地铁列车运行速度对客室内火灾烟气扩散的影响*

毛 军 王少华 郗艳红 胡嘉伟 王 丹

(1.北京交通大学土木建筑与工程学院，100044，北京；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，100082，北京；3.北京市地铁运营有限公司，100044，北京∥第一作者，教授)

地铁地下空间相对封闭，一旦发生火灾，人员疏散困难，极易造成人员伤亡[1-2]。为此，国内外对地铁发生火灾后的烟气扩散、人员疏散和应急救援问题进行了诸多研究[3-6]。其中，地铁隧道中的列车火灾及其应急救援是一类较为复杂的情况，相关研究十分有限。文献[7]提出了隧道运动火源的计算方法，建立了火灾热释放速率与列车运行速度的关系模型；文献[8]使用STAR-CD软件对列车顶部着火的火灾烟气特性进行了数值模拟计算，分析了列车运行速度与烟气流动特征、温度分布特性的关系。但上述研究均假定车体着火，未考虑客室内部着火的情况，而客室着火会直接危及乘客的生命安全。因此，针对火灾发生在客室内部、列车继续运动的场景，分析不同车速对列车内部火灾烟气扩散的影响，揭示其规律十分必要。

1 地铁隧道模型与车辆模型

以北京地铁B型车在某区间隧道内运动的情形为例建立计算模型，如图1所示。

图1 地铁隧道和车辆的截面图

地铁隧道的长度为1 200 m，内部净空高度为5.2 m，圆弧直径为6 m，底面宽度为4.2 m。车辆的外形尺寸为19 m(长)×2.8 m(宽)×3.5 m(高)。客室顶部安装有通风排烟装置，可将其排风口简化为如图2面积相等的集中式排风口。客室内部净空高度为2.1 m，烟气在车顶下方的净空间内流动。假定长方体火源位于客室中部，其长、宽、高分别为2.5 m、1.4 m、0.4 m，火源底面距离地板0.2 m。客室顶部有2个尺寸为1 m×1 m的方形排风口，风口距离车辆两端的距离分别为4 m；在客室侧面布设4个尺寸为0.5 m×0.5 m的进风口，进风口到两端的距离均为1 m。列车的加、减速度分别为0.83 m/s2和1.00 m/s2。

图2 简化地铁车辆客室模型三维视图

2 数值模拟条件

2.1 基本边界条件

按非定常流动考虑，在初始时刻，隧道内各处的空气压力均为一个大气压，空气流动速度均为0，环境温度为17 ℃。相对大气压为0。地铁隧道的进口为速度入口边界，出口为压力出口边界。地铁隧道壁面均为无滑移壁面。

2.2 网格划分

考虑到计算速度和计算结果精度的要求，采用结构化网格。车辆客室和火源附近区域的网格尺寸分别为0.3 m和0.2 m。客室内部的网格划分如图3所示。

图3 地铁车辆客室内部的网格划分

2.3 客室内运动火源设置

假定乘客行李着火，火源采用体积热源模型，即假定为一个热源和一个质量源。假定火源热释放速率按时间平方关系增长，并在列车运行到地铁隧道中部时达到最大，其值为2 MW[10]。质量源主要是产生CO和CO2的混合气体，前者的比例为5%，后者为95%[11]。

模拟中的列车运行由UDF(用户定义函数)控制。列车经历加速、匀速以及减速三个阶段，到达隧道出口时停止运行。列车动模型计算流程图如图4所示。

图4 列车动模型计算流程图

2.4 计算工况设置

为了分析列车运行速度和通风条件对客室内部火灾烟气扩散过程的影响，设定若干工况进行模拟计算，参见表1。

表1 计算工况设置

3 计算结果分析

3.1 客室内外温度及烟气的时变规律

列车在隧道内运行时，客室内部的烟气扩散过程随时间发生变化。图5为工况3下不同燃烧时间t隧道纵向中心截面的温度和烟气浓度分布情况。

图5 工况3下不同燃烧时间隧道纵向中心截面的温度和CO质量分数分布

由图5可知，随着时间的增加，客室内的温度不断升上，烟气在客室内逐步扩散，高温区域从客室中部不断向客室两端扩展，且浓度也越来越高。同时，客室内的烟气因受到惯性作用，会产生与列车运动方向相反的相对运动。因此，客室内的高温、高浓度区域向客室后部明显偏移，客室后半部分的温度和烟气浓度均明显高于客室的前半部分。t=40 s时，客室内的最高温度约为100 ℃；t=60 s时，客室内的最高温度达到296 ℃；而CO质量分数分别达到2.87%和4.74%。

为了进一步分析客室内烟气的温度和浓度的变化规律，考虑人员视线高度[7-8]，在客室内高1.7 m的水平面以及过客室中心的纵向截面上设置32个数据采集点，以获取不同位置温度和烟气浓度的分布情况，结果如图6所示。

由图6 a)可知，随着燃烧时间的增加，火源四周的升温区域越来越大，客室内部的温度也不断升高。t=40 s时，火源两侧的最高温度不超过50 ℃；而t=60 s时，大部分区域的温度已经超过175 ℃。客室内前半部分区域的温度并没有明显的增长，而客室后半部分区域内的温度随时间增加而明显增大。

由图6 b)可知，火源附近的烟气分布大致和温度相同。随着时间的增加，烟气的扩散范围不断增大，浓度逐步升高。t=40 s时，火源两侧的CO质量分数不超过0.5%；t=60 s时，客室内1.7 m高度位置处的CO质量分数超过3.5%。同时，客室内前半部分区域的CO质量分数并没有明显的增长，而客室内后半部分区域内CO质量分数随着时间的增加而增长。

需要指出的是，客室外的车体前方和后方区域的温度和烟气浓度分布有所不同。其原因是：列车在隧道中运行时的活塞风效应使列车与隧道之间的环形空间内产生从车头指向车尾的气流，并在车顶附近产生负压，从而使车内偏向尾部区域的烟气通过客室尾部的排风口流向隧道内，形成车内烟气向隧道内的扩散情形；而客室前方不存在烟气扩散情况。

3.2 列车运行速度对温度场和烟气浓度的影响

列车的运行速度对客室内的烟气温度分布和烟气流动都有较为明显的影响。图7为不同工况下，列车头部距离隧道出口500 m和100 m处时，客室内部温度和CO质量分数的分布情况。

图7 不同工况下列车距离隧道出口不同距离时客室内测点温度和烟气分布情况

由图7可知，随着列车运行速度的增加，客室内各点的温度和烟气浓度呈下降趋势。火源两侧纵向的温度和烟气浓度呈不对称分布，客室尾部区域的温度和烟气浓度总体上均远大于前部区域的。各点的温度和烟气浓度亦随列车运行速度的增加而降低。同时，随着列车至隧道出口的距离不断减小，列车活塞风效应逐步减弱，客室内前部区域(例如火源右侧6 m处之后)的烟气温度和烟气浓度有所回升。

事实上，可建立客室内温度与列车运行速度之间的定量关系。在客室内火源左侧即后部区域选取2个监测点，分析其温度随列车运行速度的变化情况，发现可用二次函数表示二者之间的关系。图8为二者的拟合曲线，拟合关系式为：

图8 测点温度随速度变化拟合曲线

T1=0.009 1v2-1.641 58v+340.170 49

(1)

T2=0.019 19v2-2.803 27v+349.346 3

(2)

式中：

T1,T2——分别为测点1和测点2处的温度；

v——列车运行速度。

由图8可见，当列车运行速度从30 km/h增加到70 km/h时，烟气温度随列车运行速度的增高而降低，且呈二次函数关系。出现上述变化趋势的主要原因是：客室顶部排风口的风速及排烟速率随时间的增加而增加。图9为列车运行速度为50 km/h时，排风风速及排烟速率随时间变化的过程。因此，列车运行速度越高，客室内同一位置截面以及相同位置测点的温度和烟气浓度就越低。主要原因是：其一，列车运行速度越高，车顶风口附近的风速就越大，单位时间内通过风口排出的烟气就越多；其二，尽管列车运行速度不同，但火源的热释放速率均在列车行至隧道中间位置时达到稳定，即此时在单位时间产生的热量和烟气质量是相同的。因此，列车运行速度越大，到达隧道同一位置截面的时间就越短，产生的热量和烟气质量就越少。

图9 列车运行速度为50 km/h时客室排风风速与排烟速率的时变规律

4 结论

1) 列车在地铁隧道中运行中客室内部发生火灾后，客室内的温度和烟气浓度均呈非均匀分布，后半部分区域的温度和烟气浓度总体上远大于前半部分区域的；客室外前方区域的温度和烟气浓度并没有明显的增长，而客室外后方区域内的则随着时间的增加而增长。

2) 列车活塞风效应对客室内烟气温度和烟气浓度有较大影响。随着列车至隧道出口距离的减少，活塞风效应的逐渐减弱使得客室内前部区域的烟气温度和烟气浓度有所回升。

3) 客室顶部自然通风口的风速以及烟气排出速率随列车运行速度的增大而增大，客室内各点的温度和烟气浓度随列车运行速度的增加呈二次曲线关系减小。

本文研究结果对客室内烟气监测传感器和报警装置的设置、车载排烟口的设计以及车内人员的疏散方向选择均具有一定的参考价值。