毛軍 郗艷紅 樊洪明

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100022)

列車發(fā)生火災(zāi)并停留在隧道內(nèi)時(shí),由于隧道頂棚較低,所以容易形成夾帶火焰的頂棚射流.國內(nèi)外有關(guān)煙氣頂棚射流的研究較多,但對(duì)火焰頂棚射流的研究很少.例如,Alpert等[1-2]通過煙氣羽流撞擊頂棚實(shí)驗(yàn)得到了溫度分布關(guān)系;Kurioka等[3]通過縮尺模型隧道實(shí)驗(yàn)提出了縱向風(fēng)速下火源上方的最高溫度預(yù)測(cè)模型;鐘委[4]分析了地鐵站臺(tái)端部壁面對(duì)煙氣頂棚射流最高溫度的影響;Hu等[5-7]研究了煙氣溫度沿隧道頂棚的分布規(guī)律;王彥富等[8]研究了頂部開口半敞開式隧道在自然通風(fēng)模式下的火災(zāi)特性.對(duì)于火焰頂棚射流,Hinkley等[9]研究了頂棚射流在走廊內(nèi)蔓延的情況;毛軍等[10]分析了列車中部著火時(shí)的火焰頂棚射流的溫度特性.事實(shí)上,由于受火源位置和邊界條件的影響,當(dāng)火源位于列車的中部、頭部或尾部時(shí),頂棚射流特性會(huì)有所不同.研究隧道內(nèi)列車著火時(shí)不同著火部位對(duì)火焰頂棚射流的溫度特性的影響,有助于更好地給防火救援以指導(dǎo).

1 列車頭部和尾部著火的模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬

由于客觀條件的限制,難以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隧道列車火災(zāi)的全尺寸試驗(yàn),因此,文中在1∶8幾何縮尺的模型隧道內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),再通過相似變換對(duì)原型進(jìn)行研究.此模型比例尺可以保證與原型實(shí)驗(yàn)的相似性和精度.

(1)主要物理量的相似關(guān)系.

為了保證實(shí)驗(yàn)的相似性,還應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、熱相似和邊界條件相似.在隧道內(nèi)列車火災(zāi)中,浮力效應(yīng)起主導(dǎo)作用,火源附近的煙氣流動(dòng)為重力流;在機(jī)械通風(fēng)的條件下,離火源較遠(yuǎn)處的氣流是壓力流,但由于雷諾數(shù)較大、容易進(jìn)入阻力平方區(qū),雷諾準(zhǔn)則自動(dòng)滿足.因此,采用弗勞德準(zhǔn)則作為相似準(zhǔn)則.

弗勞德數(shù):

速度關(guān)系:

時(shí)間關(guān)系:

熱相似準(zhǔn)則采用無量綱量:

將式(2)代入式(3)得:

為了直接反映原型的溫度變化規(guī)律,溫度比例尺確定為1,即Tf=Tm,因此,熱釋放速率關(guān)系:

上式中:v為速度,m/s;g為重力加速度,m/s2;L為長度,m;Q為熱釋放速度,kW;ρ為密度,kg/m3;cp為定壓比熱,J/(kg?K);T為溫度,K;下標(biāo)f代表原型;下標(biāo)m代表模型.

(2)模型實(shí)驗(yàn)方法.

為了模擬實(shí)際列車的熱釋放速率和便于測(cè)量,采用液態(tài)庚烷作為燃料,燃料用量為 250mL,油面距離隧道頂面的高度為 200mm.由于地鐵火災(zāi)的熱釋放速率一般為0～10MW,根據(jù)式(5)換算出本模型實(shí)驗(yàn)中的熱釋放速率應(yīng)為 0～55 kW.油面距離隧道頂面的高度為 200mm,模型列車的尺寸為260mm×3000mm×350mm,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示.

圖1 地鐵隧道模型的幾何結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Geometric structure and layout ofmeasurement points in the subway tunnelmodel

采用質(zhì)量損耗率法測(cè)定熱釋放速率:Q= φm˙ΔH.其中,φ為可燃物的燃燒效率,正庚烷燃燒充分時(shí)φ=93%[11];m˙為質(zhì)量損失速率,將支承油盤的支架安裝在電子天平上,對(duì)電子天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況;采樣間隔為10s,燃燒時(shí)間為2～10min,由此換算得到m˙;ΔH為可燃物的熱值,正庚烷的燃燒熱值為48.24kJ/g.經(jīng)過計(jì)算,燃料用量為250mL的庚烷,其熱釋放速率為38.66kW.隧道處于自然通風(fēng)狀態(tài),風(fēng)速近似為零.

圖1中,編號(hào)分別為 110、107、105、108和 207的熱電偶測(cè)點(diǎn),離隧道頂?shù)木嚯x分別為 25、50、100、250和25mm,用于測(cè)量所在位置的溫度.火源在裝置中的相對(duì)位置未變,溫度測(cè)點(diǎn) 110、107和 105始終位于火源的上方.將車廂移動(dòng)到火源的左側(cè)位置使火源位于列車的頭部,相當(dāng)于列車的頭部著火,溫度測(cè)點(diǎn) 207位于列車的上方;將車廂移動(dòng)到火源的右側(cè)位置使火源位于列車的尾部,相當(dāng)于列車的尾部著火.

(3)數(shù)值模擬及其與模型實(shí)驗(yàn)的對(duì)比.

利用PHOENICS3.6軟件,按實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械南鄳?yīng)尺寸和火源位置建模.采用帶浮力修正的 k-ε兩方程模型及有限容積法和SIMPLE算法,采用直角坐標(biāo)系,計(jì)算域尺寸為556mm×8640mm×627mm,劃分為 18200個(gè)網(wǎng)格,即加密火源處及環(huán)形空間處的網(wǎng)格.時(shí)間采用均步,每20.6s一步,共10步,內(nèi)迭代次數(shù)為1500.

初始條件:假定在初始時(shí)刻(t=0)隧道內(nèi)壓強(qiáng)p=p0,速度分量u=0、v=0、w=0,溫度θ=16℃,煙霧濃度C=0;在火源處,煙霧濃度C=5%;火源功率為38.66kW.

圖2 實(shí)測(cè)與模擬溫度對(duì)比Fig.2 Comparison ofnumerical and experimental temperatures

邊界條件:隧道進(jìn)口,給出速度條件,溫度 θ= 16℃,煙霧濃度為 0;隧道出口,給出壓力條件,出口邊界使用充分發(fā)展條件,即在出口斷面上的節(jié)點(diǎn)參數(shù)值對(duì)于出口邊界內(nèi)側(cè)最鄰近節(jié)點(diǎn)參數(shù)無影響.

隧道壁面:在隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)固體壁面及列車側(cè)壁表面上,速度分量均采用無滑移邊界條件.隧道及列車壁面均采用鋼質(zhì)材料,壁面函數(shù)采用對(duì)數(shù)壁面率,粗糙度均取為 0.013,輻射系數(shù)設(shè)為0.85.

考慮隧道內(nèi)熱輻射效應(yīng).煙氣介質(zhì)所含顆粒群的吸收和散射系數(shù)比氣體大得多,可近似視為灰體,吸收系數(shù)為0.77,散射系數(shù)為 0.23,輻射換熱模型選用IMMERSOL模型[12].

圖2是溫度的實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比情況.由圖 2可見,絕大多數(shù)溫度點(diǎn)的模型實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值吻合較好,高溫?zé)煔鈱拥臏囟扔葹榻咏?只有個(gè)別低溫區(qū)出現(xiàn)了較小的偏差,數(shù)值模擬結(jié)果是可信的.

2 列車頭部和尾部著火時(shí)頂棚射流的溫度特性

2.1 縱向溫度時(shí)變規(guī)律

圖3給出了風(fēng)速為 0m/s的情況下,車頭和車尾著火時(shí)的熱釋放速率時(shí)變曲線.由圖 3可以看出,兩者的變化趨勢(shì)相近.燃燒初期,熱釋放速率逐步增大,在120 s左右達(dá)到最大;隨著燃料的減少,熱釋放速率逐步減小.在相同的燃燒時(shí)間內(nèi),車頭和車尾著火時(shí)的平均熱釋放速率近似相等,約為38.66kW.圖4(a)、(b)分別為車頭和車尾著火時(shí)的溫度時(shí)變曲線.火源中心線位置的溫度遠(yuǎn)高于其它縱向位置的溫度.無論是車頭還是車尾著火,各測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)變曲線的變化趨勢(shì)基本相同.在燃燒初期,火焰上方的溫度在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高值,火焰和列車周圍的煙氣溫度均快速上升,遠(yuǎn)離火源位置的溫度因傳熱的延遲而溫升滯后,在該段時(shí)間內(nèi)變化不大;燃燒一段時(shí)間后,即 120s左右時(shí)各處溫度在熱釋放速率達(dá)到最高并維持至燃燒結(jié)束.車頭、車尾和中部著火時(shí)的最高溫度分別約為 650、750和 700℃[10].

圖3 熱釋放速率時(shí)變曲線Fig.3 Time-varying curve of heat release rate

圖4 火源兩側(cè)位置溫度時(shí)變曲線Fig.4 Temperature curves changing with time on both sides of the fire source

2.2 溫度在隧道高度上的變化規(guī)律

與列車中部著火的情況相似,列車頭部或尾部著火,火焰頂棚射流在高度方向上也產(chǎn)生溫度變化.

圖5(a)、(b)分別給出了隧道及列車與隧道頂?shù)目臻g在高度方向上的火焰頂棚射流的溫度分布情況.顯然,由于壁面吸熱,最高溫度也不是出現(xiàn)在隧道頂壁,而是出現(xiàn)在離隧道頂較小的距離內(nèi).對(duì)于列車頭部、尾部著火的情況,最大溫度出現(xiàn)在距隧道頂 δ= 50mm的位置,燃料液面距離隧道頂H=200mm, δ=0.25H.這與純煙氣頂棚射流的最高溫度出現(xiàn)在δ≤0.01H區(qū)域內(nèi)的情況不同,與中部著火的最高溫度出現(xiàn)在δ=0.18H也不同.此外,火源上方充滿高溫?zé)煔?而在低于火源面的高度以下,煙氣溫度迅速降低.離開火源中心線一定距離后,熱煙氣層的厚度逐步穩(wěn)定.火焰沿車長方向的列車頂部擴(kuò)展,但其寬度小于隧道寬度,因此煙氣層厚度等于列車頂部到隧道頂部的高度;離開列車后,煙氣層的厚度變大,溫度逐步下降.

圖5 火源中心線處溫度隨離開隧道頂部的距離變化曲線Fig.5 Temperature curves changing with different distances from the tunnel ceiling in the center line of fire

2.3 最高溫度的縱向變化規(guī)律

圖6(a)、(b)是火源中心線兩側(cè)最高溫度隨縱向距離衰減的情況,無論是頭部還是尾部著火,在燃燒82.4s后縱向溫度穩(wěn)定下來,不再隨時(shí)間變化.對(duì)其后燃燒時(shí)間內(nèi)的溫度曲線進(jìn)行平均,并分成左右兩段,以火源中心線為原點(diǎn)對(duì)平均曲線進(jìn)行擬合,得到不同時(shí)刻的火焰頂棚射流最高溫度的縱向變化規(guī)律,如圖7所示.由圖 7可知,在火源中心線附近溫度產(chǎn)生突變,離開中心線一定距離后(圖中±0.28m以內(nèi)),縱向溫度變化較為平緩,并呈拋物線規(guī)律.各時(shí)間段的對(duì)稱軸非常接近,不同的是頂點(diǎn)值.而由文獻(xiàn)[10]中可知,中部著火的縱向溫度呈線性規(guī)律平緩變化,并且各時(shí)間段的斜率非常接近,不同的是溫度坐標(biāo)軸上截距值.

圖6 火源兩側(cè)縱向的最高溫度時(shí)變規(guī)律Fig.6 Maximum temperature curves changing with time in different distances from the fire source

回歸曲線的相關(guān)系數(shù) R用于檢驗(yàn)回歸方程是否符合變量變化的規(guī)律和判斷回歸方程的精度,若值接近 1,說明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都在回歸曲線上,公式可靠,若值接近0,則所得的公式無意義.計(jì)算表明,在20.6、41.2、61.8 s時(shí)刻以及82.4～206.0 s的時(shí)間段平均的回歸曲線中的相關(guān)系數(shù)均超過0.99,接近 1,故可認(rèn)為此公式是可靠的.

由相似理論原理,將模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)換算到原型隧道,即可得到原型隧道列車著火的溫度縱向衰減規(guī)律.

式中:Θ為隧道原型中攝氏溫度;為時(shí)間;Y為原型隧道縱向坐標(biāo);B()、K()、A()為原型隧道中與時(shí)間有關(guān)的系數(shù).數(shù)據(jù)見表2.

圖7 最高溫度對(duì)時(shí)間的平均值隨離開火源中心距離變化的擬合曲線Fig.7 Maximum temperature fitting curves changing with differentdistances from the center line of fire

表1 模型中火焰頂棚射流溫度的縱向衰減曲線系數(shù)(自然通風(fēng))Tab le 1 Coefficientof temperature vertical attenuation curve in flame ceiling jet(natural ventilation)-model

表2 原型中火焰頂棚射流溫度的縱向衰減曲線系數(shù)(自然通風(fēng))Table 2 Coefficient of temperature vertical attenuation curve in flame ceiling jet(natural ventilation)-p rototype

由圖 7及文獻(xiàn)[10]可知,隧道內(nèi)的地鐵列車著火時(shí),火焰頂棚射流的最高溫度沿隧道的縱向衰減規(guī)律與一般隧道火災(zāi)純煙氣的溫度衰減規(guī)律不同.后者是指數(shù)衰減規(guī)律,而前者在列車與隧道頂部空間以及列車首尾附近呈拋物線或直線衰減形式,且衰減速率不隨時(shí)間變化;離開列車一定縱向距離后,不夾帶火焰的煙氣溫度又呈指數(shù)形式變化,且溫度梯度大于直線衰減的梯度.此外,無論車頭還是車尾著火,其沿縱向的最高溫度都不是關(guān)于火源中心線的對(duì)稱分布形式.同樣地,不論是車頭、車中還是車尾著火,火源上方溫度均產(chǎn)生突降.

圖8(a)為縱向火源中心立剖面和隧道側(cè)壁附近立剖面上的溫度縱向變化曲線,Z為隧道寬度.由圖可知:列車的頭部或尾部著火時(shí),火源附近的溫度分布極不均勻,存在突變;不同的橫斷面和縱向斷面的最高溫度相差非常大,最大可達(dá) 400℃以上,隧道內(nèi)的縱向溫度分布也不再具有對(duì)稱性.火源的無列車一側(cè)的溫度下降梯度明顯大于有列車一側(cè)的溫度下降梯度.縱向火源中心立剖面上的溫度衰減規(guī)律與隧道側(cè)壁附近立剖面上的溫度衰減規(guī)律在夾帶火焰的頂棚射流區(qū)域內(nèi)(有列車一側(cè))有所不同:前者在溫度突降之后以拋物線規(guī)律衰減,而后者以指數(shù)規(guī)律衰減;但它們?cè)诩儫煔饬鲃?dòng)區(qū)域(無列車一側(cè)的隧道)內(nèi)的溫度衰減規(guī)律則相同,都是以指數(shù)規(guī)律衰減,說明煙氣在無列車的隧道內(nèi)橫向混合得比較均勻.因此,列車頭部或尾部著火時(shí),在夾帶火焰的頂棚射流中,溫度縱向衰減有兩種形式共存:火焰區(qū)的溫度以拋物線規(guī)律衰減,而純煙氣區(qū)域的溫度則以指數(shù)形式衰減.

圖8 不同高度上的溫度隨離開火源中心距離變化的情況Fig.8 Temperature curves changing with different distances from the center line of fire in different level

圖8(b)、(d)所示的水平面距隧道頂面283mm,離隧道地面234mm,在列車上形成水平截面.在該高度,縱向中心立剖面的列車模型長度段的溫度為常溫(實(shí)際上不考慮列車模型的內(nèi)部溫度),所以溫度分布在列車模型長度段內(nèi)呈水平線,而在列車段之外與隧道側(cè)壁附近縱向立剖面的溫度分布規(guī)律相同.在隧道側(cè)壁附近,以列車頭部或尾部為基準(zhǔn),純煙氣的縱向溫度由于熱積累作用而逐漸升高;當(dāng)煙氣完全進(jìn)入沒有列車的區(qū)域時(shí),其溫度又因卷吸隧道內(nèi)的冷空氣而逐步下降.并且,在進(jìn)入無列車的隧道區(qū)域后,隧道斷面的溫度分布均勻化.可見,頂棚射流的熱煙氣層未擴(kuò)散到離隧道地面234mm高的以下區(qū)域,該高度以下區(qū)域的氣體位于高溫?zé)煔鈱又?主要受對(duì)流傳熱和部分熱輻射的作用,最高溫度不超過 65℃,因此,該區(qū)域內(nèi)相對(duì)安全.根據(jù)幾何相似,將模型隧道換算到實(shí)際隧道,對(duì)于列車著火的頂棚射流,該安全高度為 1872mm,低于該高度,煙氣溫度相對(duì)較低,相應(yīng)的煙氣濃度也較低;在火災(zāi)應(yīng)急逃生和救援中,人員的行走高度只要低于 1.8m,安全逃生的機(jī)會(huì)較大.

4 結(jié)論

(1)列車頭部、尾部著火時(shí),火焰頂棚射流的最高溫度出現(xiàn)在距隧道頂 δ=0.25H的位置,最高溫度可達(dá) 800℃,中部著火時(shí)火焰頂棚射流的最高溫度出現(xiàn)在δ=0.18H的位置,最高溫度可達(dá)750℃以上;而純煙氣頂棚射流的最高溫度出現(xiàn)在0.01H以內(nèi),相差較大;與列車中部著火的情況不同,列車車頭和車尾著火的縱向溫度變化不再以火源為中心對(duì)稱分布,有列車一側(cè)的縱向溫度明顯高于無列車一側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度;

(2)無論列車頭部、尾部著火,還是列車中部著火,火焰頂棚射流燃燒穩(wěn)定后,溫度沿隧道縱向變化的規(guī)律是分段的:前者在列車段及列車首尾附近的一定范圍內(nèi),各斷面的最高溫度以拋物線規(guī)律衰減,后者則以線性規(guī)律衰減;離列車一定距離后,夾帶火焰明顯減少,二者的煙氣頂棚射流最高溫度都呈指數(shù)形式衰減;

(3)在夾帶火焰的頂棚射流中,列車頂部的溫度分布規(guī)律與隧道側(cè)面附近的溫度分布規(guī)律不同,存在兩種形式的溫度衰減方式:火焰區(qū)域的溫度拋物線衰減規(guī)律和純煙氣區(qū)域的溫度指數(shù)衰減規(guī)律;

(4)對(duì)于列車火災(zāi)形成的火焰頂棚射流,在一定的高度(這里為1.8m)以下,仍然存在溫度較低的安全區(qū)域(低于 65℃)適合于人員疏散,而且列車另一端隧道內(nèi)的煙氣溫度低于著火端隧道內(nèi)的溫度.

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