关于地铁隧道内地铁车厢火灾烟气蔓延数值模拟研究

关于地铁隧道内地铁车厢火灾烟气蔓延
数值模拟研究
摘要：地铁隧道一旦出现火灾，在狭长受限空间驱动下极易造成烟气大范围
蔓延，导致出现人员伤亡事件，势必迅速成为公众舆论的焦点，也会影响到地铁
企业的品牌，也会危及社会公众的生命安全。

本文主要研究不同火源功率下下地
铁隧道地铁车厢火灾烟气流动特性、能见度、温度分布、CO浓度等特征参数演化
规律，并提出了一些相应的应对措施。

关键词：地铁隧道、火灾、地铁车厢、应对措施
1 引言
1.1 研究背景
近年来，我国已经进入地铁建设的高峰期。

地铁作为大客流、方便快捷的运
输载体为城市交通做出重大贡献。

同时，由于地铁属于人员密集场所，尤其在地
下区间运行的列车内，人员更加密集、空间更为封闭，一旦发生火灾事故，如果
不能及时控制、迅速排出烟气，必然会对乘客的安全疏散构成严重威胁，消防人
员无法迅速进行火灾扑救，极易造成重大的人员伤亡和财产损失。

1.2 地铁隧道火灾危险性分析
地铁隧道内火灾对人员的危害主要来自烟气的高温特性、遮光性以及有害气
体毒性，另外一个就是隧道内人员逃生困难，这是造成此类隧道火灾伤亡大、救
援困难的主要原因，接下来从火灾烟气、人员疏散、救援困难等方面进行分析：（1）烟气的危害性
地铁隧道是典型的半封闭空间，在其中发生的火灾多为不完全燃烧，燃烧产
生大量的烟雾和有毒气体CO等。

同时由于很难进行自然排烟，热量不容易散发，
烟气在高温产生的浮力和机械通风的作用下，会沿隧道纵向迅速蔓延。

公认的判
定准则为，若隧道内某处2m高度处的气体温度超过180o C，或能见度小于30m，
则认为该位置已经达到了危险状态。

（2）人员疏散困难
地铁站内人员非常密集，在火灾时要实现如此多人员的安全疏散是一件极其
困难的事。

地铁站为狭长型结构，并且隧道内只有一侧有一道1.2m疏散平台，
人员在疏散时需要移动较长的水平距离，火灾情况下人员容易出现拥挤踩踏事件等，并且地铁站均位于地下。

（3）扑救难度大
由于隧道出入口少，内部能见度低、障碍物多，能深入火场内部的消防人员
有限；另一方面，隧道内壁经长时间的烘烤，辐射出大量的热量，消防人员将面
临高温考验；加之隧道发生火灾后，当隧道控制中心因断电不能正常运行时，消
防队员不能从外部直接观察起火点的燃烧情况，这些都大大的增加了扑救难度。

1.3 研究内容与方法
（1）研究内容
开展不同火源功率下的地铁隧道车厢火灾烟气流动数值模拟研究。

通过数值
模拟方法，在改变火源功率前提下，获得地铁隧道车厢火灾蔓延特性等关键技术
参数。

研究不同火源功率下，地铁隧道内烟气温度、能见度、CO浓度等特征参数
分布，进而为相关防护措施提供一定程度的参考。

（2）研究方法
主要采用数值模拟方法对地铁车厢在隧道内着火后的烟气流动规律开展研究。

具体表现为，车厢、隧道几何尺度不变情况下，改变火源功率，对地铁隧道内及
车厢周围的火灾情况进行分析。

1
2 不同火源功率下地铁隧道内地铁车厢火灾烟气蔓延数值模拟
2.1 物理模型介绍
（1）模型几何形状概况
数值模拟中CFD计算机模拟主要采用的是FDS 5.5（Fire Dynamic Simulator）软件。

目前该软件的准确性及实用性已经被人们广泛认可，因此本
工作中使用FDS对火灾中地铁隧道内流场进行模拟计算。

建模过程如下图2所示。

隧道长200m，截面为圆形，内径5.4m。

标准地铁车厢位于隧道中央位置，车厢
长24.5m宽3.0m、高2.4m。

车门尺寸为1.3m*1.8m，车窗为1.25m*0.7m，具体
如图1所示。

（a）车厢模型（b）隧道横
截面图
图1 计算的物理模型示意图
（2）模型测点布置
根据所需物理量的类型，模型中布置有温度（temperature)、能见度(visibility)、CO浓度 (carbon monoxide)和速度 (velocity)的测量切片，切
片位于隧道和车厢纵向轴线位置。

此外，还在隧道顶部下方10cm处（间距为
1.0m）、以及车厢顶部下方10cm处设置热电偶测点（间距为0.5m）。

此外，还
对典型位置（例如隧道内2.0m高度处）的能见度、CO浓度等数据进行了测量。

图2模型测点布置示意图
2.2 数值模拟设置
（1）模型网格设计
经NIST试验验证，当网格尺寸d取值介于[D*/16，D*/4]之间时模拟结果与试验结果非常吻合。

其中D*为火灾的特征直径，通常表示为：
式中D* 为火灾特征直径；Q为总热释放率（KW）；为环境空气密度
(kg/m3 )，此处取1.204kg/m3；为环境空气比热(kJ/kg. K )，此处取
1.005kg/m3；为环境空气温度(K)，此处为293K（20℃）；g为重力加速度(m/s2)，此处取9.81m/s2；通过计算可知，对于10.5MW的火源，D*=
2.45，则可知在本项目中，利用FDS进行数值模拟计算时，网格大小介于0.15m-0.62m之间时，数值模拟计算的结果与真实情况比较接近，可靠性较高，因此最终为了兼顾计算机运行能力，选择了0.5m*0.5m*0.5m的网格处理，同理确定了另外两种火源工况9.0MW和7.5MW工况的数值网格0.4m*0.4m*0.4m和0.3m*0.3m*0.3m。

表1数值模拟采用的网格尺寸
火源功率X轴(m)Y轴(m)Z轴(m)
10.5MW0.50.50.5
9.0MW0.40.40.4 7.5MW0.30.30.3（2）火源设计
表2给出了部分标准对不同火灾荷载的推荐值。

表2 部分国家及组织推荐的隧道火灾荷载
标准
NFPA50
2-2004
NFPA5
02-2008
BD78
/99
C
ETU
P
IARC
小汽车55-105-
2
.5
公
共汽车2020-3020-
2
小货车--15
1
5
1
5
重
型货车20-30
70-
200
30-
100
3
2
0-30
油罐车100
200-
300
-
2
00
-
根据地铁隧道相关设计规范，一般而言火源功率认为7.5-10.5MW是较为接
近实际的，因此本文中火源功率范围在此范围内，分别为7.5MW、9.0MW、10.5MW。

2.3 模型工况设计
本工作中主要关注不同火源功率下的地铁隧道车厢火灾烟气蔓延过程，根据
规范选择了3种火源功率。

数值模型中，火源功率增长模型选择了学术研究中常
用的t2，默认设置为超快增长类型，三种火源功率达到稳定功率所需要的时间分
别为200s、219s、236s，火源尺寸为2m*0.5m，位于车厢中央地板上方0.5m高
度处。

综合考虑计算机算力后，总模拟时间设置为400s，在50s时靠近火源的4
个窗子打开，100s时其余窗子打开，车厢的门一直处于打开状态。

具体设置工况
如下：
表3 工况设置汇总表
工
火源功率环境参数
况编号
C17.5MW
标准大气压、环境温
C29.0MW
度20o C、湿度为50%
C410.5MW
1
3 数值模拟结果分析
3.1 地铁隧道车厢火灾烟气蔓延过程
图3给出了不同火源功率下典型时刻隧道内车厢火灾火焰和烟气发展过程。

（a）7.5MW
（b）9.0MW
（c）10.5MW
图3 工况C1~C3火焰和烟气蔓延图
从图4中可以看出，烟气在蔓延过程中整体呈现出对称趋势。

火焰和烟气率先在车厢内蔓延和发展，在200s左右火焰已经完全蔓延在车厢内。

在模拟中，50s和100s分别打开了车辆窗子，更多的空气被卷吸进入车厢支持燃烧，烟气蔓延速度加快。

150s左右时，火焰从靠近火源的窗子溢出，形成车厢火焰溢流。

250s左右烟气层已经下降到隧道截面的一半左右。

此外，比较火源功率的影响，可以发现随着火源功率的增大（7.5MW增大到10.5MW），车厢内火焰发展更为明显，火焰面积更大。

从视觉上估算，更大的火源功率，可以提供更大的烟气蔓延动力，烟气在大火源工况中蔓延速度更快。

3.2 温度分布对比分析
隧道火灾事故中，烟气对人员造成危害主要体现在3个方面：高温、遮光和
毒气。

在接下来的分析中将分别从烟气温度、能见度、CO浓度3个方面展开。

图
4给出了典型工况（C2：9.0MW）火灾烟气温度发展过程。

可以看出，火灾烟气高
温区域在燃烧初期主要集中在车厢内部。

50s时由于打开了靠近火源附近的窗子，车厢内部的燃烧加强，内部温度升高。

100s左右时，其余窗子进一步打开，更多
的新鲜空气卷吸入车厢内部，火源燃烧强度更为剧烈，产生更多的高温烟气，此
时可以看到在车厢内部已经集聚了一定量的热烟气。

200s左右时，车厢溢出的高
温烟气已经在隧道顶棚下方大量集聚，逐渐出现了更多的高温区域。

此后，在
250-400s燃烧逐渐稳定，车厢内部的高温烟气进一步溢出至隧道空间，隧道顶棚
附近区域存在较大面积的高温区域，这对于隧道结构可能造成一定程度的热损伤。

图4工况C2-9.0MW火灾烟气温度发展图
图5给出了火灾稳定阶段车厢顶棚和隧道顶棚烟气温度分布，由于整体上空
间是对称的，因此仅给出了单侧的温度分布。

可以看出，不同火源功率工况中车
厢内的温度变化趋势是类似，更多的温度衰减出现在近火源区域，而在车窗位置处，温度曲线出现一定的波动，这主要是新鲜冷空气卷吸入车厢内，短暂的使测
点附近的温度出现波动，随后由于新鲜空气的涌入，促进了燃烧，测点附近的温
度短暂上升，但是整体仍然保持是下降衰减趋势。

车厢内部顶棚位置的最大火灾
温度接近900-950o C左右，最大烟气温度随着火源功率的增大而增大，但是可以
看出增长幅度是不大的。

这主要是因为在火源功率较大工况，火焰羽流撞击车厢
顶棚后，形成了强羽流射流火焰，换言之顶棚下方附近是处于连续火焰区的，因
此最大温度均是接近于火焰表面的温度，因此增长幅度不大。

从图5（b）可以看出，隧道顶棚空间的测点温度相对而言是低于车厢内部的，最大烟气温度在500-600o C之间，该最大烟气温度主要是由于车厢内部从门窗洞口溢出的火焰和热烟
气所形成的。

最大隧道顶棚烟气温度随着车厢内火源功率的增大而增大。

不同火
源工况下的纵向温度衰减趋势也是类似的，在车厢附近隧道顶棚烟气温度衰减的
非常明显，而远离车厢火源趋势，烟气温度的衰减主要是与隧道壁面换热以及冷空气的卷吸，因此衰减速率是相对平缓的。

如果将隧道顶棚温度达到180o C判定为火灾危险状态，那么此情形下，200m长隧道内纵向66m范围内已经处于危险区域。

（a）车厢顶
棚（b）隧道顶棚图5 不同火源工况下隧道和车厢空间内烟气温度分布图
3.3 能见度分析
隧道火灾事故中，能见度对人员疏散造成的危害主要体现在两个方面：一是疏散速度下降；二是低的能见度有视线遮蔽及刺激效应，会造成人员惊慌，从而扰乱疏散秩序。

其中能见度在隧道火灾事故中的危险条件按以下情况确定，即在隧道内某处2m高度的能见度低于30m，认为已经达到火灾危险状态。

图6给出了典型工况（C2：9.0MW）火灾过程中能见度变化图，可以看出，在50s之前，由于车厢窗子未打开，以及燃烧处于极早期阶段，燃烧程度非常微弱，此时尽管车门是开启状态，但是似乎并没有烟气从车厢溢出。

但是在车厢内部，能见度云图显示烟气层已经下降到车厢净高度的2/3了，这显然已经火灾危险的状态，但是考虑到发生时，车厢内部的乘客必然首先疏散，除非是地铁早高峰或晚高峰大客流情况下，一般情况下存在滞留受困人员的可能性不大，因此我们更关注整个隧道空间内部的能见度情况，这对于隧道内部的人员疏散过程更有意义和价值。

图6 工况C2-9.0MW 火灾过程中能见度变化图
此外，从图6中还可以发现，在100-150s左右，车厢内部的大量烟气从车厢门窗口溢出，并在隧道顶部集聚大量遮光性烟气，导致隧道上部空间的能见度快速下降。

在200s左右，车厢门窗洞口的能见度进一步下降，接近0-3m （紫色区域），这意味着车厢内部集聚了大量烟气。

在300-400s左右时，这个隧道纵向空间内能见度进一步下降，隧道中部区域能见度非常低，显著低于火灾风险的认定标准，靠近隧道端口位置处的能见度也已经下降明显，接近隧道截面高度3/4的位置，能见度不足12m，这对于人员疏散时较为危险的。

图7 不同火源工况下典型位置（2.0m高度处）能见度情况
图7给出了不同火源工况下典型位置2.0m高度处的能见度情况。

可以看出在整个车厢火灾发展过程中，2.0m高度处的能见度初期很小，这主要是因为测点处于车厢内部，烟气浓度高，因此能见度很低。

而当测点位于车厢外侧时，由于烟气主要集中在上部空间，因此能见陡然增大，除了10.5MW火源外，其余两个工况能见度达到30m以上，这被认为是相对安全的。

随后热烟气层沿着隧道纵向蔓延传播，逐渐在与隧道壁面换热过程中，温度下降，热浮力驱动力衰减，烟气层逐渐沉降，因此随着距离的增加，能见度逐渐降低，大部分区域的能见度数据低于安全判据。

而后，随着继续蔓延，接近隧道端口位置，由于外界环境风卷吸进入隧道内部，此时端口附近的能见度逐渐上升。

3.4 CO浓度对比分析
隧道内烟气中通常会含有不完全燃烧产生的一氧化碳，一氧化碳被人吸入后
和血液中的血红蛋白结合成为一氧化碳血红蛋白。

当一氧化碳和血液50%以上的
血红蛋白结合时，便能造成脑和中枢神经严重缺氧，继而失去知觉，甚至死亡。

图8给出了典型工况（C2：9.0MW）火灾过程中CO浓度变化图。

可以看出，
在100s之前时，除了车厢内部，整个隧道空间内的一氧化碳浓度是相对较低的。

在100s-150s左右，可以看到有明显的一氧化碳气体从车厢溢出，集聚在隧道顶
棚区域，蔓延范围在120m左右。

随后，随着燃烧时间的进一步推移，隧道纵向
空间内一氧化碳蔓延范围逐渐扩散，靠近车厢火源区域浓度较高，远离火源区域
的一氧化碳浓度逐渐降低。

在隧道端口附近，一氧化碳浓度不超过75ppm，但是
其扩散范围是相对大的，纵向截面方向上，已经波及到2/3高度附近。

图8
工况C2-9.0MW 火灾过程中CO浓度变化图
图9给出了不同火源情况下典型位置2.0m高度处CO浓度数据变化情况。

可
以看出主要的CO气体集中在车厢空间附近，这与火源处于车厢内部有关系。

由
于火源功率较大，车厢内部初期窗子是关闭的（分别在50s和100s开启），这
使得初期的燃烧处于通风控制，燃烧程度并不完全，从而产生了大量的CO气体，而在5m左右位置处出现了浓度突然下降，这主要是归因于此测点位置非常接近
于窗口，此时新鲜空气从窗口涌入，稀释了局部位置CO气体的浓度。

而在远离
车厢附近后，隧道内2.0m高度处纵向CO气体浓度相对很低，主要的CO气体应
该随热烟气一起集中在隧道顶部空间，因此2.0m位置处的CO气体浓度是相对较
低的。

图9不同火源工况下典型位置（2.0m高度处）CO浓度情况
1
4 主要结论
本工作采用数值模拟的方式，从烟气蔓延特性、烟气温度、能见度、CO浓度
等方面入手，对不同火源功率下地铁隧道车厢火灾烟气流动蔓延特性展开研究，
主要结论如下：
（1）从烟气温度来看，在所有工况中，车厢火源处的温度明显高于其他位置，距离火源越远的位置温度逐渐越低，其远火源区域衰减速率并不明显，主要
的衰减出现的相对近火源区域，这和热烟气的蔓延流动特征有关。

车厢顶棚烟气
温度明显大于隧道顶棚烟气温度，车厢顶部最大烟气温度在900-950o C范围内，
隧道顶棚最大烟气温度在500-600o C左右，当达到150s时隧道地铁车厢温度已经达到200o C，人员无法忍受的温度，如果人员此时还无法撤离车厢，人员将处于
危险地方。

（2）所有工况中，2.0m位置处能见度数据先期很低（在车厢内部），随后
陡然增大（车厢外侧，烟气集中在上方），随后伴随着烟气层逐渐下降，能见度
数据逐渐下降，在洞口位置由于受到外界环境卷吸影响，能见度出现升高情况。

隧道内部低能见度区域的面积随着火源功率的增大而增大，。

（3）从一氧化碳浓度来看，150s左右时开始从车厢明显溢出至隧道空间内。

隧道洞口附近一氧化碳气体层界面出现波动，这和烟气层冷却沉降特性有关。

隧
道空间内最大一氧化碳浓度值和扩散波及范围随着火源功率的增大而明显的增大，
这意味着更大的火灾风险性。

2.0m高度处CO主要集中在车厢内部，其余隧道空间内相对较小。

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