（工程力学专业论文）地铁隧道火灾中回燃现象的模拟研究.pdf

摘要 随着城市社会经济的发展，地铁系统以其独特的优势成为最重要的城市交通 工具之一。同时，地铁安全隐患也增加，各种事故和灾害呈增长趋势。其中以地 铁火灾最具可能性和危害性，成为地铁安全问题的关注焦点和研究热点。本文结 合国家科技部重大基础研究前期专项研究项目“地铁火灾过程的非线性相似性规 律和模化方法的研究”的研究内容，采用理论分析、模型实验和数值模拟相结合 的方法对地铁隧道火灾回燃这一典型非线性现象开展研究。主要研究内容是： ( 1 ) 从理论上分析地铁隧道火灾中存在回燃现象的可能性。通过对腔室火灾 回燃产生条件进行分析和对地铁隧道火灾回燃模型实验进行观察，发现腔室火灾 回燃现象与地铁隧道火灾回燃现象之间既类同又存在一定差别。根据模型实验数 据，参考目前国内外关于腔体回燃的研究成果，结合地铁隧道自身的结构特点以 及隧道火灾的特征，可以初步确定地铁隧道火灾中可能存在回燃现象，腔体回燃 的研究结果不能直接应用于地铁隧道火灾回燃现象的研究。 ( 2 ) 通过液体正庚烷燃烧的模型实验再现地铁隧道火灾回燃现象，验证了理 论分析的正确性。并对产生回燃的临界条件、点火延迟问题以及抑制手段进行了 研究。为了进行隧道火灾回燃实验，对现有的1 ：8 地铁隧道火灾模型实验装置进 行了改造。该装置设有通风排烟系统和风量控制阀门，风机采用变频控制方式， 可以提供不同的气流条件。利用风速传感器、热电偶传感器、烟气组分分析仪等 测量模型内的通风风量、烟气温度和组分浓度，数据实现自动采集。同时，摄像 系统记录了燃烧德灭回燃的整个过程。比较温度、组分浓度等参数对地 铁隧道回燃产生的影响，计算和分析表明：地铁隧道回燃产生的决定性参数是模 型内的燃料挥发份的质量百分比，当它达到某一临界值时，回燃必然产生；自然 通风时的点火延迟主要由可燃混合气形成及其到达点火源所需要的时间引起；机 械通风时的点火延迟主要由点火源的温度达到可燃混合气的着火温度所需要的时 间引起；提高新鲜空气的湿度可以抑制回燃的产生，新鲜空气的温湿度和通风风 量之间存在优化组合值。 ( 3 ) 应用突变理论对地铁隧道火灾回燃的突变行为进行分析。根据本文的隧 道回燃模型实验数据，结合腔体回燃的研究成果，可以确定地铁隧道回燃是一种 典型的突变行为。进一步分析回燃系统的控制参数和状态参数的个数，发现隧道 回燃系统有三个控制变量和一个状态变量，从而确定了地铁隧道回燃属于燕尾突 变，并进一步在燕尾突变的分岔集上找到了工况点不可达区和工况区。 ( 4 ) 采用c f d 软件p h o e n i c s 对地铁隧道回燃前的烟流分布进行了数值模 拟计算，得到了回燃前在自然通风和强迫通风条件下的烟气速度场、温度场和烟 气浓度分布规律。模拟采用基于雷诺时均法的标准k e 模型，边界条件和验证性 数据由实测给出。模拟结果表明，c f d 软件能够比较准确地给出地铁隧道回燃前的 烟流分布情况，有助于分析地铁隧道回燃临界条件。而对回燃过程本身进行数值 模拟计算是非常困难的，目前相关的文献报道非常少。 关键词：回燃；地铁隧道火灾；临界条件；分岔；突变：模型实验；数值模拟 j e 宝銮煎太堂亟土堂焦监塞旦s 亚坠盟 a b s t r a c t s u b w a yf i r ei so n eo ft h em o s ts e r i o u sa c c i d e n t sw i t hf a t a l n e s s 1 1 坞p r o c e s so fi t t a k e so nr e m a r k a b l yc o m p l i c a t e dn o n l i n e a rc h a r a c t e r n 塘t h e o r yo fn o n l i n e a rs c i e n c e a n de x p e r i m e n t sm u s tb ea p p l i e di nr e s e a r c ho nt h er u l eo fb u r n i n gi ns u b w a y t h e p o t e n t i a lb a c k d r a ni ns u b w a yt u n n e lf i r ei sat y p i c a lp h e n o m e n as t u d i e di nf o u ra s p e c t s a sf o l l o w si nt h i st h e s i s f i r s t , t h eo c c 嗍c ep o s s i b i l i t yo f b a c k & a f ti ns u b w a yt u n n e lf i r ei sa n a l y z e dw i t h t h e o r e t i c a la n a l y s e s t h r o u g ht h ea n a l y s e so f t h eo c c u r r e n c ec o n d i t i o n so f c o m p a r t m e n t b a e k d r a f t , t h er e s e m b l a n c eb e t w e e nt h ec o m p a r t m e n tf i r ea n ds u b w a yt u n n e lf i r eh a s b e e nf o u n d s o ，s o m er e s e a r c hc o n c l u s i o n so fc o m p a r t m e n tb a c k & a f ta r eu s e df o r r e f e r e n c et os t u d yt h es u b w a yt u n n e lf i r eb a c k & a f tt h o u g ht h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt h e m b u tt h e ya r en o tc o m p l e t e l ys u i tf o rt h es u b w a yt u n n e lb a c k d m r , t h e s t r u c t u r a lf e a t u r e so fs u b w a yt u n n e la n dt h ec h a r a c t e r so fs u b w a yt u n n e lf i r es h o u l db e c o n s i d e r e d f o r t u n a t e l y ，i t sa s s u r e dt h a tt h eb a c k & a f tm i g h to c c u r u n d e rs o m ed e f i n i t e c o n d i t i o n sb ym e a n so ft h e o r ya n a l y s e sa n dc o m p a r es t u d i e s s ow eb e l i e v et h a tt h e r e s e a r c ho f b a c k & a f ti ns u b w a yt u n n e lf i r ei sv e r yn e c e s s a r y s e c o n d l y ，t h o s ec r i t i c a lc o n d i t i o i l sd e t e r m i n i n gt h eo c c 眈c eo f t h ef i r eb a c k d r a f l f i r ed i s c u s s e d , a n dt h ei g n i t i o nd e l a ya n dm i t i g a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e dt o o 1 1 壕 e x i s t i n g1 ：8s c a l em o d e le x p e r i m e n td e v i c ef o rs u b w a yt u n n e lf i r ew a sc h a n g e dt 0b e s u i t a b l ef o rt h es u b w a yt u n n e lf i r eb a c k d r a f te x p e r i m e n t s 皿ea p p a r a t u si sf i t t e dw i t h t h ee x h a u s tv e n t i l a t i o ns y s t e m t h ev e n t i l a t o rw i t hc o n t i n u o u s l yv a r i a b l ef r e q u e n c y r e g u l a t i o nc a ns u p p l y d i f f e r e n ta i r f l o wc o n d i t i o n s 1 1 1 eb a c k & a f tp h e n o m e n ai s r e p r o d u c e dd u r i n gt h em o d e le x p e r i m e n tp r o c e s s e sb yu s i n gl i q u i df u e l - h e p t a n ea sf u e l ， a n dt h ec o n c l u s i o n so ft h e o r e t i c a la n a l y s e sa r ec o n f i r m e d ag r e a tn u m b e ro f 如e n t s , s u c ha st h e r m o e o u p l e s s p e c i e sc o n c e n t r a t i o na n a l y z e ra n ds oo n , a r e a d o p t e dt om e a s u r et h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r si nt h em o d e l ，w h i c ha r es t u d i e df o r t h ee f f e c t so ft h eo c c u r r e n c eo ft h es u b w a yt u t l n e lb a c k d r a f t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h ek e yp a r a m e t e rd e t e r m i n i n gt h eo c c u r r e n c eo f t h es u b w a yt u n n e lb a e k d m f li st h e m a s sf r a c t i o no ff u e lv o l a t i l ei nt h em o d e l w 1 1 e l li tr e a c h e sac r i t i c a lv a l u e t h e b a c k d r a rw i l lo c c u r w i t hn a t u r a lv e n t i l a t i o n , t h ei g n i t i o nd e l a yi sm a i n l yc a u s e db yt h e r e q u i r e dt i m eo ff l a m m a b l eg a sm i x t u r ef o r m i n ga n da r r i v i n ga tt h el o c a t i o no ft h ef n e s e u r e e w i t hm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o n ，t h ei g n i t i o nd e l a yi sd e c i d e dm a i n l yb yt h e t e m p e r a t u r eo fi g n i t i o ns o u r c ea n dt h et i m er e a c h i n gt h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r eo f f l a m m a b l eg a sm i x t u r e f i r eb a c k d r a f tc a r lb em i t i g a t e da n dr e s t r a i n e x lb yi n c r e a s i n gt h e h u m i d i t yo ft h ef l e s ha i rw h i c hf l o w si n t ot h em o d e la f a rt h ev a l v eo p e n e d a o p t i m i z e dc o m b i n a t i o nv a l u eb e t w e e nt h eh u m i d i t yo f 雠s ha i ra n dt h eo p e r a t i o n f r e q u e n c yo f f a nh a sb e e nf o u n dt oi n h i b i tb a e k d r a f to c c u r r e n c e t h i r d l y , t i l ec a t a s t r o p h eo ft h ef i r eb a e k d r a ri sa n a l y z e d b yd e t a i l e dc a l c u l a t i o no f a b o v em o d e le x p e r i m e n t sd a t aa n da n a l y s e so ft h en u m b e ro fc o n t r o lp a r a m e t e r sa n d s t a t ep a r a m e t e r so ft h ef i r eb u r n i n gs y s t e m ，i ti sc o n f m n e dt h a tt h es u b w a yt t m n e lf i r e b a c k d r a f ti sat y p i c a lc a t a s t r o p h eb e h a v i o rw h i c hb e l o n g st oc o a t t a i lc a t a s t r o p h e 。a n d t h e nt h ew o r k i n gc o n d i t i o nd i s t r i c t sa n dn ow o r k i n gc o n d i t i o nd i s t r i c t sh a v eb e e nf o u n d i nt h eb i f u r c a t i o ns e to fc o a t t a i lc a t a s 订o p h e o fc o u r s e s o m ei n t e r n a la n do v e n ；e a c o n c l u s i o n so f c o m p a r t m e n tb a c k d r a f ia l ei n t r o d u e e dh e r e f o u r t h l y t h es m o k ed i s t r i b u t i o np r i o rt of i r eb a c k d r a ri nt h em o d e lt n m l e ii s s i m u l a t e dw i t hc f ds o r w a r ep h o e n i c s 。i nw h i c ht h es t a n d a r d 七占m o d c lb a s e do n r a n si su s e dt os i m u l a t et h es m o k ed i s t r i b u t i o np r i o rt ob a c k d r a f l 1 1 地r e s u l t ss h o w t h ed i s t r i b u t i o n0 f t h ec o n c e n t r a t i o na n dt h et e m p e r a t u r eo f t h es m o k e , a n dt h er e g i o no f t h es m o k ed i s t r i b u t i o ns i m u l a t e db yp h o e n i c sa c c o r d sw i t ht h es i t u a t i o no f t h em o d e i e x p e r i m e n t s c f ds o r w a r ec a l ls i m u l a t et h es m o k ed i s t r i b u t i o np r i o rt 0b a c k d r a r a c c u r a t e l y , b u ti t sv e r yd i f f i c u l tt o s i m u l a t et h ep r o c e s so ft h ef i r eb a c k & a l l1 1 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f t h e f i r e b a c k d r a f t i s a n i m p o r t a n t w o r k i n t h e f u t u r e k e y w o r d s b a c k d r a f t ，s u b w a yt u n n e lf i r e ，c r i t i c a lc o n d i t i o n , b i f u r c a t i o n , c a t a s t r o p h e ， m o d e le x p e r i m e n t , n u m e r i c a ls i m u l a l i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：自渡_ j导师签名： 签字日期：五唧年1 2 f l 烨日 签字日期：a 问年i 月i 甲日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：目乳 签字日期：岬年1 2 月f 争日 致谢 本论文是在导师毛军教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、系统方案的 设计、理论分析的深入及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，导师严谨的治 学态度和科学的工作作风，会使我在今后的工作和生活中受益匪浅，在此谨向导 师表示衷心的感谢。 感谢力学所所有在这几年的学习期间给予了我帮助的其他老师，他们渊博的 知识、优秀的品格给我留下了深刻的印象。特别感谢师兄刘立争、杨立国及郗艳 红、张甲雷同学在学习和生活中对我的指导和帮助。感谢北京工业大学的杨英霞 博士、张达明师兄及石勃伟同学在实验方面对我的指导和帮助。感谢土建0 5 硕2 班的全体同学，特别是张新春、王勇华，他们为我排除了学习、生活中的很多困 难，给予了我克服困难的勇气和坚持不懈的精神动力，在此致以真诚的谢意。 在研究生期间，我得到了家人和朋友充分的理解和支持，在此表示深情谢意。 1 1 引言 l 绪论 随着经济的快速发展，交通运输能力进一步提高，为了缓解不堪重负的地面 交通压力，地铁作为快速、经济、舒适的交通工具在全世界迅速发展。地铁的应 用大大方便了人们的日常生产生活，改善了城市交通状况，提高了经济发展水平， 同时它也是城市经济状况的一种表现。但是随着地铁的发展与使用，各种事故也 呈增长趋势，其中地铁火灾危害较大【l 】。 地铁火灾是一种受限空间火灾，可以分为点燃、发展期、轰然期、完全发展 的火灾和衰弱熄灭等五个阶段。地铁火灾分为区间隧道火灾和车站火灾。由于地 铁火灾的危害性很大，国内外广泛地开展了对地铁火灾方面的研究，主要研究内 容有：材料的燃烧性能的研究、地铁火灾烟气的研究、紧急情况下人员疏散方案 的研究、地铁火灾中监控预防技术的研究等。随着人们对地铁的火灾的认识不断 加深，发现地铁火灾从本质上讲是一类典型的非线性过程，火情的发生到发展整 个过程始终贯穿着非确定性的因素作用，比如地铁火灾中烟气与环境系统之间的 自组织、烟气羽流的混沌、烟气毒性的非线性等现象；地铁火灾现象的孕育、发 生和发展，与构成灾害系统的各要素及其环境之间的非线性相互作用所产生的突 变、混沌、分形、自组织等非线性现象有着密切关系 2 1 。但目前对地铁火灾的非线 性特征的研究涉及的很少，据此国家科技部把“地铁火灾过程的非线性相似性规 律和模化方法的研究”立为重大基础研究前期研究专项( 9 7 3 项目) ，因此对地铁 火灾的菲线性本质特征的研究将成为目前与今后很长一段时间内的一个重要课 题。本文结合“地铁火灾过程的非线性相似性规律和模化方法的研究”项目，对 地铁隧道火灾中可能出现的回燃现象进行研究。 1 2 腔室火灾中的回燃现象研究进展 回燃( b a c k d r a f t ) 是建筑物室内火灾中常见的一种特殊火行为。其定义：在通 风受限的建筑火灾进入缺氧燃烧甚至闷烧后，由于新鲜空气的突然大量补充引 起热烟气急剧燃烧的现象嘲。自从1 9 7 5 年英国查塔姆( c h a t h a m ) 火灾由于回 燃的产生造成两名消防人员的死亡以后【4 】，c r o f t 5 】收集了1 9 7 2 1 9 7 6 年间英国， 美国和加拿大的1 2 7 个有关爆炸的事例，其中涉及到回燃有1 0 9 例。由于建筑 火灾中回燃案例之多以及其突然性和强大的破坏性威胁着人类的安全，特别是 消防人员的安全】。因此，人们对其展开了广泛的研究。 目前人们主要是针对腔体火灾中的回燃现象开展了研究，其研究内容主要 包括：回燃前的重力流，回燃产生的决定性参数及其临界条件，回燃的突变机 理及非线性动力模型，回燃过程的数值模拟方法以及抑制回燃的手段等。研究 方法主要有盐水模拟实验、小尺寸和全尺寸腔体回燃实验及数值模拟等。 1 2 1 盐水模拟实验 盐水模拟实验是研究回燃前重力流的一种重要手段。f l e i s h m a n n l 7 - 9 1 和翁文 国等【1 0 1 1 】分别建立了自己的盐水模拟实验装置。其实验原理相同，得到的结论 也基本致。实验结果均表明无量纲速度和高度仅与开口形式有关，与密度差 比率无关；实验结果可以用于预测回燃产生的时刻。另外，翁文国等【i o 】还在 实验中发现不同的开口形式重力流的混合程度不尽一样，但都呈现了重力流的 所有特征：凸起、凹陷和波纹特征。 1 2 2 回燃实验 1 2 2 1 小尺寸实验 f l e i s h m a n n 7 - 8 ，1 2 1 和翁文国等 3 1 0 , 1 3 , 1 4 1 均建立- 4 , 尺寸腔体回燃实验装置，并 各自在所建的装置中，再现了腔体回燃现象，所用燃料均为甲烷。实验结果表 明：重力流是回燃产生的必要条件；回燃产生的决定性参数是腔体内的燃料质 量百分比，燃料质量百分比越高，腔体压力峰值越高，火球尺寸越大，回燃程 度越为强烈。翁文国等还做了多组不同开口形式下的回燃实验，发现不同开口 形式下回燃产生的燃料质量百分比的临界值是不一样的。 1 2 2 2 全尺寸实验 b o l l i g e r “”为了研究腔体的尺寸效应，建立了一个长宽高为6 m x 2 4 m x 2 4 m 的腔体；燃料为甲烷；实验结果表明回燃实验的尺度效应并不明显，其结果与 f l e i s c h m a n n 的小尺寸实验结果基本一致。g o t u ke ta 1 “”为了发展海军舰船的防 火技术，首先在实验室内建立一个长宽高为4 8 8 m x 2 4 4 m x 2 4 4 m 的腔体；燃料 是n o 2 柴油喷雾；实验结果表明产生回燃的决定性参数是燃料质量分数： g o t u kc ta l 1 7 - 1 8 3 还在舰船上进行回燃实验，实验包括两个腔体，其中一个腔体产 生回燃，另外一个腔体由于可以改变其大小称为缓冲区，两个腔体之间用一门 2 连接；燃料也是n o 2 柴油喷雾；实验结果除上述外，发现与回燃发生区域邻近 的房屋的边界条件较通风条件更能影响回燃的强度，另外还发现缓冲区越小， 回燃产生的效果越显著。g o j k o v i ce ta i “”所建造的回燃实验腔体尺寸为 5 2 m x 2 2 m x2 2 m ；燃料为天然气；调试结果表明在腔体内部同一高度的热烟气 温度相差不多。 1 2 3 数值模拟 用数值模拟研究回燃现象，先前只是用于研究回燃前的重力流，后来随着 人们对回燃现象认识了解的加深，通过数值模拟模拟了整个腔体回燃过程，为 回燃现象的研究提供了一种新的思路。 1 2 3 1 数值模拟重力流 f l e i s c h m 锄【7 - 8 】利用数值模拟比较盐水模拟实验中重力流的分布情况。结果 发现数值模拟可以发现盐水模拟实验中重力流更为精细的结构。g o j k o v i ce t a 1 【1 9 也利用c f d 研究回燃前重力流行为，并得到不同时刻重力流的分布情况。 1 2 3 2 数值模拟回燃现象 r i c h a r dw ，b o k o w s k ip e 2 0 l 为著名的回燃案例6 2 w a t t ss t ( n y ) f i r e 建立了模型，通过计算机模拟的方式再现了这一回燃过程。h o r v a t a ，s i n a iy 【2 ” 使用c f x 软件并采用d e s ( 联合应用l e s 、r a n s 和d e m 燃烧模型) 湍流模型 模拟了腔盖开启后的回燃过程，模拟结果表明：燃烧不仅存在在腔体内部，外部 烟气也能被点燃；发现d e s 模拟的回燃产生时刻与实验数据一致，但模拟的压强 和温度值比实验值偏高。杨锐等 2 2 - 2 3 】采用基于反应进度变量和扩散、部分预混燃 烧亚格子尺度小火焰模型的燃烧模型对回燃现象( 包括点火前的重力流过程和 点火后的整个回燃过程) 进行了详细的数值模拟。模拟结果表明，该模型能较好 地模拟回燃过程中的典型现象，为回燃过程提供了一种新的研究方法。 1 2 4 回燃现象的动力模型 龚剑等【2 4 l 在g o t t u k 等人研究液体燃料( n o 2 柴油) 产生的回燃实验所得结 果的基础上，对整个回燃过程建立了腔体内热烟气层温度随时间变化的动力学 模型，模型包括了预燃烧阶段、第二次供油阶段和产生回燃阶段。研究结果表 明：利用所建模型得到的模拟结果和实验结果比较接近，并证实回燃是一种典 型的突变现象。 翁文国等1 0 乃2 刀证实回燃这种转捩现象是典型的突变行为，并利用腔室火 灾中的回燃现象的能量平衡方程，根据突变理论建立其突变动力学，结果发现 回燃现象的突变模式是燕尾型突变，并在此基础上，定性分析了火焰传播距离 作为回燃现象这一动力学系统的控制参数，并引入其演化方程，定量建立了腔 室火灾中回燃现象的非线性动力学模型，得到了模拟回燃现象的偏微分方程组。 1 2 5 抑制回燃现象的手段 g o t u ke ta 1 1 6 - 1 8 在其所做的回燃实验中采取了水喷游作为抑制回燃产生的 手段；结果发现，水喷淋能够缓解回燃的产生，其原因是稀释腔体内的热烟气 以降低燃料质量分数，而非冷却腔体内的热烟气温度。翁文斟”j 采用了细水雾 作为抑制回燃产生的手段，结果表明细水雾确实能抑制回燃的产生，其抑制机 理是细水雾的喷入使腔体内的燃料质量百分比降低，达到抑制回燃产生的效果。 翁文国【1 0 】还进一步对不同开口形式的细水雾抑制回燃产生的机理进行研究，研 究结果表明不同开口形式的细水雾抑制回燃产生的抑制机理是一致的。 除上述研究内容外，火灾工作者还从其他方面不同的角度对回燃现象开展 了研究。霍然等【2 s l 以工业酒精为燃料，在一房间与走廊相连的模型中，研究了 突然进风对室内火灾的影响，指出突然进风，可在短时间一定范围内降低温度 但是主要效果是促进燃烧，当室内有明火源时还会引发烟气回燃，致使其中的 温度急剧升高。宋卫国等【2 9 】研究了回燃在整个火灾过程中的作用及对建筑物腔 室火灾过程的影响，指出回燃过程可以使火灾系统的状态突变到完全发展状态， 即引发轰然。王德明等f 3 0 】通过实验模拟和理论分析的方法证明了煤矿井巷火灾 过程中同样存在回燃现象，并且发现回燃是伴随着下行通风风流的逆转而发生 的；回燃能使井巷网络火灾过程出现能量爆发，导致火灾的扩大：回燃的强度 取决于巷道中初始热解产物的浓度。 1 3 地铁隧道火灾中的回燃现象 类似于一般的通风受限的建筑物火灾，地铁火灾特别是地铁隧道火灾也是 发生在通风受限条件下的火灾。从理论上讲，只要条件具备，在火灾的发生、 发展过程中也会出现回燃现象；但是由于地铁火灾救灾现场的危险性和地铁本 身的结构特点( 尤其是地铁隧道的狭长结构) ，致使地铁火灾中发生回燃这一现 象还未曾引起人们的注意。本章将分析地铁火灾中存在回燃现象的可能性，并阐 述它与腔体回燃之间的不同之处。 4 1 3 1地铁隧道火灾中出现回燃现象的可能性 地铁与地面建筑有门、窗与大气相通不同，地铁是通过挖掘的方法而获得 的建筑空问，构筑物的外部由岩石、土壤包围着，只有内部空间，不存在外部 空间，只有与地面连接的通道才有出入口，因此地铁空间通常供气不足，是典 型的通风受限建筑，如果发生火灾，易使初始火灾进入缺氧甚至闷烧状态，造 成大量富含可燃成份的热烟气，同时由于其封闭性强，排烟、排热性差，热烟 很难排出，内部空间温度上升快。一旦发现火灾，为防止烟气蔓延阻碍人员逃 生，地铁通风系统在火灾发生时通常由正常模式进入紧急通风模式进行强制排 烟，通常为车站风机送风，区间风机排风，以使热烟从区间风亭排出，这样以 来，将使大量的新鲜空气进入，隧道内含有大量可燃成份( 富燃料燃烧过程中 形成的过剩热解产物由热解气体和固体小颗粒组成) 的热烟气将与强制通风下 送来的新鲜空气混合，如果热烟气的温度很高，达到了可燃成份的着火点或隧 道内存有点火源，混合气将发生剧烈的高速燃烧，虽然可能只持续较短的时间， 如此大的能量释放速率将使得隧道内温度在极短时间内大幅度升高，即隧道内 产生了回燃。由于地铁火灾中的回燃过程持续时间较短，并且一旦发生回燃， 势必使火灾系统的状态突变到完全发展的状态，即使地铁火灾出现轰燃现象， 所以，地铁火灾中的回燃现象还未被人们所注意。由上述分析，不难推断地铁 火灾中的轰燃现象可能有一部分是由回燃引起的，即地铁火灾中也可能存在回 燃现象。另外，王德明等1 3 0 l 通过实验和理论分析证实煤矿井巷火灾中存在回燃 现象，由于构筑上的特点，地铁火灾和矿井火灾在某些方面比如烟气蔓延的情 况等存有相似之处，可以说王德明等的研究成果在某种意义上也证实了地铁火 灾中存在回燃现象的可能性。 1 3 2 腔体回燃研究的结果不能直接用于地铁回燃 ( 1 ) 目前人们在对腔体火灾中的回燃现象进行研究时，大都采用的是自然 通风，因此在研究的过程中，可以观察到较为明显的重力流结构，并发现在自 然通风条件下，重力流是回燃形成的必要条件。而地铁火灾一旦被发现，采用 的是机械强制通风，由密度差引起的流动将不再起主要作用，强制风流将会冲 乱已形成的烟流层，甚至使其发生逆转，将产生极其复杂紊乱的烟流结构，甚 至出现混沌，将不会有明显的重力流结构出现，即地铁火灾中出现回燃，重力 流可能不再是必要条件。 ( 2 ) 人们建立的腔体回燃实验装置虽备有不同的开口形式，但在一次实验 5 j e 毫銮道太堂亟堂焦论毫 中，只采用了一种开口形式；而地铁火灾中，其紧急通风排烟模式，般是两 端车站风机送风，隧道区间风机排风，相当于有两个进风口，加之地铁本身的 结构特点，现有的腔体实验装置不再适用于研究地铁火灾中的回燃现象。 ( 3 ) 现有的回燃现象的动力模型都是针对腔体回燃建立的，而地铁火灾与 一般建筑火灾存有很大的差异，故现有的模型不能直接用于模拟地铁火灾中的 回燃现象。 1 4 本文的研究内容 经上述分析总结，我们发现人们对腔体火灾中的回燃现象的研究已取得很 多有价值的成果，并且极大的推动了火灾实验研究和数值模拟研究的发展；我 们还发现，回燃现象并不是腔体火灾中特有的现象，其它的通风受限建筑火灾 中，只要条件具备。也会出现回燃现象，比如已被王德明等d o 通过实验和理论 分析证实的煤矿井巷火灾中的回燃现象；还有通过笔者分析，发现地铁火灾中 也有出现回燃现象的可能性。但是，由于不同的建筑结构，其发生火灾的特点 不尽相同，腔体回燃研究所得到的成果不能直接用于其它建筑火灾中的回燃现 象中。火灾工作者应结合不同建筑火灾的特点，建立较为适用的实验装置和数 学模型，开展回燃现象的研究，从而为该类建筑的火灾消防等工作提供更为准 确全面的指导。 本文的主要研究内容：( 1 ) 通过模型实验重现地铁隧道火灾中的回燃现象； ( 2 ) 研究地铁隧道回燃产生的决定性因素及其临界值；( 3 ) 探讨回燃点火延迟 问题和抑制手段；( 4 ) 分析地铁隧道回燃现象的突变机理；( 5 ) 使用c f d 软件 模拟地铁隧道回燃前的烟流分布情况。 1 5 研究方法 本文采用理论分析、模型实验与数值模拟相结合的方法对地铁隧道回燃开 展研究。首先从理论上分析地铁隧道火灾中存在回燃现象的可能性；然后通过 模型实验重现回燃现象，分析处理实验结果，找到回燃产生的决定性因素及其 临界值，并探讨回燃的点火延迟问题及其抑制手段t 然后结合实验数据，利用 突变理论分析回燃现象的突变机理，并讨论系统控制因子与工况状态之间的对应 关系，在其分岔集上找到工况点不可达区和工况区；最后使用c f d 软件p h o e n i c s 模拟回燃前的烟流分布情况，给出回燃前隧道模型内的烟气分布图。 6 1 6 本章小结 根据腔体回燃现象的定义，结合地铁隧道的自身的特点，本章首次提出地铁 隧道火灾中可能存在回燃现象这个概念，并通过对国内外针对腔体回燃现象研究 进展的调研，提出腔体回燃的实验装置和得到自g 结论，不能只能应用于地铁隧道 火灾中可能存在的回燃现象，这样为以后建立地铁隧道缩尺模型，进行专门的针 对地铁隧道回燃研究，提供了理论依据。本章最后对本文了研究内容和研究方法 做了较为简单的介绍。 2 1 引言 2 实验装置的研制与调试 实验是科学研究中最重要的研究方法之一，而根据实际情况减小研究对象的 尺度，建立小尺度实验装置进行研究也是一般采用的方法。所以我们可以利用小 尺寸地铁隧道模型研究地铁隧道火灾中的回燃现象，这样我们就可以把此项研究 定义为地铁隧道火灾中回燃现象的模拟实验研究。事实上。b o l l i g e r t “1 的研究结 果：回燃实验的尺寸效应并不明显，为我们建立小尺寸回燃实验装置提供了很好的 依据。 目前还只有为数很少的几个国家和地区的火灾科学工作者在从事回燃实验的 研究，因此，有关这方面的文献资料并不多。据作者所知，1 9 9 4 年f l e i s e h m a n n 在加州大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a , b e r k e l e y ) 的博士论文建立了2 4 mx 1 2 mx1 2 m 的小尺寸腔体研究回燃现象脚；1 9 9 5 年b o l l i g e r 新西兰坎特伯雷大学 ( u n i v e r s i t yo f c a n t e r b u r y ) 的硕士论文建立了6 mx 2 4 mx2 4 m 的腔体进行全尺度回 燃实验“”；美国海军研究实验室( n a v a l r e s e a r e hl a b o r a t o r y , w a s h i n g t o n ，d c ) g o t u k e ta l 为了发展海军舰船的防火技术建立了4 8 8 mx2 4 4 mx2 4 4 m 的腔体和在海军 舰船的船舱内进行回燃的产生和抑制实验咖：瑞典兰德大学( l u n du n i v e r s i t y , s w e d e n ) g c j k o v i ee ta 1 在一个三年项目的资助下建立5 2 r nx 2 2 mx2 2 m 的腔体研 究回燃现象的研究“”；2 0 0 2 年翁文国在中国科技大学的博士论文建立了1 2 mx 0 6 mx0 6 m 的小尺寸腔体研究回燃现象“。 由于地铁隧道结构形式与一般的腔体建筑的不同，为了更准确的对地铁隧道 火灾中可能出现的回燃现象开展研究，我们有必要建立一套地铁隧道小尺寸实验 装置，但是由于项目经费和实验场地的限制，作者借助了北京工业大学现有的l ： 8 地铁模型，该模型是在北京市科委的资助下，以北京地铁2 号线中的积水潭车站 及积水潭到鼓楼大街区间隧道为原型研制。本实验主要针对地铁区间隧道火灾中 的回燃现象进行研究，下面将介绍一下地铁区间隧道模型的研制情况，模型的研 制包括：实验台和测量设备的研制。 2 2 地铁隧道模型的研制 2 2 1l ：8 缩尺地铁隧道模型实验台的研制 s 塞验苤置艘班剑皇调试 一、区间隧道模型满足的相似关系 1 、区间原型相关数据( 积水潭鼓楼大街区间，如图2 1 所示) i 呈| 2 - 1 区间原型 f i g ，2 1s u b w a yt u n n e l l b x h = 1 7 6 6 m x 8 5 m x 4 3 5 m 隧道当量直径d = 5 8 m 隧道内壁平均绝对粗糙度k = 0 1 m 隧道区间风速实测v = 2 0 7 m s 容易得到，r e 约等于1 0 x 1 0 6 、相对粗糙度约为o 0 1 7 ，查莫迪图1 3 1 】，显然流 动已经进入自模区( 注：在这样的相对粗糙度下，进入粗糙区的r e 约为5 x 1 0 4 ) 。 2 、区间模型参数确定 区间风机位于区间隧道中部，故可只考虑区间的一半，这样可以将风机置于 模型区间的一侧。选用1 ：8 长度比例尺建立模型实验台，考虑到实验室空间限制， 模型区闻的长度不可能按这样的比例进行，为此，采用曲线区间代替直线期间， 并根据模型风速以及模型壁面相对粗糙度，将弯道处的局部阻力与直线区间的沿 程阻力进行等效转化。隧道模型直线部分外部全长1 5 0 0 0 m m ，外部高度为6 2 7 m m ， 外部宽度为1 0 8 2 m m 。隧道内外环截面内部尺寸：5 0 0 m mx5 0 0 m m ，弯道主要设置 在风管以及风管和隧道的连接处。 9 速度比例尺选为2 ：1 ，即模型中部风速保证达到v = 2 0 7 x 2 = 4 1 4 m s ，在这种 情况下，r e = 5 8 8 x 4 1 4 玎1 6 1 0 乍l - 9 x l o 此时，保证相对粗糙度达到o o l 以上，可保证流动处于自模区范围，为此， 在流动区域内壁敷设了一层钢丝网，用以保证壁面粗糙度。 原型隧道和模型隧道都处于自模区，即在几何相似和边界条件相似的前提下， 即使模型流场r e 与原型流场不同，其流态与流速分布也可与原型流场保持相似， 如得到流速场相似，摩阻也就能相似，压力场也能相似。因此不必着意做成压力 场相似，而是通过流速场的相似来达到压力场的相似，也不必专门提出欧拉数作为 决定性判据。由于本文不将模型和原型的相似关系作为研究对象，故具体的相似 关系式不再推导。模型实验台示意图如下： 臼 日 图2 - 2 隧道模型示意图 f i g 2 - 2s k e t c ho f t m m e lm o d e 二、维护结构 实际地铁车站四周为钢筋混凝土结构及花岗岩硬质地面，为了使模型与原型 相当，保证模型与原型热损失相平衡，模型围护结构由两层普通不锈钢板组成， 内外两层钢板间填充了高强度及高性能保温隔热材料，外包隧道防火涂料( 隧道 防火涂料是公路、铁路、城市地铁和过街隧道防火保护专用涂料，其作用是对隧 道衬砌进行防火保护，能承受隧道内的强风。涂料燃烧时无有毒气体产生，粘接 性能较好，粘接强度卸2 m p a ；耐火极限较高，厚度1 4 m m 时，耐火极限 3 h ) 。 围护结构除地面和天花板外，其余两侧立面均采用一部分透明耐火玻璃，此时， 可以将围护结构的热模拟作简化处理视其为绝热。为了保证壁面粗糙度，在 流动区域内壁敷设了一层钢丝网。 三、观察窗 一 沿隧道模型长度方向，在其两侧分别均匀设置了1 6 个观察窗，在隧道顶部设 有两排1 6 个照明窗，其中3 2 个观察窗中有1 6 个可开启，并与其余1 6 个不可开 启的相阃布置。观察窗的尺寸：5 0 0 m m x 4 2 0 r a m ( 长x 宽) ，观察窗间间距为3 8 0 m m ， 1 0 离顶面和底面的距离均为5 0 m m ，照明窗的尺寸：5 0 0 r a m