地铁列车行驶速度对火灾烟气温度特性的影响

(1.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安，710054；2.西安科技大学安全与科学工程学院，陕西西安，710054；3.中国五环工程有限公司安全环保室，湖北武汉，430000；4.西安市轨道交通集团有限公司安全质量监督部，陕西西安，710018)

近年来，随着地铁交通的逐渐发达，一系列突发事故也相应增加，一旦发生火灾势必会增大整个灾变环境的应急处置难度[1]。我国《地铁安全疏散规范》指出当列车发生火灾后，若列车未丧失动力，则应继续行驶至站台进行人员紧急疏散；若列车不能行驶至车站，则应通过道床紧急疏散[2]。因此，现阶段对于地铁火灾的主要研究集中在隧道中静止列车火灾和运动列车火灾2种情形下的火灾温度分布和烟气蔓延。国内外专家对于隧道中火源静止燃烧造成的烟气蔓延和温度场分布情况的研究较为广泛，刘方等[3]基于实验和FDS数值模拟相结合的方法，研究了地铁隧道采用纵向排烟系统时，不同热释放速率及排烟速度下区间隧道内烟气温度纵向分布特征，并对纵向温度分布的数学模型进行了修正。LIU 等[4]采用数值模拟和全尺寸实验，研究了现有通风模式下灭火抑烟效率方面的问题，得出了对应通风模式下火灾产生的烟气温度、有毒有害气体、能见度及辐射热流均保持在安全水平，为制动火灾应急预案提供参考依据。KASHEF等[5]通过缩尺实验研究了自然通风条件下，隧道火灾顶部温度分布和烟气扩散，建立了温度分布和烟气扩散程度预测公式，并用烟气扩散面积表征烟气层长度和温度的衰减关系。对于运行列车在隧道中发生火灾造成的烟气蔓延和温度分布，国内外学者也进行了相关研究。XI等[6]利用缩尺寸实验台对隧道中着火列车的安全运行速度进行了模拟研究，分析了列车运行速度对温度场变化和烟气的扩散影响，得出着火列车在隧道中运行的安全速度为41.83～45.00 km/h。王湛等[7]采用1:4 的列车与隧道模型，研究了着火列车车厢内的温度分布，结果表明着火列车静止时温度上升速率最快，随着风速增加车厢内最高温度逐渐降低。综上所述，现有文献成果采用数值模拟或实验方法分析了烟气蔓延长度和隧道纵向温度分布特征，而对不同运行速度下形成复杂气流对最高温度点偏移及温度下降速率的影响研究较少。因此，本文作者建立1:10 小尺寸实验台，分析隧道中运行列车起火后车厢顶部火焰蔓延规律及温度分布特性，通过温度分布划分车辆起火后的危险区域，为地铁火灾的紧急避险和应急救援提供参考依据。

1 理论分析

列车运行时，压缩运行方向的空气，将风流推送至活塞风井中，并与隧道内壁之间因为空气流动而形成与运行方向相反且具有一定速度的环形风流[8]。因为列车顶部设有大量的电路和电子设备，在列车长期运行中若电气温度过高会造成车厢顶部起火，并且火势的发展会受到环形风流的扰动。因此，将列车运行中产生的风速作为影响火势变化的主要因素。故设列车在隧道中运行速度为v0，形成的活塞风速为v，列车与隧道空间形成的风速为vs，如图1所示。

相对于列车的风速为vc=v0+vs，因为火源在列车顶部随列车一起运动，所以气流对于火源的风速也为vc，郗艳红等[9]根据连续性方程，计算得出列车在隧道中运行风速：

其中：α为列车横断面积A0与隧道横截面积A的比值，即阻塞比；ξ0为除环状空间外隧道段的阻力系数；λ为沿程阻力系数；L和L0分别为隧道长度和列车长度；d和ds分别为隧道和环状空间的水力直径；K为活塞作用系数；ξ为气流由车站进入隧道的局部阻力系数；ξ1和ξ2分别为气流由隧道进入环形空间或由环形空间进入隧道段的局部阻力系数。

2 实验设计

2.1 系统介绍

建立隧道截面宽度为0.48 m，高为0.42 m，顶部为圆拱结构，半径为0.24 m，底部为矩形，高为0.18 m，由单节长度为0.7 m 的14 根节段连接而成，隧道长共为10 m 的实验台。实验隧道顶部由不锈钢和耐热玻璃组成，通过玻璃观察火焰形态变化。在实验隧道端部安设1台风机，通过调频器控制风机转速实现风速调节。以实验火源点为起点沿下风向每间隔20 cm布置1个热电偶，共布置21个热电偶，实验系统如图2所示。

本文实验设计主要采用相对风速的原理，在实验设计时，列车静止在隧道中，在隧道另一端布置一台轴流式风机，通过端头风机向隧道中提供纵向风，风机提供的纵向风吹向隧道中静止列车，以此来模拟列车在隧道中运行时的风流状况。

在运行列车火灾中，火焰的变化主要受浮力作用影响，火源附近的烟气流动为重力流，离火源较远处的气流为压力流，但由于雷诺数较大，可以作为阻力平方区看待，满足雷诺准则[10]。因此，采用Froude准则作为相似准则[11]。各参数相似关系如表1所示。表1中：下标m 代表模型；r 代表原型。

图2 隧道实验系统图Fig.2 Tunnel experiment system diagram

表1 实验参数相似关系Table1 Similarity of experimental parameters

2.2 参数设置

实验采用柴油作为火源，将其放置于5种直径的油盘中作为不同热释放速率的实验火源，并通过相似性准则计算出相应的实际火源功率。我国地铁运行速度区间在0～80 km/h，列车在隧道中运行时，要经历停止、加速、匀速、减速和停车阶段。本实验选取0，40，60 和80 km/h 作为模拟运行列车的速度变化，根据式(5)可计算出火源受到的风速。利用相似性原理得出实验模拟通风速度，实验参数设置见表2。

3 结果及分析

截取4 种风速下火源稳定燃烧10 s 的火焰视频，采用Matlab软件对火焰视频进行处理，得出4种风速下火焰形态的概率云图如图3所示。将4种风速的火焰出现概率高于50%的位置判定为火焰形态的位置，将火焰最远位置和火源中心点连线与水平线之间夹角作为判断火焰偏移角度依据。无纵向风时火焰受浮升力垂直向顶棚蔓延，油盘火焰加热上方空气，热空气向上运动时卷吸四周的冷空气进行补充，形成烟羽流[12]。当风速为0.6 m/s 和0.8 m/s 时，火焰形态受纵向风影响，火焰向下风向分别大约偏移30°和45°；当风速为1.0 m/s时，火焰偏移角大于60°。纵向风速从0 m/s开始增加，火焰垂直向顶棚蔓延过程受到纵向风干扰，使得火焰竖直方向受到改变。风速增大后，火焰蔓延方向与风流方向之间夹角逐渐缩小，火焰形态出现紊乱[13]。因此，着火列车在隧道中逐渐加速运行的过程中，其火焰会向下风向偏移和蔓延，并且偏移角度和蔓延距离与运行速度成正比。

表2 实验参数设置Table2 Experimental parameter settings

图3 4种风速下火焰形态Fig.3 Flame patterns at four wind speeds

3.1 顶棚最高温度及温度衰减区域分析

实验测得各火焰功率下不同风速的温度变化如图4所示。当风速≤0.8 m/s 时，各火源功率的顶棚最高温度均出现在火源点上方；当风速为1.0 m/s时，最高温位置向下风向偏移0.3～0.5 m，并且在同一火源功率下，顶棚最高温度与风速成反比。朱伟等[14]对顶棚最高温度及位置的研究结果基本一致，其不同之处在于最高温位置向下风向偏移的风速不同，这取决于实验环境及所采用的实验火源。从图4可知：12.34 kW 和15.60 kW 的火源功率在无风速和其他风速时的最高温度差值较为接近，并且两者差值均在140 ℃以上，其余3种火源功率的该温度差值均在90 ℃左右。从火源功率和该温度差值的整体变化来看，随着火源功率的增加，该温度差值呈一定的减小趋势，并且各火源功率在0.6，0.8和1.0 m/s这3种风速下的最高温度之差随火源功率的增加逐渐缩小，最高温度逐渐接近。产生此现象的原因是当火源功率较小时，燃烧功率低，产热量少、火焰温度低，火焰加热上方空气向顶棚蔓延过程中产生的浮升力相对较小[15]。火源功率增大后燃烧产生的浮升力增加，火焰向上蔓延的动能变大，抵抗纵向风干扰的能力提升，风速对火焰的影响减弱，所以，大火源功率在各风速下的最高温度相近[16]。

火源燃烧产生的热烟气温度沿纵向衰减，这是因为在沿隧道顶棚蔓延过程中热烟气与下部冷空气进行热交换，从而降低了温度[17]。根据图4中温度变化曲线可知：各火源温度骤降区域为距离火源0.3～0.7 m，在距离火源0.3 m范围内和距离火源0.7 m 外温度也出现下降，但下降趋势不明显。这是因为，在距离火源0.3 m范围内大量冷空气被火焰卷吸加热后沿顶棚蔓延，在该段内与上部烟气进行热交换的空气量较少，温度下降缓慢。而在0.3～0.7 m 区域内下部冷空气受火源的卷吸作用减弱，有足够的冷空气与上层热烟气进行热交换，从而使温度急剧下降，并且造成大量烟气聚集。距离火源较远处热烟气量减少，与下部冷空气的热交换减弱，温度下降速度减缓并逐渐趋于稳定，烟气层厚度也相应降低。这表明当列车起火后火源点附近新鲜空气含量较少，并且在距离火源0.3～0.7 m 范围内烟气浓度较大，在此范围内危险性更高。

根据各火源功率在风速为0 m/s 时和其他3 种纵向风速下的顶棚最高温度，得到火源功率的变化和风速改变对最高温度的影响趋势如图5所示。从图5可知：在同等的火源功率增幅区间内，火源功率越大温度增值越大。这是因为火源功率增大以后热释放速率增加，火源燃烧产生的热量增多，所以，温度增值更大[18]。风速与温度变化成反比，因为纵向风速加强了热烟气与冷空气的对流换热，并且风速越大对流换热越剧烈，温度下降越快。同样地，在列车运行过程中，列车运行速度越快，最高温度越小。

图4 不同火源功率各风速下温度分布Fig.4 Temperature distributions at different fire source powers and wind speeds

图5 火源功率和风速对温度的影响Fig.5 Effect of fire source power and wind speed on temperature

3.2 温度衰减速率分析

当风速为0 m/s时，5种火源温度变化如图6(a)所示。根据温度骤降区域的分析结果可知：在0.3～0.7 m 区域温度下降最快，随后趋于平缓。在该区域内各火源功率温度降值如表3所示。从表3可以看出温度降低幅度随着火源功率的增加而增加。在无风速时，火源功率增大后燃烧反应加剧，火焰升温对空气的加热面积增大，对周围冷空气的卷吸速度加快，使得火焰周围压力降低。隧道内其余部位的冷空气加速对流，火焰到达顶部形成顶棚射流后有大量冷空气能与其进行热交换。因此，烟气层温度迅速降低，火源功率越大，在相同区域内温度降值越大[19]。

表3 原点到0.7 m位置温度降值Table3 Temperature drop from the origin to 0.7 m

图6 同一风速不同火源功率温度变化Fig.6 Different wind source power temperature changes at the same wind speed

当风速从0.6 m/s 增加至0.8 m/s 时，各火源功率的温度变化分别如图6(b)和6(c)所示，主要的降温区域仍为距离火源0.7 m的范围。在温度下降阶段，对应风速下不同火源功率在距离火源0.3 m范围内温度下降速率小于距离火源0.3～0.7 m范围内温度下降速率。在距离火源0.3～0.7 m范围内温度下降速率与风速成正比，并且从图6(b)和6(c)可以看出，在该范围内0.6 m/s 风速时温度变化曲线斜率小于0.8 m/s 风速时的斜率，表明风速越大温度下降越快。这是因为在相同火源功率下，随着风速增大，顶棚射流向风流方向蔓延长度增加，速度加快，烟气层与空气对流换热速度增加，烟气层温度下降加快[20]。

当风速为1.0 m/s 时，各火源功率呈现的温度变化如图6(d)所示。5 种火源功率的温度变化均为从火源点位置沿纵向风方向温度逐渐上升到最大值后开始降低，并且此风速时的温度下降速率相比其他风速时下降速度更快。从4 种风速中21.47 kW 和25.10 kW 火源功率的温度变化可知：随着风速的增加，这2种火源功率在同一测点的温度差值逐渐缩小，并且在风速为1.0 m/s 时两者的温度变化曲线基本重合。这是因为当火源功率增大到一定值时，即使再增加火源功率，产生的温度变化也不会太大。无论在何种风速情况下温度衰减速率都与火源功率变化成正比，但火源功率增大到一定值后其温度下降速率的变化减缓，基本属于稳定值[21]。

3.3 运行列车火灾温度危险区域分析

在地铁火灾中威胁乘客安全的2类危险为火灾产生的烟气温度和烟气中的有毒有害物质[22]。本文以火灾烟气温度作为划分危险区域的主要依据。根据实验数据分析所得到的温度分布，将距离火源一定范围内对人员造成伤害的区域划分为严重危险级、高危险级、中危险级、轻危险级和安全5个危险等级，将其分别用红、橙、黄、蓝和绿5种颜色代表。人在环境温度为120 ℃的环境中可以忍受15 min，在175 ℃的环境中能够忍受的时间不足1 min[23]。因此，根据不同实验条件下温度变化，以同一位置在不同实验条件下出现的最低温度作为划分危险区域及危险等级的主要判据，从火源点位置沿纵向方向开始进行危险等级划分，结果如表4所示。

根据Froude准则实验采用0，0.6，0.8 和1.0 m/s 不同风速所对应的列车实际运行速度为0，40，60 和80 km/h。当风速为0 m/s 时，即列车停在隧道中，根据设置的5 种火源功率在该风速下，25.10 kW 火源功率的最高温度最大。因此，以该火源功率所测得温度分布进行危险等级划分，根据各危险等级特征温度所在位置划分出相应的危险区域范围。其他4 种风速下同样采用25.10 kW火源功率时的纵向温度作为危险区域判定的标准，4 种列车运行速度下的危险区域划分如表5所示，其中危险区域范围的均采用以火源点为中心，向左右分别延伸的距离区间表示。

危险区域进行判定时，存在各风速的实验中最远位置处热电偶测得的温度大于危险等级的判定温度，导致无法用实验测得温度对危险区域进行判定。但从对温度下降区域和温度衰减速率分析可知：距离火源点0.9 m范围内是温度骤降的区域，火源点0.9 m 位置之外温度变化基本趋于平缓。所以，可以根据从距离火源0.9 m热电偶位置到最远处距离火源4.1 m处热电偶位置之间的温度变化来预测更远处并没有热电偶监测的温度变化。因此，可以采用下式计算出危险区域边界位置：

表4 危险等级划分Table4 Classification of hazard levels

表5 0 m/s风速下危险区域划分Table5 Classification of hazardous areas at 0 m/s wind speed

其中：xa为危险区域边界位置(距离火源点的距离)；T1和T2分别为距离火源点0.9 m处和4.1 m处温度；Ta为危险区域判定温度。

地铁列车的编组一般为6节车厢，单节车厢长度为25 m 左右，对运行列车车厢危险区域划分示意图如图7所示。

由图7可知：列车运行速度越大，温度危险区域的范围向火源点中心集中。当列车以40 km/h和60 km/h 运行时，严重危险和高危险区域长度比静止列车的长度短，但其中危险和轻危险长度显著加长。这表明当列车在隧道中运行产生的风流扰动会对火源的燃烧造成影响，并使火焰向下风侧偏移，造成烟气向下风向蔓延长度增加[24]。因此，在火源下风向的隧道中烟气量大，导致下风向隧道中环境温度升高，中危险和轻危险区域范围增加。当列车以80 km/h的速度运行时，温度较高的区域范围向中心缩小，而温度区间为60～120 ℃的危险区域范围相比其余运行速度下的该区域范围增大。这是因为当列车以80 km/h 的速度运行时，在隧道中产生了较强的纵向风，纵向风加速隧道内风流流动，风流流速增加导致火焰传播速度加快，向下风向偏移剧烈。此外，空气流速加快会携带走燃烧产生的大量热量，同时也增强了热烟气和冷空气的对流换热，普遍降低纵向温度，温度高于170 ℃的危险区域范围缩小。

图7 温度危险区域划分Fig.7 Division of temperature danger area

根据不同风速条件下，运行列车温度危险区域划分可知：在列车由静止到加速过程中，温度高于170 ℃的危险区域范围向火源位置缩减，而温度在60～120 ℃区间的高温区域范围随着运行速度的增加该区域范围相应变大，造成整车的危险性增加。

4 结论

1)根据不同运行速度下纵行温度分布，地铁列车在运行中发生火灾后同一火源功率温度变化受到纵向风速的影响，当车速≤60 km/h 时最高温位置均出现在火源点上方，火焰形态受风速的影响并不大；当车速≥80 km/h 高温点位置出现向下风向方向偏移趋势，偏移长度为0.3～0.5 m，火焰形态出现较大程度倾斜。

2)在相同风速下不同火源功率在同一位置区域内温度降低值不同。当风速较小时(风速≤0.8 m/s)，从火源点位置到距离火源点0.7 m范围为温度骤降区域，同一火源功率随着风速增加在该段区域内温度下降速率增大。当风速较大时(1.0 m/s)，从最高温度点到距离火源0.9 m 范围为温度骤降区域，风速越大，温度降低速率越大。

3)由温度分布划出4种运行速度列车的危险区域，得到列车从静止到逐渐加速过程中温度高于170 ℃的区域逐渐向火源点缩小，而温度为60～120 ℃区间的危险区域逐渐增大。