活塞風(fēng)及縱向通風(fēng)綜合作用下的隧道火災(zāi)煙氣控制

李盎 曹松

摘? 要：著火列車在隧道內(nèi)迫停時(shí)，人員疏散階段的煙氣流動同時(shí)受到殘余活塞風(fēng)、射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)形成的綜合縱向風(fēng)速的影響。該文基于活塞風(fēng)的衰減及射流發(fā)展過程，對臨界風(fēng)速煙氣控制方案進(jìn)行分析，結(jié)果表明：當(dāng)列車頭部著火時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的臨界風(fēng)速進(jìn)行通風(fēng)控制;當(dāng)列車尾部著火時(shí)，縱向通風(fēng)風(fēng)速應(yīng)該大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的臨界風(fēng)速。

關(guān)鍵詞：隧道通風(fēng)? 列車火災(zāi)? 臨界風(fēng)速? 活塞風(fēng)? 射流風(fēng)機(jī)

中圖分類號：U458;U298.4? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（b）-0097-06

Abstract： When the fire train is forced to stop in the tunnel， the smoke flow in the evacuation phase is affected by the comprehensive longitudinal wind speed induced by residual piston wind and jet fan. Based on the attenuation of piston wind and the development process of jet， this paper analyzes the flue gas control scheme of critical wind speed. The results show that when the train head is on fire， the critical wind speed calculated by empirical formula can be used for ventilation control; When the train tail is on fire， the longitudinal ventilation speed should be greater than the critical wind speed calculated by empirical formula.

Key Words： Tunnel ventilation; Train fire; Critical wind speed; Piston wind; Jet fan

隧道是狹長受限的空間，一旦著火列車在隧道內(nèi)迫停，隧道內(nèi)難以排除的有毒、有害煙氣將對正在進(jìn)行緊急疏散的人員造成極大威脅。為給人員創(chuàng)造良好的疏散環(huán)境，通常情況下采用縱向通風(fēng)的方式對隧道內(nèi)的煙氣進(jìn)行控制，即射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行在隧道內(nèi)誘導(dǎo)形成與人員疏散方向相反的縱向風(fēng)速，從而抑制煙氣在人員疏散路徑上擴(kuò)散。然而，射流的發(fā)展過程使得縱向風(fēng)速達(dá)到設(shè)定值需要一段時(shí)間，即縱向通風(fēng)存在較大的“時(shí)滯”性;研究表明，隧道越長、截面積越大、隧道壁面越光滑，隧道內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定風(fēng)速的時(shí)間越長，縱向通風(fēng)的延遲效應(yīng)越顯著。與此同時(shí)，列車運(yùn)行期間產(chǎn)生的活塞風(fēng)在列車停止后仍有一個(gè)不斷衰減的過程，隧道越長，活塞風(fēng)衰減越慢。因此，著火列車在隧道內(nèi)迫停后的初始階段，煙氣的流動同時(shí)受到射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)產(chǎn)生的縱向風(fēng)速變化和活塞風(fēng)衰減的雙重影響。

隧道內(nèi)活塞風(fēng)的衰減和縱向風(fēng)速的形成均處于列車迫停后人員疏散的關(guān)鍵階段，且均存在時(shí)間上的“延遲”，為此人員疏散階段的縱向煙氣控制應(yīng)綜合考慮活塞風(fēng)和縱向風(fēng)速的變化過程。

1? 隧道內(nèi)活塞風(fēng)的衰減及縱向射流的發(fā)展過程

1.1 活塞風(fēng)的形成

列車在隧道中行駛時(shí)，隧道中的空氣被列車帶動而隨著列車向列車運(yùn)行方向運(yùn)動，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞作用。在列車前方，一部分氣流在列車的推動下順列車行駛方向流動，一部分則經(jīng)過隧道壁面和列車壁面之間的環(huán)形空間向后流動，并在列車尾部與引列車尾部負(fù)壓而順列車運(yùn)動方向流動的后方氣流匯合。活塞風(fēng)形成機(jī)理示意如圖1所示。

1.2 活塞風(fēng)的衰減及影響因素

列車停之后，活塞風(fēng)并不會馬上消失，而是在隧道阻力的作用下不斷衰減。列車停止后的活塞風(fēng)衰減過程可以通過SES軟件計(jì)算得出。該文利用SES建立長度為20 km的最高時(shí)速為250 km/h的水平單線標(biāo)準(zhǔn)特長隧道，模擬列車行駛至隧道中段被迫制動減速階段和停止階段隧道內(nèi)活塞風(fēng)衰減過程。模型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。

計(jì)算得到不同行駛速度條件下，列車在減速停車階段和完全停止階段活塞風(fēng)的變化情況如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在列車制動階段，活塞風(fēng)已然開始緩慢衰減，列車停止后，活塞風(fēng)衰減幅度增大。初始車速為250 km/h，列車停止時(shí)殘余活塞風(fēng)可達(dá)4.3 m/s，此時(shí)的活塞風(fēng)對于煙氣流動將產(chǎn)生重要影響。

1.3 射流發(fā)展過程及其“時(shí)滯性”

對比各種隧道火災(zāi)的通風(fēng)排煙方式，縱向通風(fēng)方式由于其通風(fēng)效果良好、成本低、組合方式多變的特點(diǎn)，在隧道中被廣泛應(yīng)用[1]。對于特長鐵路隧道，縱向氣流通過射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，射流風(fēng)機(jī)開啟后，風(fēng)機(jī)出口射流與隧道內(nèi)部的通風(fēng)氣流發(fā)生動量質(zhì)量交換，在這一過程中，由于“卷吸作用”射流流量不斷增加、速度下降、壓力逐漸升高;而隨著隧道風(fēng)速的逐步增加，隧道通風(fēng)阻抗力增加，射流增壓力有所下降，最終兩者達(dá)到平衡。可見，對于縱向通風(fēng)隧道，延遲效應(yīng)產(chǎn)生的物理實(shí)質(zhì)是射流的誘導(dǎo)增壓效應(yīng)和隧道通風(fēng)阻抗力的平衡過程[2]。無論隧道初始風(fēng)速處于何種狀態(tài)，當(dāng)開啟或關(guān)停射流風(fēng)機(jī)后，隧道流場均需要經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展方能達(dá)到控制需風(fēng)量。

文獻(xiàn)[3]中基于理論分析得出了射流風(fēng)機(jī)作用下，隧道內(nèi)瞬時(shí)氣流速度的表達(dá)式，如式（1）所示，以及隧道風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間表達(dá)式，如式（2）所示，并通過在錢江路隧道及梅林隧道的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。

對于最高行車時(shí)速為250 km/h的20 km標(biāo)準(zhǔn)隧道，使得隧道斷面穩(wěn)定風(fēng)速為2 m/s時(shí)，隧道內(nèi)風(fēng)速變化過程分別采用SES與式（1）的計(jì)算結(jié)果對比見圖5所示，兩種方法得到的風(fēng)速大小及變化趨勢一致，表明SES計(jì)算模型能夠較好地反映出隧道通風(fēng)的延遲效應(yīng)。

通過對式（2）分析可知，隧道通風(fēng)的穩(wěn)定時(shí)間與隧道尺寸、阻力特性、穩(wěn)定后的隧道風(fēng)速和風(fēng)機(jī)風(fēng)量相關(guān)。穩(wěn)定后的隧道風(fēng)速vs越大，所需穩(wěn)定時(shí)間越短;隧道長度越長、斷面積越大，所需穩(wěn)定時(shí)間越長;隧道沿程、局部阻力系數(shù)越大，所需穩(wěn)定時(shí)間越短。

2? 臨界風(fēng)速煙氣控制

2.1 煙氣控制要求及通風(fēng)模式

為保證人員疏散環(huán)境中煙氣條件滿足安全要求，對于列車端部著火的情形，通常采用臨界風(fēng)速控制。臨界速度即防止隧道火災(zāi)中煙氣反向流動的最小縱向通風(fēng)速度。采用臨界風(fēng)速通風(fēng)控制時(shí)，送風(fēng)方向應(yīng)與人員疏散方向相反，從而保證火源上游沒有煙氣回流，如圖6所示。

2.2 臨界風(fēng)速的計(jì)算

有關(guān)臨界風(fēng)速的計(jì)算，Kennedy、Oka、Atkinson、Wu和Bakar[4]以及李穎臻等人[5-6]均基于小尺寸實(shí)驗(yàn)給出具體計(jì)算公式。目前，李穎臻給出的經(jīng)驗(yàn)公式能夠很好地應(yīng)用于隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速的計(jì)算，如式（3）、式（4）、式（5）所示。

式中，Q*為無量綱熱釋放速率;v*為無量綱熱釋放速率臨風(fēng)速;Q為火源熱釋放速率，kW;H為隧道高度，m;ρ0為空氣密度，kg/m3;T0為環(huán)境溫度，K;cp為空氣比定壓熱容，J/（kg·K）;g為重力加速度，m/s2。

通過隧道內(nèi)列車火災(zāi)實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果可知，對于鐵路隧道，最大熱釋放速率約為20 MW[7-8]，而列車斷面與隧道斷面積之比約為20%。根據(jù)式（3）至式（5），可以求得，火源功率為20 MW，阻塞比為20%時(shí)的臨界風(fēng)速為2.57 m/s：

即縱向風(fēng)速大于2.57 m/s時(shí)，方才達(dá)到臨界風(fēng)速的煙氣控制要求。

2.3 煙氣控制指標(biāo)

煙氣的危險(xiǎn)性分析指標(biāo)包括接觸溫度、輻射溫度、煙氣毒性、能見度及氧氣濃度等。NFPA130中指出，火源附近30 m以外，逃生人員身體接觸到的煙氣溫度不得高于70 ℃，人體對火災(zāi)環(huán)境中煙氣層的輻射熱的耐受極限是2.5 kW/m2（對應(yīng)隧道頂部煙氣層溫度約180 ℃）;煙氣能見度不得低于10 m;火災(zāi)發(fā)生后6 min內(nèi)，逃生環(huán)境的CO濃度極限值不得高于1 150 ppm。測點(diǎn)布置示意圖如圖7、圖8所示。

通過對各項(xiàng)煙氣危險(xiǎn)性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得出，在列車迫停的初期階段，鐵路隧道內(nèi)影響人員安全疏散的因素主要為能見度和頂棚溫度[9];CO濃度、氧氣濃度和救援通道人員特征高度處的溫度均在安全范圍以內(nèi)。因此，后文主要討論能見度和頂棚溫度的分布情況。

3? 模型的建立

該文采用FDS，以最高時(shí)速為250 km/h的標(biāo)準(zhǔn)隧道及CRH系列高速列車為對象建立三維煙氣流動數(shù)值計(jì)算模型[10]。火源大小設(shè)為20 MW，火源位置分別位于頭部車廂和尾部車廂內(nèi)，煙氣通過破裂車窗進(jìn)入隧道中，火災(zāi)發(fā)展速率為超快速發(fā)展?？紤]到搭載旅客行李數(shù)量的變化，一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)車廂燃燒產(chǎn)煙率在0.05～0.12 kg/kg[11]左右的范圍內(nèi)，該文設(shè)定產(chǎn)煙率0.1 kg/kg。

邊界條件設(shè)置如圖9所示，通過在“Supply”表面中輸入SES一維計(jì)算得到的縱向風(fēng)速變化曲線，來實(shí)現(xiàn)反映列車運(yùn)動和機(jī)械通風(fēng)綜合作用下的縱向風(fēng)速變化情況。

4? 綜合縱向風(fēng)速作用下的煙氣分布

4.1 列車頭部著火

通過對臨界風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，對于20 MW火災(zāi)，臨界風(fēng)速為2.57 m/s，故對列車頭部著火，順活塞風(fēng)向施加2.6 m/s的通風(fēng)風(fēng)速。列車行駛速度為250 km/h時(shí)，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速的變化如圖10所示，而人員疏散路徑上的煙氣分布見圖11。

由于射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)的延遲作用，720 s以內(nèi)，隧道內(nèi)斷面風(fēng)速尚未能達(dá)到臨界風(fēng)速，因而在火源附近產(chǎn)生部分煙氣回流，回流長度不超過100 m，且在火源附近30 m以外的疏散區(qū)域，頂棚溫度始終保持在180 ℃以下，因此在該種通風(fēng)策略下，頂棚溫度分布符合安全條件。而人員疏散階段，疏散路徑人眼高度處能見度始終保持在10 m以上，符合安全要求。

4.2 列車尾部著火

對于列車尾部著火，通風(fēng)方向應(yīng)與活塞風(fēng)向相反，此時(shí)不僅要在短時(shí)間內(nèi)克服活塞風(fēng)使得煙氣流向與人員疏散方向相反，還要在煙氣反向之后維持住臨界風(fēng)速，否則在煙氣反向的過程中會由于不斷堆積導(dǎo)致疏散環(huán)境的煙氣條件惡化。通過計(jì)算得出，列車行駛速度為250 km/h時(shí)，逆活塞風(fēng)向通風(fēng)，風(fēng)速為4 m/s時(shí)可同時(shí)滿足使得煙氣快速反向，且穩(wěn)定后滿足臨界風(fēng)速的要求。隧道內(nèi)縱向風(fēng)速的變化如圖12所示，而人員疏散路徑上的煙氣分布如圖13所示。

由圖13可知，270 s左右，煙氣正在經(jīng)歷一個(gè)反向過程，在火源附近（-27 m，0）范圍內(nèi)，隧道頂棚煙氣溫度高于180 ℃。在其他時(shí)間段內(nèi)，頂棚溫度高于180 ℃的范圍也沒有超過火源附近30 m，因此，從頂棚溫度的角度，人員可以安全疏散。由于采用逆向通風(fēng)，煙氣的反向需要一個(gè)過程，在這一過程中之前產(chǎn)生的所有煙氣會聚集在某一區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域能見度某一段時(shí)間內(nèi)有所下降，當(dāng)煙氣完全反向之后，該區(qū)域能見度提升。由圖13可知，在火源附近（100 m，0）范圍內(nèi)，270 s左右煙氣能見度有片刻低于10 m，然而，這一短暫的現(xiàn)象不會影響全部人員的整體疏散過程，故從能見度的角度分析，人員可以安全疏散。

5? 結(jié)語

對于隧道火災(zāi)，人員疏散階段亦是活塞風(fēng)對煙氣影響較大的階段以及射流風(fēng)機(jī)作用下氣流速度不斷發(fā)展直至預(yù)期風(fēng)速的階段。采用臨界通風(fēng)煙氣控制時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮活塞風(fēng)的衰減以及射流發(fā)展綜合作用下的“時(shí)滯性”。通過對不同著火位置采用的臨界風(fēng)速通風(fēng)方案進(jìn)行分析可知：

（1）當(dāng)列車頭部著火時(shí)，通風(fēng)方向與活塞風(fēng)方向相同，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的臨界風(fēng)速進(jìn)行通風(fēng)控制能夠滿足安全疏散需求。

（2）當(dāng)列車尾部著火時(shí)，通風(fēng)方向與活塞風(fēng)方向相反，此時(shí)不僅需滿足穩(wěn)定后的縱向風(fēng)速大于等于臨界風(fēng)速，還需保證煙氣在短時(shí)間內(nèi)能夠改變流動方向，否則，煙氣反向流動過程中不斷累積反而有可能惡化疏散環(huán)境;相對不利火災(zāi)情形下，縱向通風(fēng)風(fēng)速應(yīng)至少為4 m/s，大于列車靜止時(shí)的臨界風(fēng)速。

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