地铁区间隧道火灾情况下的烟气扩散研究

赵兰英 胡凤丽 李强

摘 要：针对地铁区间隧道火灾烟气扩散技术研究难点，利用CFD软件STAR-CCM对郑州地铁一号线某区间隧道进行火灾数值模拟，确定火灾强度为7.5 MW，保证烟气单向扩散临界风速不小于2.0 m/s。实验表明，在隧道火灾发生后，向火源下游逃生的人员应尽量降低自己的高度（比如弯腰前进或匍匐逃离等）沿隧道中线逃离。通过现场试验，将在同种工况下测得的烟气流动状况与数值模拟结果对比，运用更可靠的数值模拟方法模拟火灾烟气流动，其研究结果可为研究烟气流动情况和制定疏散方案提供重要参考依据。

关键词：隧道火灾;烟气流动;数值模拟;逃生路线

DOI：10.11907/rjdk.181950

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）001-0140-04

Abstract：Aiming at the technical difficulties of smoke propagation in subway tunnel with a fire scenario， we conducted the fire simulation of a section tunnel of Zhengzhou Metro Line 1 by using CFD software STAR-CCM. The critical wind speed of one-way diffusion of smoke is not less than 2.0 m/s when fire intensity is 7.5 MW. It is concluded from the simulation analysis that people escaped downstream should try to lower their height and go along the middle line of the tunnel. The gas flow condition measured by field experiment was compared with the numerical simulation results under the same condition. The results show that the numerical simulation method is reliable. The research results provide important reference for studying the flow of smoke and making evacuation plans.

0 引言

随着社会高速发展，各大城市普遍出现交通拥堵甚至瘫痪现象。建立城市地铁是各大城市首选解决方式，但地铁运营后期存在多种潜在安全问题，发生几率较大且最危险的问题就是火灾，所以必须设置防排烟系统控制烟气流动及足够的人员疏散通道，一旦发生火灾，烟气及热量能够迅速排出，减少火灾造成的人员伤亡和经济损失。因此高度重视地下交通系统火灾灾害的发生，并加强研究地铁防排烟系统有重要现实意义[1-4]。赵兰英等[5-6]通过建立浅岛式站台物理模型和数值模拟分析站台内烟气流动特点及蔓延规律。孟娜等[7]利用CFD数值软件建立地铁站台物理模型，引入双层区域模拟思想模拟分析烟气温度、浓度等随时间变化的规律，为地铁防排烟系统的合理设计提供依据。王庆生等[8-9]利用SMARTFIRE软件进行地铁站台数值模拟研究，总结火灾工况下人员疏散特点，并据此建立了人员安全疏散模型，通过对站台烟气温度和烟气浓度的研究提出人员安全疏散时间的计算方法。赵振江等[10-12]通过数值模拟和实验测试手段，分析南京某地铁站实现人员安全疏散所需的通风排烟系统，并提出场—网耦合数值模拟的新方法。阮天鹏等[13]采用FLUENT软件模拟某地铁站台发生一定功率火灾后，屏蔽门开启模式对烟气流动的影响。本文使用CFD模拟软件star-ccm+，选取郑州地铁某隧道区间为对象建立物理模型，较精确、形象地对不同通风风速下火灾烟气流动进行数值模拟，分析不同通风风速下烟气流动特征，确定临界风速并总结隧道火灾烟气的火灾特性及烟气发展规律。另外，通过现场模型实验测试结果对比，探索区间隧道在火灾情况下烟气扩散数值模拟方案的可靠性[14-16]。

1 模型建立

1.1 物理模型

本区间隧道火灾模型的火灾工况主要考虑在一定隧道通排风模式下，着火列车在火灾发生后停留在隧道内部时火灾烟气发展的全过程，以及对人员安全疏散产生的影响[17]。其物理模型依据郑州地鐵一号线隧道建筑的实际尺寸建立，如图1所示。考虑到计算机运行情况以及计算时间问题，模型计算区域取400m，并且按火源位于隧道中央这种最不利的情况考虑[18-19]。

1.2 边界条件与网格划分

按列车正常运行情况及隧道内实际环境温度，本文模拟将初始温度设为20℃，火灾燃烧规模按5节车厢燃烧一小时达到的基本功率设置为7.5MW[18，20]。火源大小设为一定尺寸的矩形火源（2m×2m×1m）。模拟为达到一定精确性，在火源附近50m加密网格，整个计算区域形成的网格数大于1 900 000[21]。整体网格划分模型及火源附近断面网格和边界层划分见图2所示。

1.3 模拟工况

（1）火灾中，火灾上游分别进行通风风速为1.5m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s时的烟气扩散情况，火源功率取常数7.5MW，烟气层边界由0.1kg/m3的等浓度线确定，对应体积分数为0.015。

（2）按t=0时发生火灾，燃烧时间为10min，着重讨论风速为2.5m/s的通风情况。

2 模拟结果分析