地铁隧道火灾临界风速数值模拟分析

陈　霖 毕海权 刘小霞 王　菁



地铁隧道火灾临界风速数值模拟分析

陈霖 毕海权 刘小霞 王菁

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

以目前工程上采用侧式疏散平台进行火灾人员疏散救援的地铁区间隧道为背景，使用三维CFD软件“STAR-CCM+”对隧道火灾纵向通风临界风速进行数值模拟研究。通过建立更为真实的隧道火灾场景，即将列车阻塞以及疏散门开启影响因素引入火灾计算模型，得到了不同热释放速率下的临界风速，从而为地铁工程排烟系统的设计提供参考。

STAR-CCM+；地铁隧道火灾；临界风速；数值模拟

0 引言

当区间隧道发生火灾时，一般采用纵向通风对烟气进行控制，使烟气在隧道内仅沿某一方向蔓延，从而在火源上游方向形成一个单侧的无烟安全疏散通道，以保证人员的安全撤离。工程上一般按能够抑制烟气不发生逆流的最小风速进行通风，即临界风速。

目前，关于隧道火灾纵向烟气控制的临界风速研究已取得了较多的成果[1-7]，但仍存在一些不足，如：大部分学者的研究成果并未考虑列车阻塞效应对临界风速的影响，少部分学者即使考虑阻塞也仅仅是将列车简化为一个实体。然而，地铁新型列车内部车厢之间均贯通，车厢两端并无隔断门，区间隧道人员的救援采用侧式疏散平台进行疏散，停车救援时疏散侧门全部开启，此时车厢内部着火后的烟气蔓延特性较以往的研究模型有很大差异。因此，以目前工程上采用侧式疏散平台进行火灾人员疏散的区间隧道为背景，建立更为真实的隧道火灾场景进行临界风速的研究将非常有意义。

本文采用STAR-CCM+三维数值模拟计算软件，通过数值试验方法，对既有区间隧道火灾纵向烟气控制进行研究，通过将列车阻塞与疏散门开启影响因素引入数值计算模型，模拟得到了不同热释放速率下的临界风速。

1 计算模型及验证

1.1 几何模型

临界风速数值计算研究对象为设有侧式疏散平台的圆形盾构区间隧道，如图1所示。列车采用B型车，尺寸120m×2.8m×3.8m，车厢内部全部贯通。为反应真实火灾场景，火源设置在中部车厢内部，疏散侧门全部打开，且着火车厢窗户已全部烧坏。考虑到实际火灾一般发生在一段区间隧道内，只需对火灾区间隧道进行通风[8]，因此物理模型只按一段考虑，本文取隧道计算长度为300m。隧道-列车模型如图2所示，隧道断面具体参数如表1所示。

图1 区间隧道横断面尺寸示意图

图2 地铁隧道-列车模型

表1 各隧道断面参数

1.2 计算方法

本文采用STAR-CCM+内嵌套的火灾模块进行火灾模拟分析，该软件应用的控制方程、湍流模型、燃烧模型、离散方法及壁面处理等计算方法详见用户使用手册的物理模型及火灾模块章节[9]，这里仅对其做简单介绍。

基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分守恒方程和理想气体状态方程。湍流计算采用两方程模型进行求解，近壁区流场及温度场的求解采用All y+壁面函数处理法。燃烧模型采用体积热源模型（Voumetric Heat Source Model，VHS），即将火源设定为一个固定体积的具有相当热释放速率的热源，忽略化学反应过程。

1.3 网格划分

参考FDS火灾模拟软件的用户使用手册[10]，采用火源特征直径来确定火源附近的网格大小，定义如下：

1.4 初始条件及边界条件

衬砌为混凝土结构，厚0.5m；土壤恒温层取18℃，初始环境温度为20℃，模拟最大时间为900s。隧道壁面及列车表面为无滑移的wall边界，其中，隧道壁面粗糙高度为0.4mm，列车壁面粗糙高度为0.1mm。为实现与实际隧道纵向排烟相同的效果，本文将隧道一端设为速度入口边界，一端设为压力出口边界。

1.5 计算工况

通风排烟系统的设计关键就是确定火灾热释放速率，根据国内外列车隧道火灾的研究，隧道火灾热释放速率峰值一般为5～31.1MW[11]，其中乘客附带行李完全燃烧的热释放速率约为2.5MW。本文对不同火灾热释放速率下的纵向通风临界风速进行计算，模拟工况如表2所示。工况说明：以热释放速率2.5MW 为例，则包含4种工况，即0.8m/s、0.9m/s、1.0m/s、1.1m/s。

表2 纵向通风计算工况

1.6 可靠性验证

考虑到本文为首次采用STAR-CCM+进行临界风速计算，因此，模拟结果的可靠性需得到实验验证。这里通过文献[12]中的隧道火灾模型试验进行临界风速计算结果的可靠性验证，即按照文献所采用的试验模型进行建模，并将模拟结果与试验值进行对比。

图3为限制风速下隧道内烟气温度分布云图。从图中可以看出，采用STAR-CCM+进行隧道火灾模拟时，可很好的预测烟气的分布形态。

图3 限制风速下隧道纵断面烟气温度分布云图（Q=3.9kW，Vc=0.32m/s）

图4给出了模型试验与数值模拟回流长度-风速曲线的比较图。其中，为回流长度，为纵向通风速度。通过将曲线进行延伸拟合，分别得到试验与数值计算的临界风速值为0.52m/s、0.485m/s，模拟值与实验值误差在8%以内，显然，采用STAR-CCM+进行临界风速研究可行。

图4 回流长度—速度曲线结果对比

2 数值模拟结果及分析

在纵向通风的作用下，隧道拱顶下方的火灾烟气温度在烟气逆流前锋的位置将出现骤降[12]，根据这一特征，这里采用与试验验证相同的方法，通过分析稳态时火灾烟气的温度场来确定各风速下的烟气回流长度，然后绘制烟气回流长度-风速关系曲线，通过延伸拟合得到各工况下的临界风速。以5MW为例，图5给出了通过拟合得到的临界风速下的纵向烟气温度分布云图，从图中可以看出，采用拟合的方法可行。

图5 临界条件下纵向温度分布（Q=5MW，Vc=1.475m/s）

图6给出了不同热释放速率下的临界风速数值模拟结果。由图可知，在一定范围内，随着火灾热释放速率的不断增大，纵向通风临界风速也逐渐增大，但当热释放速率大于10MW时，临界风速不再随热释放速率的增大而增大，而是保持一定值。

图6 临界风速随热释放速率的变化关系

对于既有区间隧道（最大车速为80km/h）而言，工程上一般按热释放速率为7.5MW进行通风系统设计，规定火灾工况下纵向最小通风速度不低于2m/s，结合数值模拟结果可知，在实际隧道火灾热释放速率难以确定的情况下，2m/s的纵向通风速度完全可以保证不同火灾规模下的烟气不发生回流。

3 结论

在实际隧道火灾中，影响纵向通风临界风速的因素较多，临界风速研究的发展趋势将是模型的进一步精确化。本文通过采用CFD软件“STAR-CCM+”建立更为真实的全尺寸地铁隧道火灾场景，对既有区间隧道（最大车速80km/h）纵向通风临界风速进行数值模拟研究，得到以下结论：

（1）采用STAR-CCM+内嵌火灾模块进行隧道火灾计算可很好的预测烟气的分布形态，同时对纵向通风临界风速的研究也较为准确。

（2）在一定范围内，临界风速值随着热释放速率的增大而不断增大，但当热释放速率大于10MW时，临界风速不再随热释放速率的增大而变化，各热释放速率下的临界风速均小于2m/s。

（3）实际地铁工程通风系统设计中，在列车热释放速率难以确定的情况下，当前《地铁设计规范》规定的最小通风速度（不低于2m/s）可以保证不同火灾规模下的烟气不发生回流。

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Numerical Simulation Study on Critical Velocity in Subway Tunnel Fire

Chen Lin Bi Haiquan Liu Xiaoxia Wang Jing

( Mechanical Engineering of southwest jiaotong university, Chengdu, 610031 )

Under the background of widely used subway tunnel equipped with lateral evacuation platform for the fire evacuation and rescue, the paper uses the new generation of CFD software “STAR-CCM+”, applies the numerical simulation model to study the critical velocity of subway tunnel fires in longitudinal ventilation. The paper establishes a more real tunnel fire scene by introducing the influencing factors of blocked train and opened evacuation doors to the fire calculation model. At last, the paper obtains the critical velocity in the different heat release rate, which can provides reference for the design of the metro engineering exhaust system.

star-ccm+; subway tunnel fire; critical velocity; numerical simulation

1671-6612（2017）03-245-04

TU998.1

A

陈 霖（1990-），男，在读硕士研究生，E-mail：cqw199034@126.com

毕海权（1974-），男，博士研究生，教授，E-mail：bhquan@163.com

2016-03-18