关于地铁隧道排烟临界风速的探讨

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1、 关 于 地 铁 隧 道 排 烟 临 界 风 速 的 探 讨关 于 地 铁 隧 道 排 烟 临 界 风 速 的 探 讨 李 科李 科 2012 年年 4 月月 7 日日 -II-摘摘 要要 临界风速的计算在地铁区间隧道防排烟设计中至关重要。现行地铁设计规范GB50157-2003 对区间火灾时防排烟风速只规定了 211m/s 的取值范围，并且区间消防验收时所进行的防排烟风速检测，只要区间风速大于 2m/s 即判断合格，这容易误导设计人员认为满足设计规范下限的防排烟设计就是安全的。近几年国内针对区间火灾防排烟风速的研究， 得出的临界风速大于规范规定的最小风速。因临界风速数值受到通风排烟模式、火源

2、强度、区间物理条件等因素影响，在工程消防验收时， 势必会带来如何评估不同区间隧道火灾排烟风速的合理数值的问题。 本文以北京首次采用 8A 列车编组的某地铁区间段为研究对象， 采用 CFD数值模拟方法，通过数学模型和物理模型的建立，就不同火源强度和所采用的区间断面进行具体的数值模拟分析，得出不同条件下的临界风速，汇总分析后，得出 8A 编组列车在区间隧道火灾时纵向防排烟速度，为今后类似项目的区间防排烟设计提供初步参考数据。 关键词： 地铁火灾，临界风速，区间隧道，计算流体力学（CFD） -III-目目 录录 摘 要 . 绪 论 .1 一、临界风速影响因素 .3 二、 临界风速数值模拟分析的模型建

3、立 .4 1、数学模型 . .4 2、物理模型 .5 3、边界条件.5 三、模拟结果及分析 .6 1、不同断面形式、不同排烟风速时烟气分布情况 6 2、 不同隧道断面的模拟结果分析 7 3、 计算汇总 8 结 论.9 参考文献.10 -1-绪绪 论论 近几年，我国各大城市相继进入地铁建设的高峰期。地铁作为大客流、方便快捷的运输载体为城市交通做出重大贡献。地铁属于人员密集场所，尤其在地下区间运行的列车内，人员更加密集、空间更为封闭，一旦发生火灾事故，如果不能及时控制、迅速排出烟气，必然会对乘客的安全疏散构成严重威胁，消防人员无法迅速进行火灾扑救，极易造成重大的人员伤亡和财产损失。 2003 年

4、2 月 18 日上午发生在韩国大邱市的地铁一号线的故意纵火案，造成人员重大伤亡，震惊世界。经过事故调查，造成如此大伤亡的主要原因之一是地下根本没有设置发生火灾时强行抽出烟气的排烟设施，以致事故发生三、四个小时后，救援人员束手无策，现场弥漫大量烟雾和有毒气体，导致最初的救援行动严重受阻。 由此可见区间内的通风及防排烟控制是区间消防安全需要考虑的一个重要因素。 我国现行地铁设计规范GB50157-2003 中要求“地下车站及区间隧道内必须设置防烟、排烟与事故通风系统”，同时要求“区间隧道火灾的排烟量，按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于 2m/s 计算，但排烟流速不得大于 11m/s”。同时在地铁工

5、程的消防验收工作中， 重要一项检测工作就是实测当列车停在区间隧道时的区间排烟风速，一般实测结果大于 2m/s 即认为满足规范要求。但区间隧道火灾初期最重要的防治手段是，以排烟风机产生大于“临界风速”的强制通风气流使浓烟层可完全向设定的方向流动，从而使反方向成为安全的无烟区，利于人员疏散及消防救援。 由此可见现行规范的要求很容易让设计人员不加判别的就认为 2m/s 即为防排烟设计的最小风速，其实不然。 在 2011 年底开始编制的城市轨道交通工程设计规范（北京地标）讨论稿防排烟章节中提到“区间隧道火灾的机械排烟量，应按单洞区间隧道断面的排烟流速高于计算的临界风速确定，但最低不应小于 2m/s 计

6、算，排烟流速不得大于 11 m/s”的要求，较现行地铁规范要求更加严谨。但是，临界风速数值受通-2-风排烟模式、火源强度、区间物理条件等因素影响而不同，这势必会带来在工程消防验收时，如何评估区间隧道火灾排烟风速的合理数值的问题。 笔者结合近期北京首次采用 8A 列车编组的某条地铁区间段为研究对象，采用 CFD 数值模拟方法，通过数学模型和物理模型的建立，就不同火源强度和所采用的区间断面进行具体的数值模拟计算，得出不同条件下的临界风速，汇总分析后，得出 8A 编组列车在区间隧道火灾时纵向防排烟速度，为今后类似项目的区间防排烟设计提供初步参考数据。 -3-一、临界风速影响因素一、临界风速影响因素

7、完全阻止控制区域内浓烟回流的最小纵向通风风速称为临界风速， 国内外已有很多学者以理论、实验或模拟进行探讨。Danzier、Kennedy 和 Heselden 提出临界风速根据 Froude 数和实验数据推导的半经验公式计算得出， 见公式 （1-1） 、（1-2），其中 Frc通过模型试验得知为 4.51： 13()c Cg cpfgHEVKFrC AT（1-1） c f pcETTC AV （1-2） 式中： Vc: 临界风速（m/s）； : 环境空气密度（kg/m3）； H: 隧道高度（m）； EC: 热释放速率（kJ/s）； g: 重力加速度（m/s2）； A: 隧道断面净面积（m2）；

8、 Frc: 弗劳德数（无量纲数）； Kg: 隧道坡度（无量纲数）； T: 环境温度（K）； Cp: 空气定压比热（kJ/（kgK）； Tf: 热空气温度（K） 由式可见，影响临界风速的因素较多，如热释放速率、断面形状及面积、隧道坡度等。 随着北京地铁线路不断增多，B 型车、A 型车、直线电机等车型在地铁中相继应用，车体尺寸也不尽相同，同时国内外对列车在区间隧道火灾时的火源强度取值也不尽相同。一条地铁线路长度动辄几十公里，根据地质条件不同，区间采用多种工法施工， 如盾构法、 矿山法等。 工法不同， 隧道断面形式和面积也不同，这对区间隧道临界风速影响也较大， 这也将导致一条地铁线路在不同的区间段存

9、在不同的临界风速数值。 下面笔者将通过 CFD 模拟计算软件对不同火源强度和区间断面进行具体研究分析。 -4-二、临界风速数值模拟分析的模型建立二、临界风速数值模拟分析的模型建立 1、数学模型 1、数学模型 考虑到地铁隧道内空气运动是一种非常复杂的非定常、不等熵湍流运动2。建立地铁系统内空气流动控制方程， 即连续性方程、 能量方程、 动量方程分别为： 0)(vdivt（2-1） T pSgradTcdivvTdivtT)()()(（2-2） Sgraddivvdivt)()()(（2-3） 式中：为密度；t 为时间；v 为速度矢量；T 为空气温度；为导热系数； cp为定压比热； 为速度变量，代

10、表三个坐标方向上的分速度； 为动力粘度；ST、S为广义源项。 考虑到地铁隧道内空气流动的速度较小，为亚音速流动，其马赫数 M1，而且当气流速度小于 68m/s，其密度变化为 1%时，密度的变化很小3，因此可将地铁系统内空气流动视为不可压缩流动。 考虑地铁系统内空气流动状态为不可压缩非稳态湍流， 可采用湍流输送模型中的 k-二方程模式对区间隧道的空气流动状态进行三维湍流模拟4。 湍流粘性系数t的方程、湍流动能耗散率的控制方程、湍流动能的控制方程分别为： /2kCt（2-4） kcxuxu xu kc xxxutijjiji t ktkkk221)( （2-5） ijjiji i jktjjjxu

11、xu xu xk xxkutk（2-6） 式中：c1、c2 、c均为经验系数；k 为湍流动能；为湍流动能耗散率；k、为常数。 -5-2、物理模型 2、物理模型 本文以北京某地铁线路的区间段为研究对象，该区间段长度为 1350m，采用盾构法施工，为进行比较，模拟计算时增加矩形断面研究。一辆 186m 长的 8A 编组列车在区间内发生火灾，火源位于车头（如图 2-1 所示），此时列车右侧车站排烟，左侧车站往火灾点送风。矩形断面和圆形盾构断面尺寸详见图 2-2 和图2-3 所示。 图21 列车在某区间段发生火灾的防排烟模拟物理模型 图22 矩形隧道断面 图23 5.4m圆形盾构隧道断面 3、边界条件

12、 3、边界条件 火源强度：7.5MW、10MW、15MW、20MW。 -6-排烟风速：2.0m/s 到 3.0m/s，以 0.1m/s 速度递加。 压力：地铁区间隧道两端的气流出口取压力出口边界条件，定义出口相对于大气压力为 0Pa，即没有附加的压力作用。 壁面：区间隧道壁面为壁面无滑移边界条件。 三、模拟结果及分析三、模拟结果及分析 1、不同断面形式不同排烟风速时烟气分布情况： 1、不同断面形式不同排烟风速时烟气分布情况： 图31 低于临界风速时烟气分布状况（矩形隧道） 图32 临界风速时烟气分布状况（矩形隧道） 图33 低于临界风速时烟气分布状况（盾构隧道） 图34 临界风速时烟气分布状况

13、（盾构隧道） 当纵向通风速度大于临界风速时， 隧道内的烟气由原来的双向扩散变为单向扩散，从而可以为人员疏散和消防救援提供一条无烟通道。 从图 3-1 和图 3-3 可以看出，纵向风速低于一定数值时，着火区间隧道内的烟气均有比较长的回流距离，这对人员疏散和消防救援是极为不利的。图 3-2 和图 3-4 可以看出当纵向风速大于一定数值时，烟气的回流现象完全得到了控制，烟气仅沿纵向通风气流向着火区下游扩散，从而使着火区上游成为安全的无烟区。 通过图 3-2 和图 3-4 对比可以发现，当纵向送风时，烟气在矩形隧道上部聚集效果较好，盾构隧道由于断面为圆形，烟气沿隧道圆顶向下蔓延，因此，当列车中部火灾时

14、，排烟侧人员疏散问题需要另题研究。 -7-2、不同隧道断面的模拟结果分析 2、不同隧道断面的模拟结果分析 -25-20-15-10-505101522.22.42.62.83排烟风速（m/s）回流距离(m)7.5MW 10MW 15MW 20图35 火源强度、排烟风速与烟气回流距离模拟结果（矩形隧道） -30-25-20-15-10-505101522.22.42.62.83排烟风速（m/s）回流距离（m）7.5 10 15 20图36 火源强度、排烟风速与烟气回流距离模拟结果（盾构隧道） 图3-5和图3-6所示在区间隧道断面分别为矩形隧道断面和盾构隧道断面情况下，火源强度分别为 7.5MW、10MW、15MW、20MW 时，不同排烟风速导致的烟气回流距离的变化情况，据此得出回流距离接近为零时的临界风速。 从图 3-5 可以看出，列车在矩形隧道发生火灾时，随火源强度变大，临界风速也随之加大。当排烟风速在 2m/s 时，着火区间隧道内的烟气均有比较长的回流距离,这对人员疏散和消防救援是极为不利的。按北京地铁 B 型车一般采用的7.5MW 火源强度，其临界风速需