（载运工具运用工程专业论文）地铁空间内空气与火灾烟气流动特性的数值研究.pdf

f i i i ii ii l liqllrll l l l l l l ll l1 0 17 817 5 8 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， 提供阅览服务，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： 彩萨 导师签名： 签字e l 期：2 0 1 0 年5 月2 0 日签字日期：2 0 1 0 年5 月2 0 日 j 中图分类号：t u $ 3 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 博士学位论文 地铁空间内空气与火灾烟气流动特性的数值研究 n u m e r i c a ls t u d yo na i r a n ds m o k ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si ns u b w a y s p a c e 作者姓名：杨晖 导师姓名：贾力 学位类别：工学 学科专业：载运工具运用工程 学号：0 5 1 1 6 2 8 0 职称：教授 学位级别：博士 研究方向：载运工具运行环境及先进动力技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 在论文即将完成之际，心中充满了感激之情。首先要真诚地感谢我的导师贾 力教授，老师对于研究方向的把握和每每在关键时刻所给予的指点及鼓励才使论 文工作最终能够得以完成。老师有着敏锐的学术洞察力、深厚的学术功底以及严 谨的治学态度，对研究工作孜孜不倦、精益求精，对学生严格要求而又关怀备至， 在做人和做事上都成为我终生学习的楷模。 特别感谢杨立新老师在数值模拟方面所给予的指点和帮助，是他为我打开了 数值研究的大门，并不厌其烦地帮助我解决了许多研究工作中遇到的具体问题。 杨老师睿智幽默、乐于助人、宽容大度，是我学业和生活上的良师益友。 感谢已经离去的清华大学教授彭晓峰老师在文献收集方面曾给予的帮助。 感谢实验室的张竹茜老师和每一位同学，他们给予我许多无私的帮助。感谢 我的师弟黄鹏、张田田、张涛、李星、赵楠、巴黎明，他们是那么年轻而富有朝 气，他们身上体现出的对新知识的渴求时常激励和感染着我。能够在这样一个充 满学术氛围而又团结快乐的集体中完成学业，实在是一件幸运的事情。 还要感谢我在北京建筑工程学院的许多老师和同事，五年来他们所给予的理 解和支持使我能够有更多的时间和精力投入到学业中。感谢钱申贤教授在实验方 案确定和实验台搭建过程中所给予的指导和帮助，感谢研究生黄陪雷、纪格文、 叶雷、王琳、刘铜、安强，他们协助我完成了现场实验测试和模型实验的工作。 北京交通大学浓郁的学术氛围使我获益良多，感谢机电学院许多老师的教诲 和帮助。感谢北京建筑工程学院为我提供了继续学习的机会。 最后要感谢我的家人和每一位朋友，是他们的爱使我能够内心充实地去追求 人生每一个新的高度，使我的人生充满幸福。 杨晖 2 0 0 9 年5 月 中文摘要 摘要：本文以北京地铁典型站台和隧道为原型，采用三维数值方法研究了正 常运行及火灾条件下地铁空间的空气环境，并采用现场测试和模型实验对部分模 拟结果的可靠性进行了对比分析。论文的主要工作包括： 采用瞬态数值模拟方法研究了地铁列车运动所形成的活塞风对典型岛式站台 空气环境的影响、屏蔽门和空调系统与活塞效应对站台空气环境的综合作用，同 时在地铁站台进行了现场测试。研究结果表明列车通过会引起站台局部区域流速 超过5 m s ，并有超过4 。c 的明显温升。全封闭式屏蔽门能够增大隧道内活塞风井 的换气量。半封闭式安全门能够有效降低乘客候车区域的活塞风速，同时各出入 口和隧道活塞风井的空气流量和流动方向没有十分明显的变化； 利用稳态数值模拟和模型实验研究了不同火源设置和热释放率条件下纵向通 风对控制隧道烟气流动的作用、临界通风速度的变化规律、临界通风条件下隧道 顶部最高烟气温度和火源上方回流烟气温度与临界通风速度变化趋势之间的关 系，将模拟结果与实验结果和既有研究成果进行了对比分析。研究表明火源条件 设定对于数值模拟结果有显著影响，对于热释放率较小的火灾，采用单纯热源模 型预测临界通风速度较安全。临界通风状态时，数值模拟预测的下游烟气温度高 于实验值。 分阶段采用三维瞬态数值模拟研究了活塞效应所形成的非均匀初场对隧道中 火灾烟气流动特性的影响，模拟结果显示如果地铁列车因为火灾停在隧道中，在 短时间内列车运动所造成的惯性气流会对火灾烟气扩散有显著的影响，应当在制 订火灾安全方案中加以考虑。 图7 6 幅，表1 1 个，参考文献1 5 7 篇。 关键词：数值模拟；地铁空间；活塞效应；环控系统；屏蔽f - j ；隧道火灾；临界 风速 分类号：t u 8 3 a b s t r a c l a bs t r a c t b a s e do nb e i j i n gt y p i c a l s u b w a ys t a t i o na n dt u n n e l ，t h r e e d i m e n s i o n a lc 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 ) m e t h o dw a su s e dt os t u d ya i re n v i r o n m e n tu n d e rb o t h n o r m a la n df i r ee m e 唱e n c yc o n d i t i o n s s o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t h i n s i t um e 嬲u r e m e n t sa n ds m a l l s c a l ee x p e r i m e n t s m a i nr e s e a r c hw o r k si n c l u d e ： t h ei n f l u e n c e so ft h ep i s t o nw i n dc a u s e db yt r a i n sm o v e m e n t , p s d ( p l a t f o r m s c r e e nd o o r ) a n da i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo na i re n v i r o n m e n tw e r ei n v e s t i g a t e du s i n g t r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s s o m ei n - s i t um e a s u r e m e n t sw e r ec o n d u c t e dt ov a l i d a t e t h es i m u l a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a to v e r5r n sa i rv e l o c i t ya n d4 t e m p e r a t u r e e n h a n c e m e n ti sa r o u s e db yp i s t o ne f f e c ti ns o m ep l a t f o r ml o c a t i o n s a i rf l o wr a t e t h r o u g ht u n n e lv e n t i l a t i n gs h a f t si n c r e a s e sg r e a t l ya f t e rf u l lc l o s e dp s di si n s t a l l e do n t h ep l a t f o r m 2 5m l l i g hp a r t i a lc l o s e dp s dh a sn o td i s t i n c ti n f l u e n c eo na i rf l o wr a t e t h r o u g ht h ee x i t sa n dt u n n e lv e n t i l a t i n gs h a f t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n ds m a l l s c a l ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yt h e e f f e c to ft h el o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o no nt u n n e lf i r es m o k em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e c r i t i c a lv e n t i l a t i o nv e l o c i t y , t h em a x i m u ms m o k el a y e rt e m p e r a t u r ea n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec r i t i c a lv e n t i l a t i o nv e l o c i t ya n dt h eb a c k l a y e r i n gt e m p e r a t u r ea b o v ef i r e s o u r c ef o rd i f f e r e n tf i r es o u r c ec o n d i t i o n s ( h e a tf i r es o u r c ea n dc o m b u s t i o nf i r es o u r c e ) a n dh e a tr e l e a s er a t e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u ss t u d y a n dt h es m a l l - s c a l ee x p e r i m e n t s i ts h o w st h a tt h ec h o i c eo ft h ef i r es o u r c em o d e lh a s s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ns i m u l a t i o nr e s u l t s s i m p l i f i e dh e a ts o u r c ew i t h o u tc o n s i d e r a t i o n o ft h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s m s ( h e a tf i r e s o u r c e ) w o u l do v e rp r e d i c a t et h ec r i t i c a l v e l o c i t y n l ed o w ns t r e a ms m o k el a y e rt e m p e r a t u r eu n d e rt h ec r i t i c a lv e n t i l a t i o ns t a t e p r e d i c t e db ys i m u l a t i o n s 、析n ld i f f e r e n tf i r es o u r c em o d e l sa r eh i g h e rt h a nt h a tm e a s u r e d i ns m a l l s c a l et e s t s t h ei n f l u e n c eo ft h eh e t e r o g e n e o u sa i rv e l o c i t yf i e l dc a u s e db yp i s t o nw i n do n s m o k em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c si ns u b w a yt u n n e lw a ss t u d i e du s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l c f dm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h et r a i nf i r e sa n ds t o p si nt h et u n n e l ，t h ei n e r t i a l a i rv e l o c i t yf i e l dh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ns m o k em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa tt h e f i r s tf e wm i n u t e so ff i r ed i s a s t e r , w h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e di n s e t t i n gr e l i a b l ef i r e e v a c u a t i o n p l a n ， k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u b w a ys p a c e ；p i s t o ne f f e c t ；e n v i r o n m e n tc o n t r o l s y s t e m ；p l a t f o r ms c r e e nd o o r ；t u n n e lf i r e ；c r i t i c a lv e l o c i t y c l a s s n o ：t u 8 3 v 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t 。i v 1 弓i 言1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 地铁空间空气环境与烟气控制的研究进展6 1 2 1 主要研究方法及数值方法的特点6 1 2 2 已经开展的数值模拟研究9 1 2 3 已经开展的相关实验研究1 6 1 2 4 其它相关的研究工作1 7 1 2 5 存在的一些科学和技术问题1 8 1 3 本文研究的主要内容1 9 2 控制方程与数值模拟方法2 1 2 1 数值研究的理论依据2 1 2 1 1 控制方程及湍流模型2 1 2 1 2 控制方程的离散和求解2 5 2 1 3 火灾过程燃烧模型3 0 2 2 本文采用的主要研究方法3 2 3 活塞效应及环控系统对地铁站台空气环境的动态影响一3 4 3 1 活塞效应的影响3 5 3 1 1 模型3 5 3 1 2 模拟结果与分析3 7 3 1 3 现场实验与模拟结果的对比4 2 3 1 4 单列车进站过程对站台空气环境影响规律小结4 4 3 2 屏蔽门与活塞效应对站台空气环境的综合影响4 5 3 2 1 模型及模拟场景4 6 3 2 2 屏蔽门对站台流速分布的影响4 6 3 2 3 屏蔽门对站台通风的影响5 0 3 2 4 小结5 4 3 3 空调系统与活塞效应对站台空气环境的综合影响一5 4 3 3 1 模型5 4 3 3 2 模拟结果与分析。5 5 3 3 - 3 小结。6 0 3 4 本章小结。6 0 4 隧道烟气控制临界状态的研究6 2 4 1 既有研究成果对比一6 3 4 1 1 临界通风速度预测模型6 3 4 1 2 隧道项部最高烟气温度的预测模型及实验研究6 8 4 1 3 临界状态下火源上方烟气温度与临界风速的关系7 1 4 2 火源条件对临界状态数值预测结果影响的研究。7 2 4 2 1 模型7 3 4 2 2 临界通风速度与热释放率的关系7 6 4 2 3 火源附近烟气层的速度和温度分布7 9 4 2 4 讨论j 8 5 4 3 隧道烟气控制临界状态的模型实验及数值研究8 7 4 3 1 实验手段及研究方法8 7 4 3 2 实验与模拟结果的对比分析9 1 4 3 3 讨论一9 6 4 4 本章小结9 7 5 初场条件对烟气流动特性的影响9 9 5 1 模型。10 0 5 1 1 隧道几何模型一10 0 5 1 2 火灾场景与边界条件。1 0 0 5 1 3 计算模型一1 0 1 5 2 模拟结果分析1 0 3 5 2 1 分析疏散通道安全性的依据1 0 3 5 2 2 静止初始条件下的模拟结果10 4 5 2 3 运动初始条件下的模拟结果一1 0 6 5 3 本章小结1 0 8 6 主要结论及研究展望1 0 9 6 1 主要研究工作及结论1 0 9 6 2 本文创新点。1 1 0 6 3 对未来研究工作的展望11 1 参考文献113 附蜀乏a 一1 2 1 作者简历一1 2 2 独创性声明1 2 4 学位论文数据集：一1 2 5 j 匕立交通太堂熊堂僮 诠 室 !曼l直 1 引言 1 1 研究的背景及意义 从1 8 6 3 年1 月1 0 日世界上第一条线路“大都会地区地铁 在伦敦投入使用，地 铁就肩负着城市快速运输的重任。在随后的1 4 0 多年中，伴随着人类经济社会的空 前发展，城市变得越来越拥挤，不堪重负的地面交通已经不能满足人们日常出行 的需要，利用地下空间发展地铁成为发展大都市快捷交通的唯一选择。 目前全世界究竟有多少个城市拥有地铁，没有准确的数字。综合各种资料报 道，目前建设了地铁的城市应该是1 1 4 至1 6 8 个。其中部分国家运营线路最长的一 些城市的地铁概况见表1 - 1 ( 文献 1 摘译自俄罗斯权力周刊2 0 0 8 年3 0 期) 。 表卜1 全球运行线路最长的城市地铁概况n 1 国家城市名称线路总长度( h )线路数站点数年输送客流量 ( 亿人次) 英国伦敦 4 0 8 1 1 2 6 81 1 9 7 ( 2 0 0 7 年) 美国 纽约3 7 02 6 4 6 81 5 6 3 ( 2 0 0 7 年) 日本东京 3 0 4 1 1 3 2 8 52 9 1 6 ( 2 0 0 6 年) 俄罗斯 莫斯科2 9 2 21 2 1 7 62 5 7 3 ( 2 0 0 8 年) 韩国首尔 2 8 6 9 1 0 2 6 62 0 4 7 ( 2 0 0 8 年) 西班牙 马德里2 8 41 3 2 8 06 9 0 ( 2 0 0 7 年) 中国上海 2 3 4 8 1 6 11 1 2 2 ( 2 0 0 8 年) 法国 巴黎2 1 51 6 3 8 41 3 3 8 ( 2 0 0 7 年) 墨西哥墨西哥城2 0 1 3 81 1 1 7 51 3 5 2 ( 2 0 0 7 年) 中国北京 2 0 08 1 2 31 2 ( 2 0 0 8 年) 中国香港1 6 8 19 8 01 3 0 9 ( 2 0 0 8 年) 相比于西方发达国家1 4 0 多年的地铁发展历史，中国地铁交通的起步晚了整整 1 0 6 年。从1 9 6 9 年1 0 月1 日中国第一条地铁线路北京地铁一期工程建成通车，中国 地铁刚刚走过4 0 年的历程。然而这4 0 年恰逢中国经济飞速崛起，尤其是在近1 0 年， 伴随着中国城市化进程的加快和私人轿车消费量的快速提高，在许多人口急剧膨 胀的大都市，地面交通负荷已濒于极限，政府和公众都将解决这一矛盾的希望寄 托于发展便捷的轨道公共交通。 作为中国第一个拥有地铁的城市，北京地铁发展的历史最能反映整个中国地 铁发展的进程。1 9 6 9 年1 0 月1 日完工通车的地铁一期工程北京站至古城路站共设1 6 座车站及一座地面车辆段一古城车辆段，运营线长2 1 公里。蛰j 1 9 8 1 年9 月，北京地 铁一期工程验收正式交付使用的线路从福寿岭至北京站，运营线全长2 7 6 公里。 1 9 8 7 年1 2 月，北京地铁一线、环线建成并开始独立运行，其中一线列车线路全长 1 6 9 公里，环线线路全长2 3 0 3 公里。从上世纪9 0 年代末，北京地铁进入了高速发 展的十年。1 9 9 9 年9 月开通了从天安门西站至四惠东站的“复八线 ，2 0 0 0 年6 月与 原一线相连并贯通试运营，地铁1 号线的运营区段由原来的苹果园直通四惠东站， 线路全长3 1 公里。2 0 0 3 年1 月，全长4 0 8 5 公里的轻轨1 3 号线全线通车试运营，北 京地铁及轻轨运营线路达到9 4 公里。2 0 0 3 年1 2 月，地铁八通线试运营，北京的地 铁运营公里数增至1 1 4 公里。2 0 0 7 年1 0 月，作为北京轨道交通路网中一条重要的南 北干线，地铁5 号线通车，线路全长2 7 6 公里。2 0 0 8 年7 月，地铁1 0 号线( 一期) 、 奥运支线、机场线开通试运营。这三条轨道新线总长计5 8 公里，开通后北京轨道 运营里程达至u 2 0 0 公里，运营线路达n 8 条，北京轨道交通的网络效应初步显现。 2 0 0 8 年奥运会后，北京地铁建设的速度并没有减缓。除了建成通车地铁4 号线外， 目前在建及待建的地铁线路还包括1 0 号线( 二期) 、7 号线、9 号线、1 4 号线、1 5 号 线以及连接市中心与周边地区的昌平线、大兴线、亦庄线、房山线等。至u 2 0 2 0 年 北京地铁规划线网将由19 条线路组成，总长度达至u 5 6 1 5 公里。 上海第一条地铁线路是1 9 9 5 年5 月建成通车的1 号线，线路总长为2 l 公里。同 北京一样，上海的地铁建设也在本世纪初步入高速发展期。继2 0 0 0 年6 月2 号线一 期工程全线试通车后，又陆续建成通车了6 条轨道交通线路，目前开通的8 条线路 总长2 3 4 公里。事实上这个数字正在不断更新，到2 0 0 9 年底，随着7 号线、9 号线和 1 1 号线相继投入试运营，上海轨道交通的营运里程达n 3 5 0 公里左右。根据上海“十 一五 规划，到2 0 1 0 年“世博会 召开前，总共有2 8 0 座车站、1 1 条线路组成轨道 交通网络，累计运营里程达至u 4 0 0 公里以上。 除北京、上海外，地铁在我国其它城市也正在并将继续得到快速发展。截至 2 0 0 8 年底，我国已有1 0 个城市拥有共2 9 条城市轨道交通运营线路，运营里程达到 7 7 6 公里。而据不完全统计，北京、上海等1 5 个城市共有约5 0 条，1 1 5 4 公里轨道交 通线路在建。目前有约2 7 个城市正在筹备建设城市轨道交通，其中2 2 个城市的轨 道交通建设规划已经获得国务院批复。至2 0 1 5 年前后，北京、上海、广州等2 2 个 城市将建设7 9 条轨道交通线路，总长2 2 5 9 8 4 公里，总投资8 8 2 0 0 3 亿元。 随着新的地铁线路不断投入运行，地铁作为一种快捷、准确、高效的交通工 具越来越受到人们青睐，逐渐成为中国城市居民出行的主要交通方式之一。根据 北京市地铁运营有限公司的统计，截止至u 2 0 0 9 年底，其所辖8 条运营线路，累计运 送乘客达到1 3 7 2 亿人次，比2 0 0 8 年的1 2 1 7 亿人次增加了1 5 5 亿人次，其中2 0 0 9 年7 月以后几乎每个工作日的客运量都超过了4 0 0 万人次，地铁占北京市交通运量 的比重已上升到2 1 。2 0 0 9 年上海地铁总共运送客流约1 3 亿人次，全年日均客流达 至0 3 5 8 万人次，同比2 0 0 8 年日均3 0 6 8 万人次上升1 6 7 ，乘坐地铁出行成为很多人 2 的首选。 与此同时，地铁的造价、能源消耗以及地铁空间的环境与安全问题也日益凸 现，成为政府、公众和学者关注的焦点。与其它公共交通设施相比，地铁的造价 很高，一次性投资以每公里数亿元计。例如上海地铁2 号线每公里造价约为6 亿元， 北京地铁1 0 号线每公里造价约5 亿元。地铁同时也是城市公用设施中最大耗电系 统，电费是构成地铁运营成本的重要组成部分，北京、上海两个城市的地铁运营 电费支出占总成本的比重均约2 5 $ 。而广州地铁2 0 0 2 年至2 0 0 4 年的电费支出占总成 本比重分别为3 1 3 3 、3 2 8 1 、2 9 3 1 。根据上海轨道交通运营线路的能耗统计 数据分析，轨道交通总用电量中车站及区间动力照明用电约占4o 至50 ，而 对于地下车站，通风空调系统的能耗约占整个车站总用电量的50 至60 。因 此如何挖潜降耗，突破关键技术，。降低用电量大的机电系统设备能耗，是轨道交 通节能重点。地铁开通后一般运行都在几十至百年之间，因此其节能哪怕是一个 相当细小的节能措施都显得相当重要。 地铁建筑由多个车站通过隧道连接而成，乘客密集，包括列车在内的各种机 电设备以及各种通风系统运行等因素，造成地铁空间内各种热、湿及污染物源交 互作用，使得空气环境影响因素纷繁复杂，涉及动量、能量和湿度等物理场。地 铁空间内存在的主要环境问题包括口儿朝： ( 1 ) 列车运动对空气环境的影响 列车在地下隧道内行驶时，活塞作用引起了空气运动及空气压力的变化。列 车的活塞运动有利于地铁内部空间与外部环境间的空气流通，但如果活塞风过于 强烈而导致短时风速过高，会影响人体的热平衡，使人产生吹风的不舒适感觉。 另外过高的风速会带起沙尘或垃圾，或是吹乱头发、吹掉帽子、吹起裙子等，也 会从心理上给乘客造成不舒服的感觉。在地铁环控系统的设计和运行过程中都不 可避免地需要考虑活塞效应的利用与及其对乘客舒适性的影响，系统地研究活塞 效应在各种运行条件下对地铁站台空气环境的影响是站台环控系统设计的基础。 ( 2 ) 温度逐年升高 由列车机电设备、乘客以及各种照明设备产生的热量，使得地铁内空气、周 围土壤和隧道壁等的温度随着运营年度的增加而逐渐上升。根据北京地铁实测纪 录，地铁1 号线第一期工程( 石景山至北京站) 隧道内夏季最高温度在逐年上升， 至 1 j 1 9 9 5 年已经达到3 l ，大大超过了设计值，隧道内年平均温度已高于室外年平 均温度。根据1 9 8 4 - - - , 1 9 8 9 年的统计，第二期工程( 建国门至复兴门环线) 隧道内 的温度大致以每年1 的速度在上升。地铁温度逐年升高的现象不仅在夏季影响显 著，甚至也影响到了乘客冬季乘车的舒适性。清华大学学者h 1 分析了北京地铁 1 9 8 5 1 9 8 6 年实测数据，使用s t e s s 软件模拟得出在远期设计客流及车流量下，如 果没有足够的机械通风量，北京地铁远期冬季温度将超过2 0 c 甚至2 5 c 。他们利 用热损失率h d r ( h e a td e f i c i tr a t e ) 指标，探讨了哈尔滨、北京、南京、广卅i 四 个城市地铁冬季设计温度的取值。提出“由于地铁正常运行时的发热量很大，如 果通风量不够，即使在冬季，也可能出现温度过高的现象。因此，对于我国多数 城市来说，地铁冬季过热的可能性也是不可忽视的。地铁冬季温度不仅应当规定 最低温度，而且应该规定最高温度”哪。为了保证乘客的乘车环境，2 0 0 4 年至t j 2 0 0 8 年期间北京在原先没有空调系统的地铁1 、2 号线站台增加了空调系统，并正在逐 步采用新型空调列车取代原有的非空调列车。新建地铁站台或车厢内都设置了空 调系统，许多城市在建造地铁时开始考虑加装屏蔽门以减少站台通风空调系统能 耗并降低活塞风的影响，这些措施对站台空气环境及地铁能耗的影响还需要更加 深入的研究。 ( 3 ) 污染源多，空气质量不易保证 空气质量包括气味、粉尘微粒污染、气体污染物等因素。地铁与外界连通的 区域比较少，人流密集。就可吸入颗粒物一项而言，列车在隧道内运行时会产生 大量的颗粒物。根据北京地铁1 、2 号线调查晦1 ，每年产生的颗粒物达l - 7 吨，再加 上众多乘客进入车站带进大量灰尘，+ 隧道内空气可吸入颗粒物浓度就会超过最高 允许浓度标准。为满足乘客的舒适性及卫生标准，应利用环控系统对空气质量加 以控制。 地铁建筑内空气的温度、湿度、空气流速、污染物分布等环境因素不仅关系 到乘客的身心健康及整个系统的稳定运行，在发生火灾等紧急状况时还与乘客的 生命安全密切相关。由于地铁位于地下而且相对封闭，一旦发生火灾或恐怖袭击 等紧急情况，人员疏散较为困难，救援人员难以迅速开展有效的工作。另外，地 铁车厢及站台内的大量装饰材料均为可燃材料，容易造成火势的蔓延。这些可燃 材料在相对封闭的空间内燃烧时，由于供氧量不足，燃烧不完全而产生大量有毒 有害的气体，对乘客的生命造成更大的威胁，同时热烟气的积聚还容易产生“轰 燃 e l - 8 。 许多国家都曾因发生严重的地铁火灾或恐怖袭击事件而造成很大伤亡的意外 事故。其中近十多年造成人员伤亡损失最为惨重的地铁火灾事件分别为1 9 9 5 年1 0 月2 8 日发生在阿塞拜疆首都巴库的地铁火灾以及2 0 0 3 年2 月1 8 日韩国大邱市地铁 人为纵火事件。巴库的地铁火灾是由列车电气设备故障引起两节车厢着火，列车 随即停在隧道内，车厢前后的紧急疏散出口没有正常打开，乘客只能打破玻璃逃 生。同时地铁工作人员的误操作使得原本应当与人员疏散方向相反的排烟方向转 向为人员疏散方向，造成了3 3 7 人在火灾中丧生，2 7 0 人重伤。大邱地铁火灾则是 人为纵火引起的，一名男子将易燃物撤在停靠站台的列车座椅上并点燃后跑出车 4 站。正当大火燃烧起来的时候，对面一列车也驶入站台，这列后驶入站台的列车 司机在逃离火灾现场时带走了列车的主控钥匙，使列车完全停电，车门不能打开， 导致这列车的乘客伤亡惨重。整个事件最终酿成1 9 2 人死亡，3 4 0 人受伤。事后韩 国专家认为这次火灾之所以会造成这么大的人员伤亡，主要归咎于车站烟控系统 及设备失效，而造成失效的原因有：车站及车厢内的灭火装置难以应付如此严重 的火灾；地铁站内通风设备只能保持平时的空气流通，但发生火灾时则起不到应 有的作用；车厢内的座椅、地板和车体虽然都采用了难燃材料，但在猛烈火焰的 燃烧下大多会释放出有毒气体，导致现场人员窒息和救援人员难以到达现场；火 灾时车站中央控制室没有及时阻止另外一列车进入站台，导致人员伤亡增大；地 铁内没有处于防备状态的完善防护系统；站台上没有设置喷水灭火装置；地下车 站没有设置机械排烟设施。正是由于这些原因，使得事故发生后3 至4 d 时，救援 人员都无法接近火场嘲。 中国地铁虽然没有发生过像巴库和大邱这样造成重大人员伤亡的火灾，但火 灾事故却时有发生。1 9 6 9 年1 1 月1 1 日，在万寿路车站至五棵松车站区间，发生一 起车辆走电的重大事故，烧毁两辆车。在灭火救援时造成3 人死亡，1 0 0 多人受伤。 1 9 7 7 年6 月1 8 日，北京地铁电动客车在前门站因受流器起火，发生列车停运i d 时 1 6 分的重大事故。1 9 8 9 年5 月7 日，北京地铁积水潭变电站馈出开关起火烧损，影 响积水潭站首车内、外环不能按时开出。1 9 8 5 年1 1 月2 6 日，北京市地铁公司古城 车辆段“3 2 2 车组1 号车逆变器插座遇水短路放电，造成两辆电动客车车体烧坏。 1 9 8 3 年9 月1 8 日，积水潭站直流开关柜烧毁，中断了二期工程已经开始的试运行。 1 9 9 9 年7 月2 9 日，广州地铁1 号线东山口站降压配电所因电气设备线路故障发生火 灾，由于报警、疏散及排烟措施及时，没有造成人员伤亡。2 0 0 2 年2 月2 7 日万寿 路由于设备老化，绝缘降低，端子过热，引起短路，造成低压配电柜着火。2 0 0 2 年1 1 月2 2 日北京地铁东直门站内由东四十条开往东直门方向的列车车厢内着火， 由于及时疏散和扑救，没有造成人员伤亡n 们。2 0 0 7 年1 2 月7 日，雍和宫地铁站内2 组低压蓄电池短路着火，事故未造成人员伤亡。2 0 0 9 年5 月1 7 日下午下班高峰时段， 上海地铁1 号线黄陂南路站设备用房因电气线路故障发生火灾，没有造成人员伤 亡，地铁运行中断半小时。 地铁起火的原因主要包括嘲： ( 1 ) 电气设备故障引发火灾。地铁内有包括配变电设备、空调通风系统的电 动机、电动机车的牵引、制动设备等在内的许多电气设备和配电线路，由于设备、 线路老化、故障或工作人员操作不当及用电不慎等原因都可能引起火灾。列车在 行进当中产生电弧，地下空间内潮湿、通风不畅引起设备线路损坏，也是造成地 铁内易发生火灾的原因。 ( 2 ) 站内违规设置的商铺发生火灾、乘客违反规定携带携带易燃易爆物品或 吸烟引发火灾。 ( 3 ) 人为纵火或恐怖袭击造成火灾。 地铁在发生火灾过程中，伴随随着火势的发展与蔓延，会产生大量的燃烧热 和烟气。烟气是多种物质的混合物，主要成分包括c 0 2 、c o 、水蒸气、多种低分子 碳氢化合物和少量的硫化物、氯化物、氰化物，此外还有流动和扩散过程中卷吸 的空气、多种微小的固体颗粒和液滴。作为燃烧产物的烟气一般具有较高的温度， 会对乘客造成伤害。烟气中含有的颗粒物具有很强的遮光性，可大大降低空气的 能见度，给乘客的疏散以及消防人员的进入造成困难。更为严重的是，烟气中所 含有的多种有毒成份，会直接威胁人员的生命。有调查表明，在火灾中8 5 以上的 死亡者是由于烟气影响造成的，其中约有一半是c o 中毒引起的，另外一半则是由 直接烧伤、爆炸压力创伤以及吸入其它有毒气体引起的。因此，在地铁发生火灾 后及时地排除烟气，保障人员疏散通道的安全是非常重要的，而了解烟气在狭长、 相对封闭的地铁空间内的运动特性是合理设置排烟系统的基础。 随着中国地铁的高速发展和地铁乘客数量呈几何级数递增，发生火灾的机率 大大提高，地铁火灾已经成为威胁公共安全的主要问题之一。因此深入研究地铁 空间内烟气的生成和流动规律，并据此有针对地加以控制是研究地铁火灾的重要 内容之一。 地铁空间的环境控制对于保证地铁系统的正常运行、乘客的舒适及安全具有 非常重要的意义，火灾属于紧急情况下的环境控制。开展地铁空间空气环境与烟 气控制方面的研究，不仅能够从理论上探析地铁空间内各种热、湿及污染物源交 互作用的特点，了解动量、能量和湿度等物理场的分布规律，而且能够为环控及 排烟系统的设计提供理论指导，具有明确的科学意义和工程应用价值。因此各国 都采取了相应的地铁环控技术措施，其中所涉及到的科学问题也一直受到各国学 者关注，在这方面开展了诸多研究工作n 1 】- 矧。 1 2 地铁空间空气环境与烟气控制的研究进展 1 2 1 主要研究方法及数值方法的特点嘲一嘲 地铁空间内的空气与烟气流动是特殊受限建筑空间内的流体运动传热以及流 体与固体之间相互耦合作用的问题，目前主要的研究方法有理论分析、实验研究 和数值计算三种。 6 理论分析方法首先需要对实际问题进行简化后以方程的形式建立模型，然后 在一定的假设和条件下通过推导和运算求出问题的解析解或简化解，从而得到问 题的规律性的结果和变化趋势。但是绝大多数实际问题的控制方程是非线性的， 得到解析解的可能性微乎其微，因此理论分析的方法更多时候是用于对问题进行 定性地分析。 实验研究方法是通过实际测量各种参数并对测量结果进行分析后得到问题的 规律，由于具有可靠和直观的特点，长期以来一直是流体力学、传热学、火灾科 学等学科的主要研究方法。实验方法包括全尺度模型或现场实验和缩尺模型实验， 当所研究的问题涉及较大的流体域时，前者的组织和实施工作量巨大，成本昂贵， 受多种干扰因素的影响显著，因此难以得到整个空间场内各点参数的变化情况进 而深入探究其科学本质，也不能全面预测实际工程中可能出现的各种情况；后者 与前者相比成本大大降低，但也同样受到各种实验手段和时间的限制，难以对所 有实际工程中可能遇到的情况逐一进行实验并很快得到准确的结果。 理论分析和实验研究方法作为近代物理和化学研究的经典方法，贯穿了整个 流体力学和传热学的发展过程。而数值计算方法与其相比则是一个年轻的方法， 是在上个世纪6 0 年代才逐渐形成，7 0 年代末才迅速发展起来并真正成为一门独立 的学科。数值计算方法是在电子计算机上求解流体运动和传热的基本方程，从而 获得各种条件下流体状态参数的数据和图像，因此数值计算方法的物质基础是计 算机技术的发展。在短短3 0 年中，数值流体和传热学取得了令人瞩目的成就，在 基础研究方面，许多新的物理现象是先由数值计算的结果发现后被实验所证实的， 例如亚音速斜坡绕流中的分离现象、倒马蹄涡等。而在航天、航空、气象、船舶、 汽车、机械、建筑、化工等领域，数值计算的应用潜力和价值也日益体现出来。 从上个世纪九十年代开始，随着计算硬件、网格技术、计算方法以及后处理 技术的高速发展，采用准确可靠的数值模拟方法研究建筑空间空气环境为众多学 者所接受。与实验研究相比，数值计算具有成本低、速度快、得到资料完备等优 点汹l 嘲，在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低 好几个数量级。计算机模拟的速度随着软、硬件水平的提高而持续增长。数值计 算能够提供在整个计算域内所有的相关变量( 如速度、压力、温度、浓度、湍流强 度等) 的值，因此可以对流场进行精细和定量的描述并具有对所有变量在任何时刻 进行流场重现的能力。计算机还可以很方便地模拟很大或很小尺寸的物体、很低 或很高的温度、有毒或易燃的物体，在研究某种现象时，还可以消除所有无关的 因素而把注意力集中在几个基本的参数上而设法。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，基于现有流 动理论的商用c f d 软件越来越多地应用于科学研究，这使研究人员从编制繁杂、重 7 复性的程序中解放出来，有更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、 问题的提法、边界( 初值) 条件和计算结果的合理解释等重要方面。 一般成熟的商用c f d 软件都包含了前处理、计算和生成数据结果以及后处理三 部分，前处理包括建模、生成网格、设置边界条件等；计算过程是由c f d 软件的核 心解算器根据具体模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据：后处理是将生 成的结果数据以直观可视的图形形式表现出来。目前常用的商用c f d 软件有 f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 、s t a r - c d 等，各种商用c f d 软件的特点可参考文献 2 8 。 本研究采用c f x 和c f d e s i g n 两个商用软件研究了地铁空间的活塞效应和隧道 火灾烟气流动特性。c f x 的特点是采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限 体积法的守恒特性基础上，吸收了有限元法数值精确性的优点。软件使用全隐式 多网格耦合求解技术，克服了传统算法需要“假设压力项一求解一修正压力项 的反复迭代过程，能够同时求解动量方程和连续性方程，这使得c f x 的计算速度 更快、稳定性更好。此# f c f x 提供了表达式语言( g e l ) 和用户子程序等用户接口 程序，允许用户加入自己的特殊物理模型啪3 。c f d e s