最新 地铁区间隧道火灾通风模式的数值分析-精品

作者：周孝清 赵相相 丁云;

摘要 介绍了地铁区间隧道火灾常见的几种通风排烟模式,对其中一种最复杂的模式进行了数值。模拟分析得出,对于地铁实际工程中的单线盾构圆形隧道,在10MW火灾强度下,着火区间隧道内2.6~2.9m/s左右的纵向风速可以有效阻止烟气发生逆流;在着火区间隧道2.9m/s的纵向风速下,未着火区间隧道两端对送送风速度为1~1.5m/s时,联络通道内有风速为6m/s左右的气流流向着火区间隧道,可有效抑制烟气通过联络通道向未着火区间隧道蔓延,保证人员的安全疏散。 关键词 地铁区间隧道火灾 通风排烟模式 临界风速 联络通道 ;

0 引言

; 地铁属于人员密集场所,一旦发生火灾,后果将不堪设想。针对地铁区间隧道火灾,规范要求司机应尽最大可能将列车驶出隧道进入前方站台后进行人员疏散,倘若列车无法驶入前方站台而被迫停靠在漆黑的隧道中,应启动地铁区间隧道通风排烟系统进行排烟,在这种情况下,确定合理的通风模式至关重要。地铁区间隧道的火灾通风排烟模式是非常复杂的,它与列车的停靠位置、人员的疏散方向、火灾发生位置以及区间隧道是否设置联络通道等因素有关。

; 目前,国内外已有很多人对地铁隧道火灾烟气的流动与控制作了大量的。P.J.Woodburn等人把地铁火灾烟气的数值模拟值与实验值进行了对比,用来验证数值模拟的灵敏度和准确性,研究表明,除纵向通风速度对烟气回流扩散范围具有决定性外,火源的热释放速率以及湍流模型的选择对烟气回流扩散范围影响也较大[1]。S.Kuma等人对隧道火灾进行了三维数值模拟,并分别研究了辐射、热传导和壁面粗糙度等因素对火灾烟气的影响[2]。卢平等人对纵向通风水平隧道火灾烟气的流动特性进行了模拟与分析[3]。郑晋丽研究了隧道火灾中几种常用的数值模拟,提出了火灾发生后应采取的有效烟气控制措施[4]。然而迄今,针对地铁区间隧道火灾通风排烟模式进行深入研究的不是很多。

; 本文通过分析研究,提出了地铁隧道火灾中几种复杂的通风排烟模式,选取了其中一种最复杂的模式,利用CFD方法进行了具体的数值模拟分析,得出了该模式下的最佳烟控送风速度。

1 地铁区间隧道火灾的通风排烟模式

; 《地铁设计规范》(GB50157—2003)规定,当地铁区间隧道长度超过500m时,在区间隧道中部应设置与另一条地铁区间隧道相通的联络通道。考虑到目前地铁区间隧道长度一般都会超过500m,因此本文研究区间隧道中部设有一个联络通道的情形。根据火灾发生位置和列车停靠位置的不同,分析发现该区间隧道的通风排烟模式主要有四种[5],如图1所示。

; 图1a,1b为火灾发生在列车端部的情形,此时的送风方向应本着与大多数人员的逃生方向相反的原则来确定,若联络通道处于上风侧(图1a),则不需要考虑联络通道内的风向;若联络通道处于下风侧(图1b),为防止烟气向另一条区间隧道扩散,则应该通过联络通道向着火隧道加压送风。图1c,1d为火灾发生在列车中部的情形,此时应根据列车的停靠位置来判断送风方向。当列车停靠在靠近车站

位置时(图1c),考虑到利用车站排烟更为有利,因此采用向车站方向送风的通风方式,此时联络通道处于上风侧,不需要考虑烟气的扩散;当列车停靠在靠近中间联络通道时(图1d),为保证更多的人逃生,则应该采用向联络通道方向送风的通风方式,此时联络通道处于火灾下风侧,应保证联络通道内具有指向着火区间隧道的送风,从而可以保证人员通过联络通道逃生。通过对以上四种模式的分析,可以看出图1d对应的火灾通风模式为最不利模式。下面将对该种通风模式进行数值模拟分析,从而得出该模式下的临界风速以及保证联络通道内无烟的未着火区间隧道两端的最佳送风速度。 2 数值模拟分析

2.1 物理模型和边界条件

; 本文模拟的地铁隧道为单线盾构圆形隧道断面,断面直径5.5m,物理模型如图2所示。为研究方便,本文选取中部联络通道前后共100m长的区间隧道作为研究对象,模拟时假设火灾发生在距离联络通道20m处。

; 地铁隧道围护结构壁面采用无滑移边界条件,考虑到隧道轴向导热与径向导热相比可忽略不计,因此隧道围护结构的导热按径向导热处理,并假定围护结构外壁面温度与地面下深层土壤温度相同,取20℃。隧道内气流通过对流换热和热辐射与隧道壁进行热量交换,近壁第一个节点的湍流黏度和换热系数等采用壁面函数法处理,辐射换热模型采用PHOENICS自带的IMMERSOL模型。隧道入口给出速度和温度边界条件,入口送风温度为环境空气温度20℃,出口给出压力边界条件。

2.2 火源设置

; 关于地铁火灾强度的设置,地铁工程技术人员保守估计最大值为2MW;而英美等国一般采用5~50MW,且重点研究10MW情况下的火灾实验。因此,本文研究的火灾强度设为10MW。火灾的发烟量采用对应于10MW火灾强度下的发烟量27kg/s[6],火源大小设置为2m×2m×1m(长×宽×高)。 2.3 数值方法

; 模拟采用PHOENICS软件。湍流模型选用带浮升力修正的K-ε两方程模型,动量方程采用交错网格方法进行离散,其余方程的离散采用有限容积法,网格划分个数为200(L)×50(W)×20(H),差分格式选用混合格式,求解方法为SIMPLE算法,计算终止时间为火灾发生后600s,时间步长为1s,迭代收敛判据为10-3。边界条件的处理采用将其处理为各相应变量的源项的方法[7],计算网格采用正交的结构化网格。