了頂棚煙氣流動(dòng)速度，對(duì)煙氣溫度降低效果較小，此時(shí)，全尺寸模型的實(shí)際風(fēng)速約為3.33 m/s。在距離火源位置大于2.5 m時(shí)，縱向通風(fēng)速度對(duì)隧道溫度影響不明顯。

為進(jìn)一步研究隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)時(shí)溫度分布的規(guī)律，對(duì)不同風(fēng)速下的最大溫差進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖6和表4所示。由圖6和表4可知，最大溫差與位置呈指數(shù)關(guān)系。風(fēng)速越小，火源功率越大，擬合結(jié)果越指數(shù)關(guān)系接近。當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，最大溫差接近于定值，3種火源功率下的最大溫差分別為50，55和100℃。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)速的增加已經(jīng)無法造成更多的對(duì)流傳熱損失。

3.3 頂棚溫度（量綱一的量）分布

在溫度分布的研究中，HU等[7]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到了溫度分布的理論公式：

式中，x為火源距離；ΔT(x)為x處相對(duì)環(huán)境溫度的溫升；ΔTmax為參考位置x0處煙氣層相對(duì)于環(huán)境溫度的溫升；k為煙氣層溫度縱向衰減系數(shù)。

考慮到空氣的影響，INGASON等[10]利用小尺寸模型研究提出如下模型：

式中，H為隧道內(nèi)部拱頂高度。

KHATTRI[13]在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證，提出如下模型：

圖3 火焰形狀隨通風(fēng)速度變化圖(Q=12.67 kW)Fig.3 Shape of flame varies with velocity of ventilation(Q=12.67 kW)

圖4 火焰形狀隨火源功率變化(v=1.0 m/s)Fig.4 Shape of flame varies with power of source(v=1.0 m/s)

圖5 不同火源功率下縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)頂棚煙氣溫度分布的影響Fig.5 Maximum ceiling smoke temperature distribution with various ventilation under different fire powers

圖6 不同火源功率下縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)頂棚溫度變化擬合Fig.6 Fitting diagram of ceiling temperature distributions in various ventilation under different fire powers

溫度隨火源距離(量綱一的量)分布主要呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系[6]。為對(duì)區(qū)間隧道頂棚最高溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)化描述，對(duì)溫度和火源距離進(jìn)行量綱一化，3種火源下的擬合曲線如圖7所示，其中，L為模型高度。由圖7可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)速較大時(shí)，最大溫差的分布與火源位置的相關(guān)性減小。

為研究最不利通風(fēng)條件下的溫度分布，即縱向通風(fēng)風(fēng)速為0 m/s，對(duì)3種火源下的溫度進(jìn)行擬合，得到擬合的溫度分布為

3.4 頂棚熱輻射變化

在隧道縱向通風(fēng)的條件下，火焰水平延展長(zhǎng)度為0.3～0.5 m，實(shí)驗(yàn)中在火源下風(fēng)側(cè)0.35 m處頂棚位置布置熱流計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知，隧道內(nèi)熱輻射隨時(shí)間變化呈正態(tài)分布，同時(shí)，當(dāng)隧道內(nèi)無縱向通風(fēng)，頂棚熱流量顯著增加?？v向通風(fēng)風(fēng)速增加至一定值后，風(fēng)速的增加對(duì)頂棚熱流量影響較小。當(dāng)Q=12.67 kW時(shí)，無風(fēng)條件下的熱流量最大值為風(fēng)速1.0 m/s時(shí)的6倍。

表4 不同火源功率溫度分布擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of ceiling temperature distribution of different fire power

圖7 不同火源功率下縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)頂棚溫度(量綱一的量)分布圖Fig.7 Distributions of dimensionless ceiling temperature in various ventilation under different fire powers

圖8 不同縱向通風(fēng)和火源功率時(shí)的頂棚熱輻射Fig.8 Flux varies with different ventilation and fire powers

由圖8(b)可知，當(dāng)隧道內(nèi)無縱向通風(fēng)時(shí)，3種火源功率下的熱流量變化趨勢(shì)基本一致，最大值分別為9.6，7.8和6.0 kW，約為火源功率的一半。

4 結(jié)論

1)對(duì)于固定火源，增加縱向通風(fēng)會(huì)加強(qiáng)火焰的燃燒，使燃燒更充分，火焰長(zhǎng)度增加、火焰高度、隧道內(nèi)頂棚的熱輻射和溫度降低，當(dāng)隧道縱向通風(fēng)風(fēng)速大于1.0 m/s時(shí)或者當(dāng)距離火源距離大于2.5 m時(shí)，降溫效果不明顯。

2)火源功率是影響輻射強(qiáng)度和頂棚溫度的重要因素，火源功率越大，對(duì)隧道產(chǎn)生熱輻射越強(qiáng)。無通風(fēng)條件下頂棚最大溫度(量綱一的量)與火源功率呈指數(shù)關(guān)系，隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速增加，二者相關(guān)性逐漸降低。

3)當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，對(duì)溫度和煙氣有良好控制作用。根據(jù)相似性原理，當(dāng)實(shí)際地鐵區(qū)間隧道火源功率小于6 MW時(shí)，縱向通風(fēng)風(fēng)速設(shè)定為3.3 m/s能有效控制煙氣向下風(fēng)側(cè)蔓延，同時(shí)能有效降低隧道縱向溫度和輻射強(qiáng)度。