福建工程学院    林凌敏，吴婧

       【摘  要】根据福州市地铁四号线构建了一个地铁隧道区间模型，利用FLUENT模拟车头电气火灾的应急事件。分析了火灾产生的高温、有毒CO烟气在两种阻塞比条件下的分布情况及对疏散人群的影响。模拟结果表明，纵向通风能在疏散走道范围控制高温烟气蔓延，有利于人员疏散。高阻塞比条件下对流换热增强，降温快，建议设置离轨面高度较低的疏散走道以获取更大的安全空间。针对纵向通风条件只能创造单一安全区域的特点，给出了疏散方案分析及建议。

       【关键词】地铁区间；隧道火灾；阻塞比；纵向通风；疏散策略；CFD模拟；

1 研究背景

       如今，大多数隧道采用纵向通风系统。纵向通风系统不需要额外的空间用于布置通风风管，占据隧道空间小，系统造价便宜，所以被广泛应用^[1]。纵向通风的作用原理即在隧道内产生一个纵向的气流，将火灾产生的烟气吹向下游，在火灾上游形成一个无烟区域，保证了隧道使用者的安全。纵向通风的风速在大等于临界风速时能够有效地抑制烟气逆流，Oka和Atkinson通过实验得出以通风引入的空气温度、隧道高度、热释放率等变量的无量纲临界风速数学表达式。^[25]

       地铁隧道内发生火灾时，常用的疏散策略是将列车停靠在地铁站点，便于人员从站台疏散^[5,6]。根据过去的研究^[7,8,9]，在约50%的火灾案情中，列车没有行进至指定站点，而是停在站与站之间的区间隧道内。学者引入阻塞比来描述火灾发生时列车占据隧道的情况，并且已经证实了阻塞比对临界速度、烟气逆流长度的显著影响。Gannouni^[2]利用FDS模拟，研究了阻塞比为0.31时，隧道内阻挡物不同摆放位置对于临界通风风速大小的影响。临界通风风速较没有阻挡物时减小，且临界风速随着阻挡物离地间距的增长而略微减小。Zhang^[3]进行了地铁隧道火灾缩尺模型的实验。由于列车的阻挡(阻塞比0.52)，存在截面积变化的区域风速增加，惯性力与热传递加剧，烟气逆流长度缩短。Zhang依据实验数据推导了含阻塞比，列车长度等变量的无量纲烟气逆流长度计算公式。

       学者希望通过研究火灾烟气运动的规律与控制烟气传播的方法，来最小化烟气带来的伤害。高温烟气带来的伤害可以是间接的，Wetzig的研究^[18]表明，温度高于400℃时，混凝土中的氢氧化钙将会产生水蒸气，这将加速混凝土剥落过程，并降低混凝土的强度。壁面材料受热脱落，甚至整体结构坍塌，可能对隧道内的撤离人员与救灾人员造成伤害^[1,17]。学者通过研究贴近顶板的烟气最高温的出现位置，温度变化趋势等能够直接预判隧道结构受损的可能性^[19]。

       火灾产生的烟气也可以直接伤害人体，其中，高温烟气通过三种形式危害人体:导致人体体温过高，灼伤人体表皮，灼伤呼吸道^[4]。此外，烟气含有的CO气体可迅速扩散穿过肺泡膜，并在红细胞中与血红蛋白结合，导致血液携氧能力降低[25]。以往的火灾模拟实验^[1]，探测点布置在隧道顶棚附近及火灾上下游位置，不处于疏散走道附近，并不能直接表明高温有毒烟气对于疏散人员的伤害情况，通风对于威胁隧道使用人群的高温及CO气体的抑制效果也未得到研究。

       本文尝试将阻塞比等因素考虑在内，借助CFD软件，模拟纵向通风条件下的地铁隧道中发生火灾后的烟气运动规律，重点分析位于疏散人员走道位置的温度及CO浓度分布情况，评估通风的有效性，为将来的地铁设计及地铁火灾应对策略提供参考。

2 实验方法

       2.1 隧道模型

       根据福州地铁四号线实际工程设置隧道模型，设定隧道区间内停有6节编组列车，单节车厢的长宽高为19×2.8×3.8m，为城市大中型地铁线路常用的B型车厢尺寸。选取的隧道区间为盾构型直管段，长153m，隧道建筑限界直径6.2m，对应的阻塞比，为本文的低阻塞比实验组。根据地铁限界标准 CJJ/T96-2018^[22]，区间圆形隧道建筑限界直径普通道床地段最小应为5.2m，对应的阻塞比，作为高阻塞比实验组。

       2.2 模拟火源

       模拟火源用体积热源代替。根据UPTUN^[23,24]的研究，现行标准下的地铁车厢由于使用较多不燃材料，车厢着火情况下的放热率在10~50MW之间。但为了考虑火灾最不利情况下对于隧道使用人员的影响，UPTUN提议忽略火灾发展阶段的过程，火源保持最大放热率值。针对车头电气火灾，UPTUN建议使用10MW的恒定放热率数值。

       48%的列车火灾是由机械或电器故障引发的，而电子设备与刹车系统多位于列车下部^[8,9]，故将模拟火源设定在列车下部。为了模拟车头部位发生电器火灾，将模拟火源设定在车厢前端^[2,3]。为便于研究烟气逆流长度，将火源中心位置设为坐标原点。隧道内纵向通风由车尾部火灾上游区域送入，吹向车头下游发生火灾区域，如图1所示。

图1 模型示意图

       Ingason^[14]依据Runehamar隧道全尺寸燃烧实验测量的数据，推导出燃烧产生的二氧化碳含量与放热率关系的公式(2)。CO含量根据Vega ^[11]从EUREKA实验数据得到的结果，在不完全燃烧的模型中，每20ppm的约含1ppm的CO。因此，火源燃烧产物边界条件简化为的生成率（0.87kg/s），CO含量则根据上述理论直接计量。

       

       2.3 模拟场景及验证

       本次模拟利用计算流体力学软件FLUENT进行3D计算域内的流体的质量守恒，动量守恒及能量守恒方程求解。FLUENT是被广泛使用的CFD软件，有不少学者利用FLUENT研究火灾烟气特性^[11,12,13]。在体积热源边界设置细化网格（图2），组总网格数为294668个，组总网格数为239578个。湍流模型选择standard k−𝜀，考虑重力作用，开启组分运输模型以追踪指定气体浓度。利用Boussinesq方法计算由于热压引起的浮力作用^[11,12]。辐射传热选用DO模型，DO模型适用于有局部热源与气体辐射传热的情况。^[10]

图2 火源截面网格

       模拟场景为10MW火源稳定放热后，隧道内开始引入纵向通风，通风风速，阻塞比分别为与，研究地铁隧道内的温度分布及有害气体分布情况，分析其对疏散与救援的人员影响。引入的纵向通风温度300K，环境温度为300K，离隧道壁面三米处保持298K恒温，壁面导热系数1.75W/mK。为快速得到一个稳定放热的火源，先采用稳态计算模型，进行500次迭代计算。考虑到火灾探测系统响应延迟及其影响到的后续防灾设备联动开启，还有通风系统需要足够的模式转换时间等不利情况，10MW火源稳定放热后才迎来隧道纵向通风。引入纵向通风后，采用瞬时计算模型，以逐时精准研究通风的有效性，计算的通风时长为200s。^[13]

       参照Zhang[26]得到的临界风速模型对模拟构建的CFD模型进行验证。根据公式(3)，在热源放热率为10MW，阻塞比为0.38，环境温度为300K时，临界风速约为2m/s。按上述结果设定通风风速，CFD结果显示烟气逆流现象消失(图3)，临界风速在模拟中与Zhang的实验结果一致，因此认定CFD模型能够反映实际情况。

       

图3 隧道侧视温度图(xyz坐标轴位于火源处)

3 结果与讨论

       3.1 温度

       逃生路径为车厢与隧道壁之间的疏散走道，根据GB 51298-2018^[16]，疏散走道应位于列车行进方向的左侧，疏散走道高度离轨面不大于900mm(本实验设定的疏散走道离轨高度等于900mm)。A线为疏散走道对应的人眼特征高度(h=1.6m)，人眼特征高度附近的气体认为能被人直接吸入^[15]。图5中坐标轴原点位于火源中心，纵向通风方向与行车方向相同。P1、2、3、4、5、6测点分布在A线上，与火源的距离分别为5m、15m、25m、35m、45m、65m。P2y为穿过P2点的竖直线。

图4 疏散走道截面示意

图5 疏散走道人眼特征高度线(A线)及测点(P1,2,3,4,5,6)示意

       图6、7展示了两种阻塞比情况下，隧道疏散走道侧的温度分布云图。对流换热状态时，人体皮肤暴露于120℃流体将会产生不同程度的灼伤，并伴随显著的疼痛。人吸入超60℃的饱和水蒸气时将会带来呼吸道灼伤^[4]。因此，结果图像标定的安全温度下限值为60℃。在引入纵向通风200s后，随着通风时长的增长，烟气逆流长度缩短，A线及A线往下区域的温度能够有效地降到安全范围内。两种阻塞比条件下烟气分布，从横向上看无显著差异。表1给出了更为精确的安全温度临界距离数值，当人疏散至比临界距离更远的位置时，空气温度短时内不会给人带来伤害(温度低于60℃)。例如，在阻塞比为0.55的隧道内，在引入纵向通风后的第50秒(t=50s)，人往火源上游方向，疏散至离火源59.4m及更远处才算处于安全区域。

图6  疏散走道侧温度分布图(对应时刻如图所示)

图7 疏散走道侧温度分布图(对应时刻如图所示)
表1 安全温度临界距离(温度取自A线，小于60℃为安全温度)

       从竖直方向上看，温度更高的烟气集中在逆流层上部，温度由上向下递减。对比同在t=50s时的温度分布图，在的情况下，人眼特征高度(A线)基本位于安全温度与危险温度的分层区域附近，A线往下区域处于安全温度范围的占比较大。而在，由于高阻塞比，A线距离隧道顶板高温烟气更近，可以观察到A线更多地被全红区域包围；结合图8，可以看出高阻塞比A线上超过60℃及120℃的区域大于低阻塞比实验组。随着通风时长的增加，情况有所改变。在100s以后，尽管一些区域未降至低于60℃的安全范围内，组(图7)对应的部分测点上方的超过120℃烟气厚度(用红色代表)较组(图6)各测点更薄。比较同在t=200s时的两种阻塞比对应的P1、P2点上下温度分布，此现象较为明显。比较t=200s时两阻塞比对应的P2y线上的温度竖向分布(图9(b))，组大于120℃的烟层厚度达到，而组对应的。注意此时A线上的温度，组已经低于组。而在t=100s时(图9(a))，组对应的A线温度(即P2点温度)大于组。

图8  t=100s时，两种阻塞比下A线的温度

图9  沿P2y线的温度分布结果，灰色横线即代表人眼特征高度A线

       依据对流换热的原理解释这个现象，如图10，条件下阻塞区间对应的风速高于，这是由于高阻塞比条件下，车厢与隧道壁间的截面积更小，根据连续性方程，截面积小处流速大。高阻塞比区域A线上的平均风速为4.8m/s左右，而低阻塞比区域A线上的平均风速大致在3.3m/s。大流速增强了对流换热的效果，如图11所示，高阻塞比对应的测点，温度下降时的速率比低阻塞比更大。

图10 t=100s时A线与隧道顶板下沿0.3m处C线的速度，Z轴表示离火源的距离

图11 不同测点的速度随时间变化趋势 (a)P1 (b)P2 (c)P3 (d)P4

       从疏散角度考虑，尽管高阻塞比地段的烟气温度下降快，但是在不同测点观察到此现象的时刻不一致，有的从引入通风初期就出现大幅温降，有的需要到后期才出现类似现象。为了从引入通风的初期阶段就赢得更充足的安全区域，高阻塞比隧道区间可以适当降低疏散走道距轨面的距离，让疏散人员远离集中在隧道顶板的温度更高的烟气。存在压低高度的疏散走道时，车厢地板面离疏散走道的高差因此加大，可能不利于人员的转移。建议地铁车厢搭配阶梯，以便人员平稳地从车厢内走到疏散平台上。

       3.2 烟气运动

       如图6、7，随着通风的引入，烟气逆流长度缩减，同时，逆流最前端的烟气运动也发生改变。原本扁平贴附顶板的烟气出现下沉，形成更为圆润的逆流前端。对于经过该区域的疏散人员来说，这是较为危险的，因为危险温度区域竖向的增长会覆盖整个人体身高范围，从头到脚都会面临高温烟气的伤害。

       引入通风初期，烟气逆流前端的边界形状如图12(a)所示，烟气边界与隧道顶板成一夹角。在通风后期，如图12(b)，烟气逆流前端经历下沉等运动，烟气边界呈倾斜角的部分减少，接近竖直的部分增大。此现象在组更为明显(图13)，除小部分贴近顶板的烟气，大部分烟气边界位于同一竖直面上，该竖直方向的分布与车厢高度大约一致。前人研究中重点关注隧道顶板附近的烟气，能够预判烟气逆流消失的情况，隧道顶板所处位置的烟气逆流得到抑制，意味着相同截面内的烟气都得到了有效地控制。但在准却分析隧道使用者所处高度的烟气情况略有欠缺，以上的分析可以看出A线高度的烟气是先被抑制的，顶板附近烟气的抑制相比之下有一定滞后性。当A线上温度已经降至安全范围时，同位置顶板的温度仍处于更大的值。

图12 (a)t=5s时的烟气前端(组)

图12 (b)t=200s时的烟气前端(组)

图13 t=200s时的烟气前端(组)

       3.3 CO浓度

       长时间暴露于200ppm~1200ppm的CO将会导致如头痛、昏迷、呕吐等不良反应，甚至出现生命危险^[20]。选取同3.1节的测量点，对CO分布结果进行分析。

图14 疏散走道侧CO ppm分布图(对应时刻如图所示)

图15 疏散走道侧CO ppm分布图(对应时刻如图所示)
表2 安全CO ppm临界距离(CO浓度取自A线，小于500ppm为安全温度)

       类似3.1节的安全温度临界距离，表2定义了安全CO ppm临界距离数值，当人沿上游疏散至比该距离更远的位置时，一氧化碳短时内不再给人带来致命伤害(根据Vega^[11]，CO临界值取500ppm)。如图14、15所示，引入纵向通风可以降低CO ppm，留给疏散人员及救援人员较广的CO安全区域。结合表1与表2可以推断，本模拟条件下，高温烟气在纵向通风条件下更快被降至到安全范围内，相比之下，CO ppm的衰退稍缓慢，仍有可能威胁人身安全。然而，在更加严格的标准条件下，比如欧盟EN45545-2^[21]，该标准要求地铁座椅、导线等材料防火阻燃、燃烧时释放烟雾量比较少，有害气体比较低(低烟低毒)。列车应用这些防火阻燃低烟低毒的材料，有利于在火灾情况下人员的逃生。

       结合图6、7、14、15，火源下游地段的高温及CO ppm全程都处在危险范围中。这也是采取纵向通风隧道的缺点，必定有一端的隧道区间，甚至延伸到下游站点都会受到高温有毒烟气的影响。此时如果有人员错误地向火灾下游疏散，那么该人员的安全将得不到保障。因此，在采取纵向通风的隧道内，应急响应的标识及发生意外时的配套广播语音提示要给乘客清晰的指示。可增设路障以辅助非强制性的语音提示，强制疏散人员改变撤离路线，以避免人员在慌乱中往错误的方向撤离，造成惨痛后果。同理，消防员在进入隧道区间救援时，地铁管理管理人员要和消防员配合好，告知消防员火灾上下游位置及通风风向，便于消防人员从上游的站点进入隧道区间，占据安全的灭火位置，避免消防人员误入火灾下游区域。

4 总结

       本文使用CFD软件，模拟了两种阻塞比条件下的地铁隧道区间火灾场景，重点分析了模拟得到的温度结果对于疏散及救援人员的影响。实验得到的结论有：

       (1) 纵向通风对于抑制疏散走道内高温有毒烟气的效果显著，在200s的通风时间后，将原本发展至距火源70m左右的烟气控制到25m左右(70m对应列车组第4节靠近第5节，25m对应第2节靠近第1节车厢的位置)，为隧道区间的疏散人员提供更大的安全范围。

       (2) 在同样引入2m/s的纵向通风情况下，高阻塞比疏散走道上的平均风速为4.8m/s左右，而低阻塞比疏散走道上的平均风速大致在3.3m/s左右。高阻塞比隧道区间能强化对流换热，有利于烟气温度的快速下降，减小余热的伤害。

       (3) 建议高阻塞比区间隧道的疏散走道适当降低离轨面高度，以远离隧道顶板下沉的烟气，创造更大的安全空间。纵向通风隧道内应通过不同手段，确保人员在疏散时向火灾上游区域行进。

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年10月刊 总第48期（第二十二届全国通风技术学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。