（环境科学专业论文）地铁火灾烟气数值模拟及通风控制.pdf

大连交通人学：1 ：学硕十学位论文 a b s t r a c t w h i l et h ed e v e l o p i n go ft h es o c i a le c o n o m y ，w i t ha d v a n t a g e so ff a s t ，c o m f o r t a b l e ， e n v i r o n m e n t a la n db i gp a s s e n g e rc a p a c i t ys u b w a yh a sa l r e a d yb e e nt h em e a nd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h et r a f f i c n o w 。i nd o m e s t i c , m o r et h a n3 0c i t i e sh a v ec a r r i e do u tt h e c o n s t r u c t i o no fr a i lt r a n s i t o b v i o u s l y ，s u b w a yc a nr e l i e v et h et r a f f i cc o n g e s t i o n ，b u to n c eo n f i r e ，t h ec o n s e q u e n c e sc o u l db ev e r ys e r i o u s i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r em a n yf i r ea c c i d e n t s h a p p e n e da th o m ea n da b r o a d ，w h i c hm a k ea l a r m st op e o p l e b u th o wp e o p l et ot a k er e f u g e w h e nt h et r a i ni so nf i r ea n dw h a ts c a l et h ef i r er e a c hw h i c hl e a d st ot h et r a i nc a nn o tg oo n r u n n i n ga r en o td e f i n e dd e f i n i t e l y f u r t h e r m o r e ，w h e nt h eb u r n i n gt r a i ns t o p p e di nt h et u n n e l a n dt o o ke v a c u a t i o n ，t h ev e n t i l a t i o nm e t h o d si n f l u e n c e dt h ed i s t r i b u t i o no fs m o k et e m p e r a t u r e a n dt o x i c i t y ，b u t ，s t i l ll a c kc o m p r e h e n s i v ev e n t i l a t i o ns t u d yo ns p e c i f i cf i r es c e n a r i o t h e r e f o r e s t u d ya n da n a l y s i so nt h ec r i t i c a lf i r es c a l eo ft h er u n n i n gt r a i na n dt h et u n n e l v e n t i l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o re m e r g e n c yr e s c u ea n dp e o p l ee v a c u a t i o n t h e r ea r et w os t u d ym e t h o d sa b o u tf i r e ，w h i c ha r ee x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n s c o m p a r a t i v e l y ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw i t ht h ea d v a n t a g e so fl e s s c o m s u p t i o n ， s h o r t p e r i o d a n d g o o d - r e p e t i t i v e n e s s ，h a v e b e e n a d o p t e d w i d e l y a st h e c o m p u t e r q u i c k - d e v e l o p i n g a so n eo ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d s ，c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) h a sa d v a n t a g e so nt h ef i r es m o k es i m u l a t i o n n o w ，t h e r ea r em a n ys o f t w a r e p a c k a g e sf o rc f d ，s u c ha s ：f l l j e n t ，p h o e n i c s ，s m a r t f i r e ，s t | a r - c d ，f d se t c a n d f l l u e n tc a nb eu s e dt oc o m p u t ef l u i df l o w i n g ，m a s sa n dh e a tt r a n s f e r ，c h e m i c a lr e a c t i o n s u c ha sc o m b u s t i o ne t c ，m o r e o v e r , i tc o u l ds e l f - a d a p tt ot h eg r i d ，s of l u e n ，ri sw i d e l yu s e d i nm a n yi n d u s t r i c a la r e a s s u b w a yf i r ei sa nu n s t e a d y ，t u r b u l e n tc o m b u s t i o np r o c e s s ，a n dt h es m o k ef l o wi sa l s oa t h r e e d i m e n s i o n ，u n s t e a d ya n dt u r b u l e n tp r o c e s s i nt h ep a p e r ，b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h e p r o b a b i l i t yo ft h es u b w a yf i r e a n dt h ec o m b u s t i b l em a t e r i a l si ns u b w a y ，e s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs m o k ea n dp h y s i c a lm o d e l so ft h et r a i n a n dt u n n e la c c o r d i n gt ot h em a t r ot r a i na n dt h es u b w a yt u n n e lb e t w e e nx i aw a f a n g n a nl o u o f1 吼l i n ei nt i a n j i nm e t r o ，t h e n ，t o o ks m o k en u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h et r a i ni n t e r i o rf i r e a n dt u n n e lf i r er e s p e c t i v e l yw i t hf l u e n ts o f t w a r e f i n a l l y t h r o u g ha n a l y z i n gt h es m o k e f l o w i n g ，t h ec r i t i c a lf i r es c a l eo ft h er u n n i n gt r a i ni sg o t ，w h i c hi s5 m w m e a n w h i l e ，a i m e d a t t h es i t u a t i o nt h a tc e n t r eb u r n e dt r a i ns t a i e di nt h em i d d l eo ft h et u n n e l ，a n a l y z i e dt h es m o k e t e m p e r a t u r e ，s p r e a d i n ga n dt o x i c i t yo nd i f f e r e n tv e n t i l a t i o nc o n d i t i o n si nd i f f e r e n tf i r es a c l e f u r t h e r m o r e ，a n “o p e n e d - p u t t i n go f fp r e s s u r e d v e n t i l a t i o nm e t h o di sf i r s t l yp u tf o r w a r d e di n t h i sp a p e r , w h i c hi st h a ta l lt h er o l l i n gd o o r sa r eo p e n ，a f t e rh a v i n gv e n t i l a t e da s6 0 m 3 sf o r 1 5 0 si nt h ea c c i d e n t a lt u n n e l ，i na d i a c e n tt u n n e lt o o kv e n t i l a t i o no f4 0 m 。s ，w h i c hi sp r o v e d t ob ef e a s i b l ef o rp e o p l es a f ee v a c u a t i o na n ds m o k eo r g a n i z i n gb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：f i r es m o k e ：t u r b u l e n tc o m b u s t i o n ：f l u e n t ；v e n t i l a t i o n ；e v a c u a t i o n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：起能 日期：川年6 月f 1 日 导师签名： 翻励 1 日期：加7 年月们日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：晋西机器工业集团有限责任公司 电话： 通讯地址：山西省太原市和平北路北巷5 号邮编：0 3 0 0 2 7 电子信箱： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 起寺欲 蝴：7 ) 引月j 日 绪论 绪论 研究背景及意义 随着社会的发展，轨道交通以其快速、大运量、污染小、效率高等特点逐渐成为城 市交通结构中不可缺少的组成部分。地铁作为城市轨道交通一主要方式，能够有效解决 城市交通矛盾，缓解交通压力。目前我国4 0 多座百万人口以上的城市中，已有3 0 多座 城市开展了城市轨道的建设或前期工作，到2 0 1 0 2 0 1 5 年，拟规划建设5 0 多条、长约 1 5 0 0 公里的地铁线路，总投资5 0 0 0 亿元。 北京、天津、上海、广州、深圳等城市均已建成地铁。我国第一条地铁诞生于北京， 于1 9 6 9 年1 0 月1 日建成通车。到2 0 0 8 年7 月，北京地铁运营里程已达到2 0 0 k m ，运 营线路达到8 条，已形成了地铁的网络效应。此外南京、重庆、武汉、大连、杭州、长 春、西安、成都、青岛、哈尔滨和苏州等1 0 多个城市正在进行地铁建设。大连地铁已 于近日开始打孔勘探，预计2 0 1 5 年能够投入运行。 天津地铁是中国建成的第二条地铁，始建于1 9 7 0 年，现新建的地铁全长2 6 1 8 8 k m ， 设2 2 座车站( 其中地下站1 3 座、地面站1 座、高架站8 座) 。除此之外，天津还计划 用3 0 年时间建设另外8 条地铁线路，规划地铁线全长2 3 4 7 k m 。 地铁交通在蓬勃发展的同时，其运营的安全更不容忽视。纵观地铁问世以来世界上 曾发生过的事故，多数是由火灾引起的灾难。近十年来，恐怖主义灾难和社会不满者的 纵火事故频繁，2 0 0 3 年2 月份韩国大邱地铁发生的纵火事故就充分启示了地铁安全的必 要性。 我国地铁自1 9 6 9 年相继投入运行以来，共发生火灾事故1 5 0 多起，其中重大火灾 事故3 起，特大火灾1 起l 。如：1 9 6 9 年1 1 月1 1 日北京地铁在试运行中因电气故障在 万寿路至五棵松区间引起特大火灾，两辆客车着火，造成2 0 0 余人中毒，6 人死亡，同 时引发多起路面交通事故，直接经济损失达1 0 0 多万元。1 9 9 9 年7 月2 0 日，广州地铁 1 号线因电气故障引发火灾，虽无人员伤亡，但是直接经济损失也达2 0 6 万元。2 0 0 2 年1 1 月2 2 日2 2 时3 0 分左右l 引，北京东直门地铁站内由东四十条开往东直门方向的地 铁列车一节车厢内突然发生火情，在工作人员及时疏导和扑救下，人员得到及时疏散。 我国的地铁火灾事故中绝大多数是因电气故障，如变电所、地铁车辆内的电气设备和线 路故障以及违章电焊和电气设备误操作等，使我国地铁行业遭受了巨大的经济损失。 地铁火灾多发点在列车，在火势不大的情况下，列车可以继续行驶至下一车站进行 人员疏散，但如果火势达到一定强度，列车不宜继续行驶，则须停留在区间隧道，组织 大连交通大学丁学硕十学位论文 人员疏散。而地铁隧道内火灾一旦得到充分发展而没有得到有效控制，同时人员没有及 时安全疏散的话，将会造成重大的人员伤亡，还可能破坏隧道结构，造成巨大的经济损 失。 地铁作为地下封闭空间，其火灾具有如下特点【3 】【4 】： ( 1 ) 地铁内发生火灾后，氧含量急剧下降。尤其是隧道火灾，其空间更加封闭，大量 的新鲜空气难以迅速补充，致使空气中的氧气含量急剧下降。 ( 2 ) 发烟量大。旧式地铁列车中的车座、顶棚及其他装饰材料大多是可燃性材料，地 下隧道发生火灾时，由于新鲜空气供给不足，产生不完全燃烧反应，导致c o 等有毒烟 气的大量产生。对于新式列车，虽然车厢内大量使用不燃或难燃材料制成，但难燃材料 燃烧会释放更多的有毒气体。 ( 3 ) 排烟排热差，高温有毒烟雾积聚，严重威胁人员生命。被岩石和土壤包裹的地下 隧道，排烟十分困难，发生火灾时，烟气聚集，易使温度骤升。 ( 4 ) 地铁发生火灾后可能造成供电中断，如发生在地铁隧道，因其空间狭小，使得其 火情探测、扑救和人员疏散更加困难。 ( 5 ) 地铁火灾，产生的大量烟气，逐渐弥漫，能见度逐渐下降，造成人员恐慌，影响 人员的及时疏散。 据统计，火灾事故中8 5 的伤亡是由烟气的毒性所致【5 1 ，所以研究地铁火灾烟气的 流动状态，探讨着火列车必须停车的火灾规模并系统分析不同通风方式对地铁隧道火灾 中烟气流动蔓延的影响，尤其是对烟气中有毒成分的分析及毒性评价，寻求最优的通风 排烟模式，对有效组织人员安全疏散，减少地铁火灾事故的人员伤亡具有重大意义。 国内外研究现状 试验研究 由于在地铁及隧道内进行火灾实验难度大，条件复杂而且费用高国内外进行的实验 主要是在废弃的矿井巷道或是在公路隧道内进行，取得的宝贵经验和数据对于地铁火灾 的深入研究具有重要价值。 ( 1 ) 国外研究 国外大量研究都是针对临界风速的影响因素及临界风速的计算进行的。 1 9 6 5 年，瑞士、英国、日本、奥地利、欧洲九国等先后进行了大规模的隧道实体尺 寸火灾试验【6 】，研究了不同的通风方式和火灾荷载下温度与火灾持续时间的关系。1 9 9 3 年，b e t t i s 7 】1 8 l 等人进行了全尺寸矿山隧道火灾试验，研究了热释放率与临界风速的关系。 1 9 9 6 年，美国在m e m o r i a l 【9 】隧道进行了全尺寸的火灾实验来研究临界风速，实验证明了 2 绪论 当火灾的热释放速率较大时，利用经验公式算出的临界风速要比真实的实验值高 5 1 5 。a t k i n s o n 和w u 1 0 j 在1 1 0 缩尺模型隧道内进行了坡度对烟气运动影响的实验， 提出了临界风速的坡度修正系数。w u 和b a k a r 1 1 】对5 种具有相同高度、不同宽度的隧 道断面进行了实验研究，并将实验结果与数值模拟结果进行了对比，提出了新的临界风 速的关系式，并将隧道断面的水利直径作为该关系式的特征尺寸，该式为以后地铁隧道 的防火纵向通风设计提供了重要的理论依据。 此外还有大量有关火灾烟气流动的研究：从2 0 世纪7 0 年代，德国，芬兰，英国， 法国，意大利，奥地利，瑞典和瑞士都做了大量的工作。o k a 和a t k i n s o n 1 2 】采用1 1 0 缩尺隧道模型中，用丙烷燃烧器作为火源研究水平隧道里的烟气运动状况。h i t o s h i k u r i o k a 和y a s u h io k a 1 3 】等分别在1 1 0 ，1 2 缩尺模型隧道和全尺寸隧道内进行火灾现场 实验，重点研究了矩形和马蹄形两种断面形状的隧道发生火灾时火源点附近的一些特 性。这些实验为紧急状态下的通风研究提供了具有很高参考价值的资料。 ( 2 ) 国内研究 由于火灾的实验研究需要耗费大量的人力物力，我国在隧道火灾方面进行的工作不 多，且主要以小尺寸的模型试验为主。对于地铁火灾实验研究集中在地铁站台。 国内“八五 期间，铁道部科学研究院西南分院、兰州交通大学、广州铁路局、长 沙铁道学院等单位对单线铁路隧道火灾进行了1 ：3 模型实验，论证了其消防方法【1 4 l 。 中南大学徐志胜1 1 5 j 等利用1 ：5 的旅客列车卧铺车厢在中国科技大学的火灾国家重点实 验室进行了风洞火灾实验，研究了不同情况下旅客列车火灾特性及火灾中烟气的蔓延规 律。北京工业大学田沛哲等人1 1 6 j 对二郎山公路隧道采用半横向通风进行了火灾控制的实 验台实验，得出了不同隧道火灾发生位置下的通风控制模式。西南交通大学的付修华等 人i l7 j 对长大双洞公路隧道的火灾进行实验，研究了火灾时隧道内的温度、压力、速度和 浓度等参数的分布。辽宁工程技术大学的夏研春等人【1 8 l 对矿井巷道火灾的风流温度、有 毒气体的浓度进行了实验研究，得出了矿井内风流温度、有害物浓度随时间的变化规律， 研究了巷道坡度变化对火灾烟气流动的影响。广州大学赵相相【1 9 】结合广州地铁总公司所 做的消防验收实验，以现场摄像和照片作为研究手段对地铁隧道内的烟气的分布扩散和 运动形态。浙江大学吴珂1 2 0 j 以浙江台缙高速公路西段的苍岭隧道为模型原型，制作1 1 0 物理几何模型进行实验来研究长隧道火灾的湍流燃烧，又从隧道沥青路面的火灾特征等 方面进行隧道结构防火安全研究。 大连交通人学一i ：学硕十学位论文 模拟研究 实体隧道火灾实验费用高，难度大，周期长，相比之下计算机模拟研究具有投资少、 周期短和可重复性好的特点，现在越来越受到人们的青睐。火灾烟气流动的计算机模拟 方法有网络模拟、区域模拟和场模拟。 其中网络模拟【2 1 1 是把一个受限空间作为一个控制体，假设每个单元体内的状态参数 是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个模拟空间的各单元内部参数的变化。它适用 于远离火场且混合已基本均匀的区域。区域模拟是以受限空间中的火灾为研究对象的一 种半物理模拟。它采用热量与质量传输的工程方程来计算上下层之间质量和能量的传 输，质量流失及其他特性。它不能用来分析烟气的分层现象，也不能用来分析顶壁下烟 气的水平流动情况。而场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及其随 时间变化的模拟方式。其理论基础是质量守恒( 连续性方程) 、动量守恒( n a v e s - s t o k e s 方程) 、能量守恒及化学反应的定律等。 ( 1 ) 国外研究 对于网络模拟，国外的研究越来越多，如日本的b r i 、加拿大的i r c 、英国的b r e 、 美国的n b s 、荷兰的t n o 。这些模型都假设烟气流动与空气流动形式一样，烟气与空 气立刻混合并均匀分布。迄今为止，网络模型已由稳态模拟模型如b r l l ，b r e ，i r c ，n b s 等，发展到以b r l 2 o f p ( 英国) 、t o o t h ( 波- - z = ) m f i r e 为代表的非稳态模型1 2 2 j 。 对于区域模拟，早在2 0 世纪7 0 年代初，美国哈佛大学的e m m o n s 教授【乃j 将质量守 恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理巧妙地运用在建筑火灾的研究上，发展了建筑 火灾烟气区域模拟的思想，从而奠定了烟气区域模拟的理论基础。1 9 7 5 年，美国交通部 【2 3 】开发出地铁环境控制计算机模拟软s e s ，为以后许多地铁环境控制设计和方案选取提 供了比较好的计算工具。在之后不断的实践和应用中，人们对s e s 进行了大量的补充和 发展。1 9 7 6 年，s e s 修改后被应用在公路隧道通风分析。1 9 8 5 年，增加了火灾动态模 拟，比较有代表性的模拟理论如c c f m v e n t s ( c o n s o l i d a t i o nc o m p a r t m e n tf i r em o d e l ) 和c f a s t ( c o n s o l i d a t e dm o d e lo ff i r eg r o w t ha n ds m o k et r a n s p o n ) 模拟理论i z z j 。b a i l e yj l 和f o m e yg p 等人i 纠利用c f a s t 软件模拟了狭长通道内的火灾烟气特性，发现区域模 型似乎不适用于研究隧道或者狭长通道内的烟气扩散和蔓延。 对于场模拟，主要是利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 计算流体力学的相 关软件开展研究。英国的pj w o o d b u r n 和r e b r i t t e r l 2 5 】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影响外，火源的热释放速率以及紊流模型的选择对烟气 回流扩散范围影响也较大。k u m a rs 和c o xg t 2 6 】对隧道内车辆火灾进行了三维模拟，并 4 绪论 对辐射、热传导和壁面粗糙度对火灾烟气特性的影响进行了研究。j u r i jm o d i c l 2 7 1 对隧道 火灾时的空气流速、空气温度以及隧道壁面的温度进行了数值模拟，最后得出了人员的 安全疏散时间。m cg r a t t a n 等人【冽利用大涡模拟清楚的模拟得出了浮力扩散火焰的3 个 分区：连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区。美国的c c h w a n g 和j c e d w a r d s 两位学 者 2 9 1 用场模拟软件f d s 模拟研究了火灾时纵向通风隧道内的临界风速问题。研究得出 了新的临界风速关系式，并将模拟结果与现有的实验数据和经验公式进行了对比。 f l e t c h e r 等人1 3 0 】在数值模拟计算中提出了采用浮力修正的紊流模型来模拟隧道内火灾时 火源附近的温度场，并用壁面函数来模拟近壁面流态，从而使数值模拟的结果与真实的 结果更加接近。 ( 2 ) 国内研究 对于网络模拟辽宁工程技术大学的贾进章【3 1 l 利用通风网络模型对矿井火灾时期通 风系统的可靠性进行了研究，并对矿井火灾时通风系统的抗灾能力进行了评估。西南交 通大学的冯炼【3 2 】利用通风网络模型对深圳地铁隧道火灾进行了模拟研究，模拟计算得出 了临界风速值。清华大学的朱颖心等【3 3 】开发了隧道网络烟气模拟程序t n f i r e ( t u n n e l n e t w o r kf i r e ) ，在此基础上研制了一套地铁热环境模拟分析软件s t e s s ，对天津地铁、 深圳地铁进行了数值模拟。 对于区域模拟上海市隧道工程轨道设计研究院的郑晋丽【3 4 】利用区域模拟软件 c f a s t 2 0 模拟了三种大小的火灾热释放速率下的隧道火灾，得出了三种情形下烟气的 最高温度和烟层最低界面高度以及它们分别出现的时间。 我国的地铁火灾尤其是隧道火灾场模拟方面的研究起步较晚，香港理工大学的w c h o w 教授1 3 5 j 利用场模拟软件p h o e n i c s 模拟研究了纵向通风情况下隧道内火灾的烟气 控制。中国科技大学的李元洲等1 3 6 】人利用场模拟软件f d s 对地铁隧道内火灾烟气的发 展进行了模拟计算研究，讨论了烟气的温度、高度的变化情况。西南交通大学的张发勇、 冯炼等人【3 7 j 利用c f d 方法数值模拟研究了秦岭终南山特长公路隧道火灾的烟气控制情 况，比较了分析了不同纵向通风方案下气流流动和火灾下游的温度分布。清华大学的李 先庭等1 3 8 】学者利用场模型模拟研究了隧道内的烟气流动，研究表明，在3 m w 的地铁火 灾强度下，2 m s 的纵向风速可有效抑制火灾热烟气向上游流动。广州大学的周孝清等人 【3 叫利用场模拟软件p h o e n i c s 模拟研究了隧道断面形状对临界风速和隧道内温度和浓 度分布的影响，拟合得出了烟气逆流层长度和通风速度大小的变化关系式。郑志敏等人 1 4 0 j 对地铁区间隧道火灾的疏散模式研究进行了一定的探讨，并利用p h o e n i c s 软件对 利用地铁区间隧道间的联络通道排烟进行了可行性研究。广州大学赵相相等【4 1 】利用场模 拟软件p h o e n i c s 研究了在1 0 m w 火灾强度下，自然通风和纵向通风作用下，隧道内 5 大连交通大学：1 ：学硕+ 学佗论文 的烟气温度和浓度分布情况，并拟合得出了临界风速与火灾强度的变化关系曲线。北京 工业大学的张娜等人【4 2 l 利用场模拟软件c f x 5 5 研究了火灾时坡度隧道内的临界风速问 题，得出了临界风速的通用坡度修正公式。王日升1 4 3 】利用c f x 5 5 对美狐林隧道内发生 火灾时烟气流动情况进行了三维瞬态的模拟计算，研究了烟气在隧道内的分层扩散现 象，以及不同火源情况下的临界风速的确定。浙江大学吴珂【2 0 j 利用f l u e n t 软件考虑 燃烧作用，进行了大长公路隧道火灾的数值模拟，研究其结构防火性能。北京工业大学 屈璐i 删利用f l u e n t 软件研究了着火地铁列车行驶在区间隧道内的安全行驶速度。 综上所述，可见国内外对地铁火灾烟气及隧道火灾烟气的流动做了很多研究，但其 中更多是针对临界风速的，且大部分研究使用热源模型处理火源，并通过温度来描述烟 气的危害及蔓延规律。由于烟气毒性的综合性、复杂性以及毒理学研究的不完善性，对 烟气蔓延过程中毒性分布的研究较少，此外，对行驶在区间的列车在着火情况下也缺少 完善的安全对策，同时，缺少对中部着火列车停留在区间隧道中部这种最不利于人员疏 散的火灾场景下，对事故通风排烟方式的系统的分析研究。 场模拟软件f l u e n t f l u e n t 是基于场模型建立的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 计算流体力学 的软件。c f d 4 5 】是伴随计算机、数值计算技术的发展而发展的，是- - l - j 用数值计算方法 直接求解流动控制方程来模拟实际流体流动规律的学科。其基本原理是数值求解控制流 体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体 流动情况。目前比较著名的c f d 软件有f l u e n t 、p h o e n i c s 、s m a r t f i r e 、s t a r c d 、 f d s 等 其中f l u e n t 软件可以模拟许多工程实际问题，包括可压缩、不可压缩流动，牛 顿、非牛顿流体，单相、多相流动，有旋、无旋流动，惯性、非惯性坐标系下的流动， 有化学反应、无化学反应的流动问题等。f l u e n t 是用c 语言编写，具有很大的灵活 性和能力，可以实现动态内存分配，高效数据结构和灵活的解控制。此外f l u e n t 软 件建立的非结构网格和其网格的自适应性，把计算复杂几何条件下的流动及传热传质问 题变得简单，并且针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，在 一些特定领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组厶i 唰。 f l u e n t 程序软件包括以下几个部分，如图0 1 所示： 6 绪论 g a m b i t j 【j 倒彤状 设置几何形状，生 或网格 其它软件包，如 c a d 、c a e 等 成2 d 或3 d 网格 边 体边 2 d 或3 d 网格 界 网界 网 格和 格或 1r f l u e n t 网格输入及调整1 物理模型 t g r i d 边界条件 2 d 三角网格 i p 淼 p n 霄流体物性确定 3 d 四面体网格 计算 网格 2 d 和3 d 混合网格 程序 结果后处理 图0 1f l u e n t 软件包组成 f i g o 1t h ec o m p o s i t i o no ff l u e n ts o f t w a r e 本文的研究方法及内容 本文以天津地铁1 号线地铁列车及下瓦房南楼区间隧道为研究对象，利用f u l e n t 软件包，通过对列车火灾烟气的数值模拟，探讨了不宜继续行驶的火灾强度和有利于人 员安全的应急避难措施。并针对中部着火列车停留在隧道中部的火灾场景，通过比较不 同通风模式下烟气的温度、蔓延范围及毒性，重点研究了能够有效组织排烟并利于人员 安全疏散的最佳事故通风排烟方式。 ( 1 ) 研究方法 鉴于f l u e n t 的强大功能，与其它c f d 软件相比，它具有的湍流模型、燃烧模型、 辐射模型等都能充分应用于本文的研究之中，尤其是在f l u e n t 软件包中可以进行p d f 燃烧模拟，特别适合本文数值模拟数学模型的建立，并且在计算精度与计算量之间达到 最优。故本文充分利用f l u e n t 软件的功能，选用相应软件和模型完成数值模拟计算。 具体步骤如图o 2 所示： 7 大连交通人学：i ：学硕十学位论文 图0 2 数值模拟流程图 f i 9 0 2t h ef l o w c h a r to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 2 ) 研究内容 针对目前研究的不足之处，本文在研究烟气流动的同时，增加了对烟气的毒性评价， 以此来判断人员疏散通道上的危险范围。并且探讨分析了着火列车不宜继续行驶的火灾 规模，重点研究了中部着火列车停留在隧道中部的火灾场景下，保障人员安全疏散并有 效组织排烟的事故通风排烟方式。 具体研究内容包括： 结合已有研究进行地铁火灾可能性及可燃物分析； 根据地铁火灾特点及烟气流动特征，建立数值模拟的数学模型；并通过地铁通风 试验，结合烟气“边界层吸附效应理论，验证所建立数学模型的准确性； 结合天津地铁实际情况，分别确定行驶地铁列车和隧道内的火灾场景和通风方 式；并建立列车和隧道的物理几何模型； 利用f l u e n t 软件对不同火灾场景下的地铁火灾进行数值模拟，通过分析烟气 温度、蔓延范围，c o 浓度及毒性，探讨列车不宜继续行驶的火灾规模和着火停留在隧 道内时有利于人员安全疏散的通风方式。 根据对地铁隧道火灾场景及通风方式数值模拟的结果分析比较，提出地铁隧道火 灾烟气开放式推迟加压通风方案，并通过对其烟气进行数值模拟，分析其可行性。 8 第一章地铁火灾分析 第一章地铁火灾分析 1 1 地铁火灾原因及可燃物分析 地铁列车采用的是电力牵引，故照明电缆、动力电缆等易引起电气火灾。列车行驶 速度较快，也可能发生脱轨、碰撞等事故而引发火灾。地铁站台装修、设备中存在一定 量的可燃物，列车内部的车座、顶棚以及其他装饰材料也可燃。此外作为公共场所，人 员密集，人员素质复杂，可能有人为纵火。调查表明地铁系统火灾的发生有4 个主要原 因： ( 1 ) 由于电路短路引起的列车出轨或相撞事故。列车在一定坡度或弯度下行驶速度过 高等原因，有可能出轨或正巧与对面列车相撞。 ( 2 ) 电气设备线路老化或者短路引起列车内部或外部的电力事故。地铁是电力牵引 的，电气线路十分复杂，在运行过程中有可能发生电气故障而引发火灾。1 9 6 9 年在北京 地铁特大地铁火灾事故就是电气故障引起的。 ( 3 ) 乘客违反地铁运营安全乘车规定携带了易燃、易爆等危险品上车或者乘客在列车 内吸烟，都有可能引燃列车内可燃物。 ( 4 ) 如今，出现了一些对社会不满的人，使得人为故意纵火或恐怖袭击成为造成地铁 火灾的另一重要原因。2 0 0 3 年韩国大邱的特大地铁火灾就是人为纵火引起的，造成近 2 0 0 人死亡。 文献 4 7 1 中，总结了国外不同原因地铁火灾发生的概率，可见表1 1 ： 表1 1 不同原冈地铁火灾发生的概率 t a b l e l 1t h ep r o b a b i l i t yo ft h es u b w a yf i r ef o rd i f f e r e n tr e a s o n s 火灾原因次数 人为纵火( 内部) 1 4 56 8 电气故障( 内部) 8 4 小火( 内部) 2 l 电气故障( 轨道) 5 72 7 总数 2 1 21 0 0 由表1 1 不难看出，国外导致地铁火灾的原因中，最主要的是人为纵火，其次就是 轨道电力故障，以及列车内部电力故障。 9 人连交通人学下学硕十学位论文 地铁火灾一般由列车内外的火源或者热源开始，接触到可燃材料就会形成火灾。对 于列车外部，这些可燃材料通常位于底板下及电缆、设备、导线、发动机和驱动器所在 的位置。 列车的底板通常是由胶合板芯制成，两侧焊接金属薄板，金属包层可以增强底板的 强度和耐火性。尽管如此，一些发生在列车下部的火灾也能蔓延到列车内部。车厢内温 度逐渐上升，列车内的装饰材料及塑料设备融化，挥发出可燃气体。进而与列车内的空 气反应燃烧。 由此可见，地铁火灾的主要可燃物有乘客行李( 衣物、书籍、箱包等) 、电缆设备 及列车内装饰材料。其中电缆设备绝缘外皮和列车装饰材料及地板的主要成分为p v c ( 聚氯乙烯) 。 1 2 地铁火灾场景分析 地铁火灾主要发生在地铁列车，有内部起火和外部起火。根据表1 1 可知，对于列 车内部火灾，国外主要是人为纵火，在国内大都是乘客违反规定携带易燃易爆品上车， 或是吸烟引燃列车上的可燃物。对于外部火灾，主要是因轨道电力故障。相比而言列车 内部起火较外部起火更容易控制，因为如果列车外部起火会蔓延至列车内部引燃列车内 部可燃物，同时也会引燃列车外部的电缆等公共设施。 列车起火地点一是停靠在站台时，一是行驶在区问隧道内。对于列车在区间隧道内 着火的情况，目前通常的处理对策是【4 4 j ：如果列车的条件允许，尽量驶入下一车站，利 用前方车站疏散乘客。以德国地铁现行的安全措施为例：火灾发生时，即便有任何人拉 下多少次紧急停车栓，地铁列车都必须继续行驶到下一个地铁站，绝不允许停在站与站 之间的区间隧道内。但是这仅限于列车条件允许的情况下，如果火势过大，烧坏电缆设 备，可能使列车无法正常牵引行驶，同时列车蓄电池也无法正常使用，这样列车就必须 停在区间隧道内进行乘客疏散。此外，着火地铁列车在区间隧道内带火行驶也具有很大 的危险性，如果列车携带火源继续告诉行驶到下一车站，有可能导致风助火势，使火势 迅速蔓延，反而增加了疏散的难度。2 0 0 5 年8 月6 日北京地铁列车在建国门崇文门 之问的区间隧道内发生电线短路事故，原本将列车清空回库检修，但列车只行至和平门 站时故障短路点就已发生明火，据悉，高速行驶的列车周围形成的高速相对气流，是导 致故障点火势迅速发展的重要原因。可见，列车如果外部着火且不影响继续行驶时，应 以不引发更大火灾的安全速度行驶至下一车站进行人员疏散。对于列车内部着火，外部 流场没有影响到列车内部流场的情况下，列车应以正常速度行至下一车站，以缩短乘客 暴露在烟气中的时间；然而，当列车火灾达到一定强度后，仍不宜继续行驶，因为高强 1 0 第一章地铁火灾分析 度火势可能使行驶中的列车内部火灾发展到外部，这样就更加危险，这种情况下，列车 应紧急制动，迅速组织乘客在区间隧道疏散。 对于地铁火灾规模，香港的地铁工程技术人员的最大值保守估计为2 m w ，其主要 根据是以下两剧铝j ：第一、行李着火是其主要原因，由旅客带往列车内的手提箱等引起 的。第二、由2 m w 的火发展到轰然阶段的概率非常低，因为火源的燃料是有限的，因 此在绝大多数情况下，火可能在l o m i n 2 0 m i n 后熄灭。国内部分研究人员也认为列车旅 客的行李着火时最大热释放率不超过2 m w 。而英美等国研究大都采用5 _ 5 0 m w l 4 9 1 ，且 重点研究i o m w 的情况。但是随着地铁列车制造工艺不断提高，可燃材料的使用已大 幅降低，其一辆车火灾燃烧发热量也在不断下降，香港新机场线的列车已降低至5 m w 。 本文对地铁列车火灾采用2 m w 和5 m w ，对区间隧道火灾采用5 m w 和i o m w ，2 m w 、 5 m w 和i o m w 均表示燃烧的热释放率。 据以上分析，地铁火灾场景大致可分为以下三大类： ( 1 ) 地铁列车在停靠在站台时，列车头部、中部或尾部着火。 ( 2 ) 地铁列车内部着火，在牵引电路正常供电情况下，列车携带火源行驶至下一车站， 火源可能发生在列车头部、中部或者尾部。 ( 3 ) 地铁列车外部或内部着火，火势达到一定规模或牵引线路损坏，已无法正常牵引 行驶至下一车站，停留在区间隧道，火源可能在列车头部、中部或者尾部。 分析以上三种情况，对于人员疏散，第一种火灾场景相对容易，最不利的就是列车 停留在隧道内，而携带火源行驶的列车火灾也具有很大的危险性。此外，火源发生位置 影响人员疏散，其中最危险且对人员疏散最不利的位置就是列车中部着火且停留在隧道 中部。 故本文选取最不利于人员疏散的火灾场景： ( 1 ) 地铁列车中间内部着火，并行驶至下一车站。 ( 2 ) y j j 车中部着火，且停留在隧道中部。 1 3 地铁火灾通风排烟及人员疏散 地铁设计规范1 5 0 j 中规定：“列车有可能在地下区间隧道发生火灾而又不能牵引 到车站时，乘客可从首节列车端头门下至区间隧道，当区间隧道有条件设置纵向疏散通 道时，可考虑列车侧门打开疏散乘客，此时，可利用两条区间隧道之间的联络通道将乘 客疏散到另一条区间隧道内，使乘客疏散迅速、安全。” 当区间隧道发生火灾时，应组织背着乘客疏散方向排烟，迎着乘客疏散方向正压送 风，形成推拉式的防烟排烟系统。 地铁设计规范1 5 0 1 1 9 1 4 0 规定：区间隧道火灾的 大连交通大学t 学硕十学何论文 排烟量，按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2 m s 计算，但排烟流速不得大于l l m s 。 采用这样的排烟模式，一方面防止烟气回流，另一方面保障乘客的安全行走。 根据地铁设计规范的要求，以下具体分析在本文的火灾场景下的通风排烟方式 及人员安全疏散和避难， 1 3 1 列车携带火源行驶至下一车站 列车内中部着火，在牵引电路正常运行的情况下，列车继续驶入下一车站，进行人 员疏散，这个过程中列车开启空调进行通风排烟。大致可以分为两种通风形式：一是只 凭借列车空调进行通风排烟；二是如果产烟量很大，仅凭空调排烟不能保证乘客安全时， 打开车门进行排烟或同时开启车门排烟，打破车窗通风。不论何种情况，乘客均远离火 源避难，集中在列车前后部，等待列车到站停车后，迅速疏散至站台。 在这个过程中，火势的大小及可燃物性质直接