城际铁路隧道坡度对火灾温度及临界通风速率的影响

王 奔

(怀化市消防支队,湖南 怀化 418000)

0 引言

随着我国基础设施的不断完善，轨道交通也得到了快速发展，由于地形多变，在交通网中遍布着无数的隧道，但是轨道交通隧道中一旦发生火灾事故，会对隧道内的人员及消防救援人员造成严重威胁。然而关于列车在隧道内的火灾试验既耗人力物力财力，且试验安全性不能保证，因此开展列车在隧道内的火灾数值模拟研究具有一定现实意义。鉴于列车隧道火灾造成的严重危害，国内外学者对此开展了大量研究，主要包括全尺寸试验研究、缩尺寸试验研究及数值模拟研究。当隧道内发生火灾时，火源功率的大小为影响火灾蔓延、烟气分布及人员安全疏散的主要因素，关于隧道内火源功率的研究得到了众多学者的广泛关注，比较全面的有Timothy Shaw等开展的全尺寸隧道火灾试验研究，主要对隧道内不同车辆燃烧的火源进行研究，同时研究了不同火源功率下的火灾蔓延规律。当隧道内发生火灾后，由于隧道狭长空间结构的影响，火灾产生的烟气到达顶棚后发生顶棚射流，而后快速向隧道两边蔓延，然而当隧道存在一定的坡度时，烟气的流动会截然不同。目前主要的烟气控制方法是通过机械排烟的方式将烟气排向一侧，有许多学者开展了自然通风及机械通风下的火灾顶棚烟气温度分布规律，同时建立了相应的温度衰减经验公式[1-10]。然而轨道交通隧道主要以客运为主，其火源复杂，火灾形势多变，关于这方面的研究较少。本文通过分析前人研究的经验，建立不同坡度下轨道交通隧道火灾的数值模拟模型，对不同坡度下的临界通风速率及发生火灾时烟气的蔓延规律、顶棚的温度分布及CO浓度分布进行分析，探讨其火灾危险性，并对轨道交通隧道火灾的评估做出建议。

1 火灾模型的建立

1.1 车体材料介绍及火源功率设置

本文以CRH6型动车组为例，构建列车火灾模型。该车的尺寸为200 m×3 m×3.8 m，动车组主要组成部分为座椅、地板、旅客行李、窗帘等，列车内的材料主要有棉布、聚氨酯塑料、织物、PVC等材料，表1给出了各材料的热力学性能参数。

根据实际要求和FDS自定义的参数值，按照表1设置列车材料的燃烧性能，其单位热释放速率为l 000 kW·m-2，模拟试验采用一个面积为0.5 m×1.0 m规模的明火点火源，点火源热释放速率为2 000 kW·m-2，即点火源的功率为1 MW，点火源功率由0增长到1 MW的时间为1 s。

表1 列车内主要材料的热力学参数

1.2 网格划分

数值模拟软件FDS使用大涡模拟LES计算方法，计算中网格尺寸大小对计算精度和计算时间影响非常大。FDS技术手册中推荐网格尺寸为火灾特征直径D*的0.1倍左右，D*的确定与火灾热物性参数有关[11]，具体公式为：

式中，Q为热释放速率，ρ∞为密度，Cp为定压比热，T∞为环境温度，g为重力加速度。

网格尺寸通常在火灾特征直径0.1倍附近取值，各个方向网格个数能被2、3或5整除。考虑到本文模拟的隧道较长(600 m)，故采取在模拟区域内的不同部位采用不同的网格划分方式，即在受网格影响较大的火源周围网格尺寸可较小，而远离火源受网格影响较小区域的网格尺寸可适当放大的方式划分网格。综合考虑网格尺寸与火源功率，数值模拟的计算区域600 m×6 m×5.8 m，网格分为三个部分(如图1所示)：第一部分网络不加密，区域大小为200 m×6 m×5.8 m；第二部分网格加密，区域大小为200 m×6 m×5.8 m；第三部分网格不加密，区域大小为200 m×6 m×5.8 m。网格总数为111 360个。

图1 模型示意图

1.3 工况设置

火源位置、通风模式及隧道坡度示意图如图2所示，工况设置见表2。

图2 火源位置及隧道坡度示意图

表2 各工况汇总表

2 结果与讨论

2.1 动车组火灾情况及隧道坡度对顶棚烟气温度的影响

图3所示为动车燃烧时列车内温度分布规律，由图可知当火灾发生100 s时，列车内高温区主要分布于列车上部，随着火灾的发展，200 s时，列车内高温区逐渐向列车下方蔓延，且向两端传播，当火灾发展到300 s时，整个列车内的最高温度主要分布在列车中部，当火灾发展到400 s时，火灾逐渐向列车前后传播，高温区主要分布于列车两端。

图4所示为各坡度无通风情况下烟气蔓延的规律，由图可知，当隧道坡度为-4%时，由于烟囱效应的作用，烟气主要向上坡方向蔓延，图4(a)所示为火灾发生1 000 s时烟气的蔓延情况图，可见烟气回流长度较短。图4(b)所示为火灾发生1 000 s坡度为-1%稳定时烟气蔓延规律，可见烟气回流长度远长于坡度为-4%的情况。图4(c)所示为火灾发生1 000 s坡度为3%时烟气蔓延情况。对比不同坡度对动车组隧道火灾烟气的蔓延情况可知，烟气的蔓延主要受烟囱效应影响，坡度越大，烟囱效应越明显，烟气回流长度越短。

图3 列车内温度分布规律

图4 各坡度稳定时烟气蔓延规律

图5所示为各坡度无通风情况下隧道顶棚温度分布曲线图，由图可见，隧道中心列车着火部位顶棚的温度高于隧道两边的温度，隧道左边部分的温度分布为，坡度-4%的温度高于坡度-1%的温度，坡度-1%的温度高于坡度3%的温度。其主要原因为，当坡度为-4%时，由于烟囱效应的作用，烟气主要分布于左侧，故其温度高于-1%和3%，然而右侧温度3%坡度高于其他两种坡度。

图5 无通风时隧道顶板温度分布曲线图

2.2 不同坡度临界风速下的烟气温度分布

2.2.1 烟气蔓延规律

图6所示为不同坡度临界风速下隧道内烟气蔓延情况，由图可见，当各坡度没有烟气回流时，坡度为-4%时的临界通风速率为2.52 m·s-1，坡度为-1%时的临界通风速率为2.21 m·s-1，坡度为3%时的临界通风速率为1.97 m·s-1。由此可见，当隧道内发生火灾时，可根据隧道的坡度判定通风速率进行排烟，以防通风速率过慢，烟气回流长度过长，或者通风速率过大造成烟气紊乱。

图6 不同坡度临界风速下隧道内烟气蔓延情况

2.2.2 隧道拱顶温度分布

图7所示为不同坡度临界风速下隧道拱顶温度分布曲线图，由图可见，在临界通风速率下，下风向温度高于上风向，且各坡度情况下纵向的温度分布随着与火源的距离增加，温度逐渐降低。此外，坡度为-4%和3%，临界通风情况下隧道顶棚最高温度大约470 ℃左右，当坡度为-1%时，临界通风下顶棚最高温度大约为350 ℃。

图7 不同坡度临界风速下隧道拱顶温度分布

2.3 不同坡度临界风速下的CO浓度分布

图8为不同坡度临界风速下隧道内的CO浓度分布规律，由图可见，当在临界风速下，隧道内的CO主要分布于隧道下风向，且随着与火源的距离增加，CO浓度降低，且不同坡度临界风速下的CO浓度分布规律不同，随着坡度的增加，隧道下风向的浓度增加。

图8 不同坡度临界风速下隧道内CO分布

3 结论

本文采用FDS模拟软件研究了CRH6型动车组在隧道内着火时的温度分布情况，隧道坡度对动车组火灾烟气蔓延、临界通风速率的影响及相应工况下的温度分布及CO浓度分布情况，得到随着隧道坡度的增加，隧道内的烟囱效应越明显，临界通风速率变小。当该类火灾发生时，可建议根据隧道的坡度及方向选择合适的通风速率，且临界通风速率下隧道内的CO主要分布于隧道下风向，消防员在救援时要注意CO的影响。