纵向通风水平隧道火灾烟气流动特性研究

况， ｔ ２ 型火灾可分为４ 种发展类型： 极快、 快速、 中 速和 慢速［ ４ １ ， 见表１ 和图２ ０
表 １ 产型非稳态火灾 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｕ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｆ ｉ ｒ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ２ ｔ ｙ ｐ ｅ
定压比热， ｋ １ － （ ｋ ｇ － Ｋ ） 一 ‘ ； Ｑ ， 一火灾功率， Ｗ；
Ａ 一气流流通的环形面积， ｍ ２ ｏ 将式 （ ６ ）代人式 （ ４ ）中可得：
ｇ ＨＱＷ
一ｐ ｃ ｐ Ａ Ｔ ｆ 二 ’
（ ａ ） 无纵 向风速
（ ７ ）
Ｆ ｒ ｏ ｕ ｄ ｅ 数越小，气体浮力越小。因此，只要
ｔ ／ ｍｉ ｎ
３ 地铁隧道火灾烟气的流动特性
３ ． １ 火灾烟气的浮力效应与回流现象 浮力效应是地铁隧道火灾与露天火灾的显著区
别 （ 图３ ） 。在着火隧道区段的上部，由于热烟气 上升而形成一定厚度的热烟气流层 ， 并随火点烟气 的不断产生而迅速膨胀 ，向两侧扩充，同时下部冷 空气流 向火源，此 时火场两侧形成对称 的循环
第１ ０ 期
卢 平等： 纵向通风水平隧道火灾烟气流动特性研究
迎 ＿工 ｐ Ｔ ｆ
较小 ，不足以克服反向的上层热烟气流时将产生回
２口 、
、、 月 产
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飞）
流现象，即火源上部的烟气会逆着风向流动 （ 图 ３ ｂ ） ， 这对于防止火灾烟气蔓延 （ 炽热烟气将点燃 火源上风方向停留车辆）和消防队员的安全是很不 利的。因此，为防止火灾烟气逆流，隧道纵向通风 风速应大于临界风速 （ 图３ ｃ ） ａ 隧道发生火灾时，隧道内气流为紊流状态，气 流浮力较大， 气流的粘滞力可忽略不计，此时，可
Ｑ＝ａ ｔ ｅ （ １ ）
式 中： Ｑ一火 灾 功 率 ，ｋ Ｗ； ａ 一增 长 系 数，
ｋ Ｗ－ ｓ － ２ ； ｔ — 燃 烧时 间， 、 。 ’
火灾从稳定燃烧开始至功率达到 １ ０ ５ ５ ｋ Ｗ所
需时间 称为 增长时间ｉ ｓ ， 根据火灾发展的快慢情
中国工程科学
第６ 卷
用这种方法，可以比较客观地对各种不同规模、不 同发展趋势的火灾全过程进行模拟。根据大量的燃 料燃烧实验资料确定多种火源特性曲线， 供火灾模 拟时使用。当然，提供的火源特性曲线与实际情况 会有出入， 但此模拟的结果仍有重要的参考价值。 在火灾发生过程中，火源特性曲线的温度和烟 气浓度随时间变化有一共同特点，即开始的上升阶 段，中间的稳定阶段，其后的下降阶段。上升阶段 时间较短， 斜率较大；稳定阶段温度和烟气浓度达 到最高值，稳定的时间依可燃物的数量及火势大小
［ Ｉ ＆ ｊ ％ ｐＭ］ ２ ０ ０ ４ 一 ０ １ 一１ ２
火灾 大 小用 火 灾面 积 和 放 热 量 来 表 示。
２ ． １ 火源特性 在火灾通风模拟时，目前确定火源参数的方法 是采用火灾发展特性曲线，即根据相似条件下发生 的火灾事故 ，进行火灾模拟试验 ，确定火源温度。
【 苍金项目」 国 家自 然科学基金专项基金资助项目 （ ５ ０ ３ ２ ３ ０ ０ ５ ） 〔 作者简介ｌ 卢平 （ １ ９ ６ ６ 一） ，安徽庐江县人，中国科学技术大学博士后
来 表 征 其 运 动 状 态 困。
脚
ｍ ｃ ｐ Ｔ＋Ｑ Ｗ＝ ＭＣ Ｐ Ｔ ｆ
Ｑｗ
ｍｅ ｎ
（ ５ ）
Ｆ ｒ ＝ ｇ Ｈ （ ｐ ２ ｐ ｆ ） （ ２ ） Ｔ ＝ Ｔｆ 一
式中： ｐ ｒ － 正常状态和火灾状态下气流的密度， ｐ、
〔 关键词〕 地 铁隧 道； 火 灾 烟 气； 浮 力 效 应； 热 阻 效 应； 临 界 风 速 ［ 中图分类号］ Ｔ Ｕ ９ ８ ８ ． １ ２ ［ 文献标识码」 Ａ ［ 文章编号〕 １ ０ ０ ９ － １ ７ ４ ２ （ ２ ０ ０ ４ ） １ ０ － ０ ０ ５ ９ － ０ ６
１ 前言
ｔ ／ ｍｉ ｎ
ｎ户 ｎ Ｕ Ｏ
三４ ０ ０ ０
ａ ３ ０ ０ ０
２ ０ ０ ０ １ ０ ０ ０
０ ０ １ ０ ０
慢速
５ ０ ０ ６ ０ ０ ７ ０ ０ ８ ０ ０
Ｕ 。 、 Ｊ
２ 地铁 隧道火灾工况
火灾的大小对地铁隧道烟气流动有重要的影 响。在设计烟控系统时，必须首先确定火灾大小。
受伤， ２ ８ ９ 人失踪， 成为震惊世界的重大火灾事 故［ ［ ２ ） 。因此， 如何有效地控制隧道内火灾烟气流
向， 迅速排除烟气，以保证乘客安全疏散和消防人 员的安全，是地铁通风设计和火灾事故处理中必须 解决的问题。 随着我国国民经济的飞速发展 ，都市地下交通 发展迅速。据北京市 “ 十五”时期城市基础设施建
２ ０ ０ ４年
１ ０月 第６ 卷第 １ ０ 期 学术论文
中国工程科学
Ｓ ｃ ｉ
Ｏｃ ｔ ． ２ ０ ０ ４ Ｖｏ ｌ ． ６ Ｎｏ ． １ ０
纵向通风水平隧道火灾烟气流动特性研究
卢 平， 丛北华， 廖光煊， 范维澄， 厉培德
（ 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 ２ ３ ０ ０ ２ ６ ）
极快 中速
２ ． ２ 火灾模型 火灾模型可以是稳态或非稳态的。放热量随时 间变化的火灾即为非稳态火灾。防火工程师常用
ｔ ２ 型火灾来近似非稳态火灾，其强度可用式 （ １ ）
计算式 ：
罗￣ 兮
ｎ Ｕ ｎ Ｕ Ｏ
，｝ ０ ０ 八
１ ． １ 目．．１
ｎ Ｕ
１ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ ７ ０
ｋ 二 Ｆ ｒ ｙ － １ 气ｋ ｇ － 坡 度 校 正 系 数。
３ ． ２ 火灾烟气流动的热阻效应 地铁隧道要求风速大于 ２ ｍ ／ ｓ ，因而空气的流 动状态处于紊流状态， 隧道火灾烟气流动符合阻力 平方定律。在火灾烟流流经的隧道中，由于风流温 度的升高和燃烧生成物的加人，热烟气体积膨胀使 隧道中通风阻力增加的现象，称为热阻效应。由通
的关系可表示为：
２ 仑 月Ｑ－ 八１ ／ ３ ＇ Ｕ ， ． ＝ ｋ・ ｋ ・！ 上 一． ＇ 公 于 Ｉ （ ８ ） ” ＼ 样卢 ｉ ｆ ／
（ ｂ ） 较小的纵向风产生回流
式中：Ｖ Ｃ 一入风的临界风速，ｍ ． ８ － １ ； ｋ 一系数，
６００ 姗 ２００ 。
图２ 产型火灾关系曲 线 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ２ ｔ ｙ ｐ ｅ ｆ ｉ ｒ ｅ Ｉ Ｃ Ｂ Ｏ所采用的 方法（ ５ １ ０
１ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ ７ ０
ｋ ｇ ・ ｓ
一 ３ 。
，
＿
月一隧道高度，Ｍ；９ 一重 力加 速度，
ｉｆ＝ 一 一 一 下 下 不 ＋ １
Ｑｗ
＿
９ｏ ｖ
（ ６ ）
． ｓ 一 ２ ； ｖ －隧道人风流流速， ｍ． ｓ 一 １ ０
式中： ｍ 一 通 风 气 流 质 量 流 量， ｋ ｇ － 、 一 ‘ ； ， 一 空 气
Ｆ ｒ 一 － ９ ｖ Ｈ ２ （ ‘ 一 劲
式中：Ｔ ， Ｔ ｆ 一正常状态和火灾状态下气流的平均
温度 （ Ｋ） 。 假设火灾产生的烟气量与隧道风的流量相比可 忽略不计， 并不计气流与隧道壁面的热交换， 则由 能量守恒定律可知：
２ ‘、
、 、刀尹
４
采 用气流的 浮力和 输运力的比 值， 即Ｆ ｒ ｏ ｕ ｄ ｅ 数Ｆ ｒ
问 题。 据统计〔 ‘ 〕 ， 隧道火灾频率约２ 次／ ／ １ ０ ８ ・ 车・
ｋ ｍ ． １ ９ ９ ５ 年１ ０ 月２ ８日 夜，阿塞拜疆首都巴库地 铁由于电动机车电路故障发生一起恶性地铁火灾惨
剧。由于地铁车厢大部分材料采用易燃物质，火势 异常猛烈，有毒烟雾弥漫，地铁司机也没有按照常 规要求千方百计将列车开出去，然后再采取救援措
风流 。
图 １ 隧道火灾实验燃烧曲线 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ
ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｆ ｉ ｒ ｅ
图 ３ ａ 是隧道内无纵向风流的情况。当有纵向 通风时，火点两侧的烟气流不对称，如纵向风速 ｖ
为烟气折算浓度 二 （ Ｃ ｑ 和Ｃ Ｏ之和） ， 下部的纵
坐标为火源温度 Ｔ ｏ
２ ５
２ ０
』 勺
放热量为常数的火灾定义为稳态火灾， 虽然火 灾本质上是非稳态的过程，但稳态火灾是非常有用 的理想模型。在很多应用中， 采用稳态火灾将使设 计方法更简单， 结果更安全。在缺乏放热量设计资 料的情况下，可以假定火灾为稳态过程，这将使设 计的系统更加可靠。这也正是典型规范 Ｂ Ｏ Ｃ Ａ和
施， 却把列车停在了隧道内， 被困乘客纷纷打碎车 窗玻璃夺路而逃， 在浓烟中乱成一团， 大火直到第 二天凌晨才被扑灭。这场火灾造成 ５ ５ ８人死亡， ２ ６ ９ 人受伤。据调查， 死亡的 ５ ５ ８ 名乘客中大多数 不是被烧死， 而是窒息而死。２ ０ ０ ３ 年２ 月１ ８日 韩 国 大邱市地铁发生的火灾造成 １ ９ ８ 人死亡，１ ４ ６ 人
在地铁营建与运营中，地铁火灾是不容忽视的
设与发展规划［ ３ ［ ， 到２ ０ ０ ５ 年， 地铁运营线路将达
到１ ３ ８ ｋ ｍ，比２ ０ ０ ０ 年增加 ８ ５ ｋ ｍ。地铁线网覆盖 率达到 １ ３ ％，客运量达到 ７ ． ６ ４ 亿人次，地铁在城 市客运中所占的比例达到 １ ０％以上。地铁交通事 业快速发展给地铁火灾防范提出了更严格的要求， 而我国地铁消防工程起步较晚，防排烟工程则更 晚 ，地铁火灾烟气控制方案还不成熟。随着火灾科 学和计算机技术的飞速发展， 使人们能够对地铁火 灾过程进行模拟和分析， 运用消防工程学的原理和 方法进行地铁防火设计和火灾烟气控制。因此， 必 须加强地铁系统火灾安全工程的研究，为确保地铁 安全运营和火灾烟气控制提供理论依据和技术支 撑。
类型
而定； 下降阶 段， 时间较长， 斜率较小。图１ 为煤 科总院重庆分院在模拟平恫内做的燃烧实验曲 线［ ］。 ’ 燃烧实验以 １ ０ ０ ０ ｋ ｇ 木柴和２ ０ ４掩 皮带 （ 长２ ４ ｍ ）为燃烧物， 燃烧开始前巷道风速为 １ ． ７ ３
ｍ／ ｓ ，用以模拟隧道内的火灾。图 １ 上部的纵坐标
控 制Ｆ ｒ ｏ ｕ ｄ ｅ 数 小于 某 一特 定 值（ Ｆ ｒ 。 二 ４ ． ５ ） ［ ７ １ ， 即
隧道纵向风速大于某一特定值 （ 称之为临界风速 Ｖ Ｉ ） ， 就可以控制烟气不产生回流。 由式 （ ７ ）可得，在临界状态下 （ 即保证烟气
不产生回流） ， 临界 Ｆ ｒ ｏ ｕ ｄ ｅ 数Ｆ ｒ 。 和临界风速 Ｖ Ｃ
〔 摘要」 地铁隧 道火灾烟 气控制是 城市公 共安全的 一个重要组成部分。 在分析 地铁隧 道火灾烟气流动主要影
响因素的基础上， 将地铁隧道通风和排烟系统作为一个整体考虑，引人地铁隧道火灾烟气的浮力效应和热阻效 应， 建立了隧道通风网络火灾模拟的数学模型，分析了地铁隧道火灾烟气逆流的临界条件、临界流速、 隧道风 流及烟流流速与火灾强度的变化关系， 为地铁隧道火灾烟气控制和事故应急处理提供科学依据。
慢速
中速
快速
极快
增长 系 数ａ Ａ Ｗ． ｓ ＿ ２
增长时间 ｔ ｇ ／ ｓ
０ ． ０ ０ ２ ９ ３ １ ０ ． ０ １ １ ２ ７ ０ ． ０ ４ ６ ８ ９ ０ ． １ ８ ７ ８
６ ０ ０ ３ ０ ０ １ ５ ０ ７ ５