福建工程學院    林凌敏，吳婧

       【摘  要】根據福州市地鐵四號線構建了一個地鐵隧道區間模型，利用FLUENT模擬車頭電氣火災的應急事件。分析了火災產生的高溫、有毒CO煙氣在兩種阻塞比條件下的分布情況及對疏散人群的影響。模擬結果表明，縱向通風能在疏散走道范圍控制高溫煙氣蔓延，有利于人員疏散。高阻塞比條件下對流換熱增強，降溫快，建議設置離軌面高度較低的疏散走道以獲取更大的安全空間。針對縱向通風條件只能創造單一安全區域的特點，給出了疏散方案分析及建議。

       【關鍵詞】地鐵區間；隧道火災；阻塞比；縱向通風；疏散策略；CFD模擬；

1 研究背景

       如今，大多數隧道采用縱向通風系統。縱向通風系統不需要額外的空間用于布置通風風管，占據隧道空間小，系統造價便宜，所以被廣泛應用^[1]。縱向通風的作用原理即在隧道內產生一個縱向的氣流，將火災產生的煙氣吹向下游，在火災上游形成一個無煙區域，保證了隧道使用者的安全。縱向通風的風速在大等于臨界風速時能夠有效地抑制煙氣逆流，Oka和Atkinson通過實驗得出以通風引入的空氣溫度、隧道高度、熱釋放率等變量的無量綱臨界風速數學表達式。^[25]

       地鐵隧道內發生火災時，常用的疏散策略是將列車停靠在地鐵站點，便于人員從站臺疏散^[5,6]。根據過去的研究^[7,8,9]，在約50%的火災案情中，列車沒有行進至指定站點，而是停在站與站之間的區間隧道內。學者引入阻塞比來描述火災發生時列車占據隧道的情況，并且已經證實了阻塞比對臨界速度、煙氣逆流長度的顯著影響。Gannouni^[2]利用FDS模擬，研究了阻塞比為0.31時，隧道內阻擋物不同擺放位置對于臨界通風風速大小的影響。臨界通風風速較沒有阻擋物時減小，且臨界風速隨著阻擋物離地間距的增長而略微減小。Zhang^[3]進行了地鐵隧道火災縮尺模型的實驗。由于列車的阻擋(阻塞比0.52)，存在截面積變化的區域風速增加，慣性力與熱傳遞加劇，煙氣逆流長度縮短。Zhang依據實驗數據推導了含阻塞比，列車長度等變量的無量綱煙氣逆流長度計算公式。

       學者希望通過研究火災煙氣運動的規律與控制煙氣傳播的方法，來最小化煙氣帶來的傷害。高溫煙氣帶來的傷害可以是間接的，Wetzig的研究^[18]表明，溫度高于400℃時，混凝土中的氫氧化鈣將會產生水蒸氣，這將加速混凝土剝落過程，并降低混凝土的強度。壁面材料受熱脫落，甚至整體結構坍塌，可能對隧道內的撤離人員與救災人員造成傷害^[1,17]。學者通過研究貼近頂板的煙氣最高溫的出現位置，溫度變化趨勢等能夠直接預判隧道結構受損的可能性^[19]。

       火災產生的煙氣也可以直接傷害人體，其中，高溫煙氣通過三種形式危害人體:導致人體體溫過高，灼傷人體表皮，灼傷呼吸道^[4]。此外，煙氣含有的CO氣體可迅速擴散穿過肺泡膜，并在紅細胞中與血紅蛋白結合，導致血液攜氧能力降低[25]。以往的火災模擬實驗^[1]，探測點布置在隧道頂棚附近及火災上下游位置，不處于疏散走道附近，并不能直接表明高溫有毒煙氣對于疏散人員的傷害情況，通風對于威脅隧道使用人群的高溫及CO氣體的抑制效果也未得到研究。

       本文嘗試將阻塞比等因素考慮在內，借助CFD軟件，模擬縱向通風條件下的地鐵隧道中發生火災后的煙氣運動規律，重點分析位于疏散人員走道位置的溫度及CO濃度分布情況，評估通風的有效性，為將來的地鐵設計及地鐵火災應對策略提供參考。

2 實驗方法

       2.1 隧道模型

       根據福州地鐵四號線實際工程設置隧道模型，設定隧道區間內停有6節編組列車，單節車廂的長寬高為19×2.8×3.8m，為城市大中型地鐵線路常用的B型車廂尺寸。選取的隧道區間為盾構型直管段，長153m，隧道建筑限界直徑6.2m，對應的阻塞比，為本文的低阻塞比實驗組。根據地鐵限界標準 CJJ/T96-2018^[22]，區間圓形隧道建筑限界直徑普通道床地段最小應為5.2m，對應的阻塞比，作為高阻塞比實驗組。

       2.2 模擬火源

       模擬火源用體積熱源代替。根據UPTUN^[23,24]的研究，現行標準下的地鐵車廂由于使用較多不燃材料，車廂著火情況下的放熱率在10~50MW之間。但為了考慮火災最不利情況下對于隧道使用人員的影響，UPTUN提議忽略火災發展階段的過程，火源保持最大放熱率值。針對車頭電氣火災，UPTUN建議使用10MW的恒定放熱率數值。

       48%的列車火災是由機械或電器故障引發的，而電子設備與剎車系統多位于列車下部^[8,9]，故將模擬火源設定在列車下部。為了模擬車頭部位發生電器火災，將模擬火源設定在車廂前端^[2,3]。為便于研究煙氣逆流長度，將火源中心位置設為坐標原點。隧道內縱向通風由車尾部火災上游區域送入，吹向車頭下游發生火災區域，如圖1所示。

圖1 模型示意圖

       Ingason^[14]依據Runehamar隧道全尺寸燃燒實驗測量的數據，推導出燃燒產生的二氧化碳含量與放熱率關系的公式(2)。CO含量根據Vega ^[11]從EUREKA實驗數據得到的結果，在不完全燃燒的模型中，每20ppm的約含1ppm的CO。因此，火源燃燒產物邊界條件簡化為的生成率（0.87kg/s），CO含量則根據上述理論直接計量。

       2.3 模擬場景及驗證

       本次模擬利用計算流體力學軟件FLUENT進行3D計算域內的流體的質量守恒，動量守恒及能量守恒方程求解。FLUENT是被廣泛使用的CFD軟件，有不少學者利用FLUENT研究火災煙氣特性^[11,12,13]。在體積熱源邊界設置細化網格（圖2），組總網格數為294668個，組總網格數為239578個。湍流模型選擇standard k−