地铁隧道火灾纵向通风临界风速的确定

地铁隧道火灾纵向通风临界风速的确定
任神河;韩凯旋
【摘要】Taking some tunnel section in Xi'an Metro Line 2 as the research object, by using theoretical calculation and FDS software for fire simulation, finding out the relationship between fire heat release rate and critical velocity of longitudinal ventilation. According to fire heat release rate, the critical wind speed can be quickly calculated to achieve rapid rescue.%以西安地铁2号线南门到钟楼的隧道某区段为研究对象,运用理论计算和采用FDS软件进行火灾模拟仿真,找出了火源热释放率与纵向通风临界风速的关系,从而可以根据火源热释放率快速计算出临界风速,达到快速救援的目的.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2012(035)009
【总页数】3页(P132-134)
【关键词】地铁隧道;热释放率;临界风速;火灾模拟
【作者】任神河;韩凯旋
【作者单位】长安大学信息工程学院,陕西西安710064;长安大学电子与控制工程学院,陕西西安710064
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7-34
0 引言
现在乘坐地铁成为市民日常生活的常事，但是由于地铁隧道本身的特点，一旦发生火灾，如果不能及时控制高温烟气，必然会对人员的安全构成严重威胁。

为了防止事故后火灾烟气回流，为人员逃生及火灾救援提供上游安全通道，进行机械通风就显得尤为重要了。

纵向通风系统由于具有良好的烟气控制效果，广泛用于隧道火灾通风设计中。

为防止烟气逆流，隧道纵向控制风速必须大于或等于临界风速，从而可以为人员逃生及火灾救援提供上游安全通道，如果纵向控制风速小于临界风速会造成烟气逆流，不利于快速实施救援。

1 纵向通风临界风速计算
1.1 临界风速的概念
临界风速是使火灾烟气不发生倒流的控制风速。

当发生火灾时，由于着火点源源不断产生烟气，隧道顶部热烟气体积迅速扩大，向隧道区间两侧扩散，同时冷空气流从隧道下部向着火点进行补充，火源两侧有对称的循环风流[1]。

当有纵向通风时，火源两侧的烟气流不对称，如果纵向风速小于临界风速时，将产生烟气回流现象，这对于防止火灾蔓延，乘客逃生和消防人员救火是很不利的。

因此，最好使机械通风的风速大于临界风速，此时火区上方安全无烟，仅下方有烟，利于救援。

1.2 临界风速的理论计算方法
我国《公路隧道照明设计规范》(JTJ 026.1-1999)规定纵向通风的临界风速为2～3 m/s(这个是按一般隧道火灾，产生20 MW的热量控制的排烟风速的取值)，地铁隧道的热释放率一般在5～20 MW左右[2]，可以近似按照公路隧道的标准。

实际上影响临界风速的因素很多，计算时主要考虑火灾规模，隧道的几何形状，隧道
所处的自然环境等。

Heselden,Danziger,Kennedy提出临界风速可以根据Froude数和实验数据推导
的半经验公式计算得出，求解方程如下[3-5]：
式中:vC为临界速度(单位：m/s)；g为重力加速度(单位：m/s2)；H为隧道高度(单位：m)；Q为火源热释放效率(单位：W)；ρ0为周围空气密度(单位：kg/m3)；Tf为热烟流温度(单位：K)；cP为在恒压下的空气比热(单位：J/kg·K)；A为隧道
净横断面面积(单位：m2)。

1.3 在不同火源热释放率情况下临界风速值理论计算
不同火源热释放效率下的临界风速理论值见表1，其对应坐标图如图1所示。

表1 不同火源热释放效率下的临界风速理论值火源热释放率 /MW临界风速
/(m/s)2 1.7852.04102.3620 2.6030 2.83503.11
图1 理论计算临界风速值
2 地铁隧道火灾纵向临界风速数值模拟
以下将利用FDS软件对西安地铁2号线南门到钟楼的隧道某区段进行模拟分析，
简要说明隧道临界风速的模拟过程，从而确定不同火源热释放效率下纵向通风的模拟临界风速值。

2.1 软件的介绍
FDS(Fire Dynamics Simulator，火灾动态模拟)软件由美国标准与技术研究院(NIST)建筑和火灾研究实验室开发，是一个由CFD分析程序开发出来的专门用于
火灾烟气扩散的场模型软件，可以模拟三维空间内烟气的速度、温度和烟气流动情况。

2.2 物理模型与边界条件
此次计算所采用的物理模型是南门到钟楼的隧道某区间简化而来的，隧道选择水平
隧道，研究对象是烟流，虽然火灾中烟流会扩散到很远的地方，但本文主要是研究火灾上游烟流回流的情况，从而确定机械通风的风速。

在模拟时隧道长度选择
100 m，宽高都是6.4 m的圆形计算区域，火源位于50 m的位置，火源选择一
个与火源相当的热释放率为10 W,将火源模拟成具有固定面积的火源。

模拟采用全尺寸模拟。

其物理模型如图2所示。

2.3 模拟工况
模拟过程中，针对不同的火源热释放率估计相应的临界风速值进行模拟，在模拟的过程中不断调整纵向风速，增大或减少的风速值最小为0.05，烟流正好不发生回
流时的纵向风速即确定为临界风速。

下面以火源热释放率为10 MW为例进行模拟。

图2 地铁隧道模拟物理模型
火源热释放率为10 MW时，模拟结果如图3所示。

图3 不同通风速度下烟雾回流情况
根据模拟结果显示，烟雾回流距离如表2所示。

表2 热释放率10 W的烟雾回流距离纵向通风风速 /(m/s)回流距离
/m1.50302.0052.2502.300
由表2可以确定火灾热释放率为10 MW时，临界风速为2.25 m/s。

根据同样的模拟方法，得出不同火源热释放率的临界风速值见表3,其坐标图如图4所示。

表3 不同火源热释放率下纵向通风临界风速模拟值火源热释放率 /MW临界风速
/(m/s)2 1.7051.95102.25202.65302.80502.90
3 结果分析
计算值与模拟值的比较结果如图5所示。

其中理论风速计算值由Heselden Danziger,Kennedy提供的半经验公式求得。

模拟风速值运用FDS软件模拟地铁隧道火灾工况所得。

图4 模拟临界风速值
图5 模拟风速值与理论计算风速值比较
由图5可知，通过半经验公式得出的理论值会随着火源热释放率的增大而不断增大，而模拟的结果显示，临界风速值在2～20 MW的范围内会随着火源热释放率的增大而不断增大，但是当火源热释放率达到一定(大于20 MW)时，临界风速值
缓和增长，基本上保持不变。

5 结论
根据西安地铁隧道2号线南门到钟楼隧道的几何形状，隧道所处的自然环境，得
出以下结论：
(1) 当火源热释放率为2 MW时，临界风速取1.78 m/s，火源热释放率为5 MW 时，临界风速取2.04 m/s。

当火源热释放率为10 MW时，临界风速取2.36 m/s，火源热释放率为20 MW时，临界风速取2.60 m/s。

(2) 由理论计算结果与模拟结果对比可知，在2～20 MW的范围内，纵向通风的
临界风速值都随着火源热释放率的增大而增大，其增长的幅度差不多，又由于地铁隧道的一般火灾热释放率都在2～20 MW的范围内，因此可以通过半经验公式近似计算纵向通风的临界风速值。

(3) 地铁隧道一旦发生火灾，应根据火灾工况，利用经验公式计算出纵向通风的临界风速值，快速进行机械通风，从而可以快速为人员逃生及火灾救援提供上游安全通道，减少人员伤亡。

参考文献
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