地铁长大区间隧道火灾风机启动方案数值模拟研究*

李　建

(中国安全生产科学研究院 地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京 100012)

0　引言

近年来，我国城市轨道交通正处于蓬勃发展阶段。截止2016年底，我国开通城市轨道交通运营的城市达到30个，运营里程达3 727 km。预计2020年底，全国开通城市轨道交通的城市将达到55个，运营里程将突破6 000 km。伴随着我国轨道交通建设的步伐，不少城市轨道交通建设逐渐从中心城区向城郊扩展，由于城郊人口密度低，站间距较大，因而地铁长大区间隧道日益涌现。长大区间隧道基本处于地下空间，环境封闭，而运行的列车内人员密集，一旦发生火灾，其排烟模式的有效性关乎大量人员的生命安全[1]。

研究区间隧道火灾通风排烟主要有全尺寸实验、模型实验、理论分析和数值模拟等。史聪灵等[2]采用全尺寸火灾实验的方式，研究区间隧道火灾烟气纵向蔓延速度、烟气竖直温度分布和水平温度变化，分析了烟气火焰倾斜角，顶棚烟气温升的纵向指数变化特征；徐琳[3]根据密度修正弗诺德准则Fr设计热态火灾实验，搭建1/14几何缩尺、1/8温差缩尺、0.145速度缩尺的复合排烟实验台，针对20 MW火灾强度，并考虑上游无风、临界风速送风、4种烟道排风量、2种行车空间高度变化等情况，总共完成16组对比实验工况，获得了1#、3#风口间隧道内热烟气扩散规律，并进一步完成CFD模拟的实验验证；Ingason等[4-5]采用缩尺寸试验和理论分析，研究了纵向通风请下隧道内烟流控制临界风速和烟气逆流长度。

Weng等[6]则采用量纲分析法，研究了纵向通风情况下隧道内烟流控制临界风速和烟气逆流长度；张之启[7]针对地铁的长大过江区间隧道，从通风系统形式、气流组织等方面详细研究了长大区间隧道的通风、排烟系统设计方案，对于同时存在多列车同向运行的长大区间隧道，当区间隧道采用大洞方案时，设置顶部风道、风口来组织隧道内的通风排烟，当区间隧道采用小洞方案时，在区间隧道上设置中间风井，利用中间风井进行通风排烟；袁中原[8]采用理论分析、模型试验和三维数值模拟结合的方法，研究了顶部开孔地铁区间隧道的火灾烟气特性和烟气控制方法。

图3　长大区间隧道联络通道和防火门尺寸(mm)Fig.3　Dimension of connecting bypass and firep roof door of the studied long-large interval tunnel

吴萍[9]采用数值模拟，以带独立排烟道的长大单洞双向地铁区间隧道为研究对象，研究了单点点式排烟和双点点式排烟2种模式下的烟气流动特性，并分别研究了随着火源热释放率、火源竖向位置、排烟风口横向尺寸、排烟风口纵向尺寸、火源与风口间距和排烟风量等因素的影响烟气流动特性的变化规律；朱祝龙等[10]针对地铁长大过海区间隧道通风排烟问题，结合青岛地铁1号线瓦贵区间工程，采用理论及对比分析、数值解算等方法，分析过海区间隧道区间风井设置、火灾工况气流组织等问题；Zhou等[11]研究了运行中列车着火后烟气运动模式；苏晶[12]使用地铁环控计算软件SES对最终隧道通风方案进行火灾工况下的模拟分析研究。

长大区间隧道火灾，由于需要中间风井通风排烟系统、车站隧道通风排烟系统及车站端头的区间隧道通风排烟系统协作排烟，相比普通区间隧道火灾排烟模式更加复杂，风机组合模式更多，排烟效果也更加不确定。本文将采用数值模拟方式，以国内某一在建地铁长大区间为工程依托，选择不利起火点(列车发生火灾，无法行驶到车站，停在两中间风井之间)，研究不同送排烟模式下的排烟效果，以期获得最佳排烟模式，为地铁工程设计和运营提供参考。

1　模拟地铁长大区间介绍

本文所研究长大区间为国内某一在建地铁长大区间隧道，隧道全长5 687 m，区间内设置了10个联络通道和2个中间风井，联络通道和中间风井位置如图1所示。隧道内径为5.4 m，隧道壁厚0.61 m。本线车辆采用6A编组，列车长约为140 m，宽约3 m，高约3.8 m(不含车顶空调和受电弓)。隧道尺寸和车辆尺寸如图2所示。

图1　地铁长大区间隧道联络通道和中间风井位置示意Fig.1　Connecting bypass and air shaft locations of the studied railway long-large internal tunnel

图2　长大区间隧道断面尺寸和列车尺寸(mm)Fig.2　Cross-section dimension and train size of the studied long-large interval tunnel

2条单线区间隧道之间的联络通道的截面尺寸为3 m(宽)×2.5 m(高)。联络通道两端均设向疏散方向开启的甲级防火门，防火门高2 m，宽1.2 m。联络通道和防火门尺寸如图3。

2　模拟工况及测点测面设置

火源功率设置为国内地铁设计中普遍采用的7.5 MW，其火灾曲线升温曲线可按约10 min达到峰值考虑。

利用FDS计算方法模拟火灾的燃烧问题，网格尺寸必须小于一定的尺寸才能使得计算结果可信。参考FDS给出的火灾模拟最大长度尺寸为火灾特征直径0.1D*[13]。

(1)

式中：D*为火源特征直径，m；Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp为环境空气比热，kJ/(kg·K)；T∞为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。

根据式(1)，网格尺寸最大不超过0.21 m，因此本文设置网格尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m。调用FDS中MPI (Message Passing Interface)功能，将模拟隧道划分为32个计算区域，采用多核并行计算方式加快计算。

一般而言，隧道排烟模式有自然排烟、纵向排烟，横向排烟、半横向排烟和混和排烟等[14]。由于工程造价低、设备费用少、施工方便、节省能源，目前国内地铁区间隧道普遍采用纵向排烟。

针对本文上一节给出的国内某在建地铁长大区间，选择不利起火点(列车发生火灾，无法行驶到车站，停在两中间风井之间)，研究7种不同风机启动模式下的排烟效果，风机启动模式如表1和图4所示。每台风机风量为60 m3/s，考虑火灾报警时间和风机启动过程，本研究中设定风机1 min启动完成。

表1　模拟工况设置

图4　7种不同风机启动模式示意Fig.4　Schematic diagram for seven different start modes

3　结果分析

采用大涡模拟软件FDS[15]，根据前文给出的区间隧道尺寸、火源设置、工况设置等，模拟列车在隧道两中间风井之间起火并停车情况下(最不利情况之一)7种风机不同启动方案时烟气蔓延情况。

图5是火源附近顶棚温度纵向分布。从图中看到，不同风机启动方案下，火源附近顶棚最高温度存在较大差别，具体表现为：风机启动方案5中，火源下风向最高温度约为196℃，其次为风机启动方案7，火源下风向最高温度约为169℃，风机启动方案3和风机启动方案1下风向最高温度接近，约为140℃，启动方案4，6和2中火源下风向最高温度最低，低于120℃。

图5　火源附近顶棚温度纵向分布Fig.5　Ceiling temperature distribution around fire source

图6　疏散平台人员高度温度纵向分布Fig.6　Gas temperature at person height on evacuation platform along longitudinal direction

图6则给出了疏散平台人员高度温度纵向分布。与火源附近顶棚温度纵向分布类似，风机启动方案5中疏散平台人员高度温度最高，约为171℃，方案7次之，约为129℃。方案1，4，3，2，6依次越来越低。

图7中疏散平台人员高度CO浓度纵向分布也获得以上类似结果：方案5中CO浓度最高(最高约为0.058 3%，火源与风井#2之间大部分区域约为0.04%)；方案7疏散平台人员高度CO浓度次之，最高约为0.041%，平均约为0.035%；方案6疏散平台人员高度CO浓度最低，最高约为0.028 5%。

图7　疏散平台人员高度CO浓度纵向分布Fig.7　CO concentration at person height on evacuation platform along longitudinal direction

与疏散平台人员高度温度和CO浓度不同，不同方案情况下，疏散平台人员高度可见度差别不大(见图8)。这是因为机械送风和排烟作用下，火源下风向一段距离之后，隧道内烟气将不再分层，而是以烟气柱的形式向下风向蔓延，因而人员高度处可见度很低，不具备人员疏散的条件。

图8　疏散平台人员高度可见度纵向分布Fig.8　Visibility at person height on evacuation platform along longitudinal direction

综合以上结果，可以认为风机启动方案6排烟效果最好，风机启动方案7较差，方案5最差。从图4中看到，方案5仅开启2台送风风机和1台排烟风机，相对于其他方案，风机启动台数较少，因而排烟效果最差不难理解。

方案7和方案6开启送风风机一致，排烟风机台数相同但是位置不一致，排烟效果却差别很大。方案6开启的2台排烟风机距离火源较近，能够及时排除大量烟气，而方案7中，开启的其中1台排烟风机距离火源较远，能够起到的作用相对于火源附件的排烟风机差别较大，即使风量一致。

比较方案2和方案4，无论是顶棚最高温度，还是疏散平台人员高度最高温度和CO浓度，方案2和方案4差别不大，而根据图4，方案2与方案4的区别在于方案2多开启1台车站1区间风机送风；同样地，比较方案1和方案3，排烟效果差别不大，而方案1与方案3的区别在于方案3多开启1台车站1区间风机送风。根据以上，本文认为当开启了火源附近足够数量的送风风机后，额外增加送风风量并不会显著改善排烟效率。

4　结论

1)无论是比较方案2和方案4还是比较方案1和方案3，虽然方案2和方案3分别多开启一台车站端的区间隧道风机送风，但是排烟效果与方案4和方案1区别不大。本文认为当开启了火源附近足够数量的送风风机后，额外增加距离火源较远的送风风机并不会显著改善排烟效率。

2)即使开启风机台数一致，开启火源所在区段两端的风机效果明显好于开启其他风机。

3)由于机械送风和排烟，火源下风向烟气基本不分层，呈现烟气柱的分布方式，且不同风机启动方案情况下，人员高度处可见度差距不大，都非常低，无法满足人员疏散要求。

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