隧道列車著火后行駛速度對熱釋放速率的影響*

郗艷紅　毛軍

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院∥軌道工程北京市重點實驗室， 北京 100044)

隧道列車著火后行駛速度對熱釋放速率的影響*

郗艷紅毛軍

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院∥軌道工程北京市重點實驗室， 北京 100044)

摘要:隧道火災(zāi)中，列車著火的可能性較大，著火后的應(yīng)急處置辦法是盡量帶火運行到前方車站.文中以向前行駛的隧道列車火災(zāi)為研究對象，應(yīng)用槽道科特流、傳熱傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)動力學(xué)理論，結(jié)合縮尺火災(zāi)模型試驗，研究了列車在著火后繼續(xù)在隧道內(nèi)行駛時，隧道列車環(huán)形空間內(nèi)的回風(fēng)風(fēng)量、隧道內(nèi)的活塞風(fēng)效應(yīng)及其對火災(zāi)燃燒特性的影響，給出了回風(fēng)風(fēng)量的表達(dá)式，建立了火災(zāi)熱釋放速率與列車運行速度的關(guān)系模型,得到了使得火災(zāi)強度維持在較低水平的列車合理運行速度——48 km/h.研究成果和方法可為隧道列車火災(zāi)的應(yīng)急救援設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：隧道；列車火災(zāi)；熱釋放速率；模型實驗；運行速度

近50年地鐵列車發(fā)生火災(zāi)的情況比較多，例如2003年韓國大邱地鐵，乘客進入車廂后人為縱火引起火災(zāi)，造成數(shù)百人死亡的慘劇；2006年8月，北京地鐵一輛運行的列車發(fā)生火災(zāi)，因補救及時未造成人員傷亡.對于列車在隧道內(nèi)行駛的情況，車廂發(fā)生火災(zāi)時，被迫停在隧道內(nèi)就地實施人員疏散和救援的難度非常大.目前德國、日本和中國等各個國家地鐵的應(yīng)急處置方法一般是規(guī)定列車應(yīng)盡可能地行駛到前方車站實施搶險救援，以盡量保障乘客的生命安全、減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]，但均未指出列車應(yīng)按多大的速度行駛.由于列車攜帶火源行駛時會形成迎風(fēng)風(fēng)流，可能造成風(fēng)助火勢而使火勢增強、反而加大火災(zāi)危害程度的不良后果，因此，需要研究在此過程中能夠保證火災(zāi)強度不致過度增加的條件以及必要的安全控制措施，以盡量將火勢控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi).

國內(nèi)外對隧道火災(zāi)的研究較多，但是絕大部分都集中于靜止火源燃燒[2- 7]，對列車著火后繼續(xù)在隧道內(nèi)運行的安全性問題研究得較少，因此，文中采用理論分析和模型實驗相結(jié)合的方法，對隧道內(nèi)列車著火后繼續(xù)向前行駛的安全速度進行研究，為進一步研究有關(guān)的運動體火災(zāi)特性提供參考.由于列車攜帶火源行駛到前方車站進行救援和搶險是國內(nèi)外地鐵的通行應(yīng)急處置方法，具有普遍性，因此，文中的研究對于隧道列車火災(zāi)的火災(zāi)特性及煙氣流動規(guī)律的研究具有一定的科學(xué)意義，對改進地鐵隧道火災(zāi)應(yīng)急處置預(yù)案、保證乘客的生命安全和減少財產(chǎn)損失以及實際運營中的火災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)具有現(xiàn)實意義.

1通風(fēng)條件下的熱釋放速率

火災(zāi)熱釋放速率是隧道列車火災(zāi)的主要決定因素之一，不僅表征火勢的大小，也直接影響火區(qū)溫度及煙氣擴散的空間和時變特性.火災(zāi)的熱釋放速率與可燃物燃燒是否充分有關(guān)，燃燒是否充分又與流經(jīng)火源的氣流流速大小密切相關(guān).氣流速度過大既可能減弱火勢，也可能加劇火災(zāi)的發(fā)展和蔓延.在其他條件確定的情況下，這一氣流速度的大小取決于列車的行駛速度，因此，需確定行駛速度與熱釋放率之間的關(guān)系，以便確定著火列車合理的運行速度.

列車在隧道中著火時，與開放環(huán)境中的燃燒相比，有兩個顯著特點：隧道內(nèi)有大量的熱量積累，強化了對可燃物表面的傳熱；燃燒所需空氣的供應(yīng)依賴于隧道中的通風(fēng)條件，也就是列車向前運動時產(chǎn)生的風(fēng)量的大小.對于給定的可燃物，受限燃燒的熱釋放速率與通風(fēng)條件密切相關(guān).通風(fēng)條件下的熱釋放速率可表示為[8- 9]

(1)

(2)

Γ=αexp(-βΦ-ξ)

(3)

對于受限空間中的燃燒,

(4)

2模型實驗

2.1實驗原理及裝置

2.1.1實驗基本原理

列車運動體火災(zāi)的模型實驗采用兩種方法：一是相對運動模型實驗，即假定列車靜止、給定來流風(fēng)速來模擬列車運動；二是絕對運動模型實驗，即使列車攜帶火源在隧道內(nèi)做真實運動.圖1為這兩種方法的原理圖.

圖1基于相對運動和絕對運動原理的運動火源模型實驗原理圖

Fig.1Principle diagram of the moving fire model basing on re-lative and absolute motions

對于相對運動模型實驗，隧道和列車均是靜止的，通過前方給定來流模擬列車運動.由于列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，試驗中無回流，與實際相比，測得的速度會略偏大，需要進行修正.盡管如此，圖1表明，基于相對運動原理的模型實驗仍可以反映氣流速度對火源強度的影響.雖然基于相對運動的模型實驗與真實的列車運動情況存在一定的誤差，但其優(yōu)點是可以通過增大來流風(fēng)速來模擬較高的列車運動速度.

對于絕對運動模型實驗，即按照實際情況使火源隨車運動.受隧道火災(zāi)模型實驗臺長度的限制，模型列車做絕對運動時的實驗速度較小，但這一缺點可由基于相對運動原理的模型實驗來彌補.

因此，文中將相對運動和絕對運動原理的方法結(jié)合起來，測定火源的質(zhì)量損失速率.

完成縮尺模型實驗后，通過相似原理將模型試驗結(jié)果換算到原型，進而對原型運動火災(zāi)的特性進行分析.

2.1.2相對運動模型實驗裝置

由于客觀條件的限制，難以在現(xiàn)場進行隧道列車火災(zāi)的全尺寸試驗，因此，采用1∶8模型實驗，再通過相似變換對原型進行研究.此模型比例尺可以保證與原型實驗的相似性和精度[10]，隧道模型實驗裝置如圖2所示.

圖2　隧道模型實驗臺

采用數(shù)字式交流變頻器對風(fēng)機進行調(diào)速，改變風(fēng)量；進、排風(fēng)量通過安裝在送、排風(fēng)管上的調(diào)節(jié)閥和排煙口風(fēng)門開度調(diào)節(jié).風(fēng)流的分配和控制通過閥門的開關(guān)組合模式來控制.

實驗過程中,溫度和燃料質(zhì)量數(shù)據(jù)實時采集,并自動保存.

2.1.3運動火源模型實驗裝置

(1)車載運動火源的實現(xiàn)

通過對現(xiàn)有隧道火災(zāi)模型實驗裝置進行改造，實現(xiàn)了列車攜帶火源運動的模型實驗.基本原理是給模型列車裝置上安裝驅(qū)動電機，通過傳動機構(gòu)牽引模型列車運動，將燃料油盤固定于安裝在模型列車內(nèi)部的質(zhì)量傳感器上，如圖3所示.

圖3　運動火源裝置示意圖

嚴(yán)格意義而言，運動火源模型實驗與實際列車運動相比具有更好的相似性.但由于隧道模型的長度有限，模型列車的運動速度和運動時間受到限制，其運動速度較小，與實際列車常用旅行速度的對應(yīng)關(guān)系有一定差距，只可與較低的實際列車運行速度相對應(yīng)，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)滿足流動相似性.

(2)質(zhì)量損失速率測量

先測定燃料在靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量損失率,

(5)

該質(zhì)量損失率可近似認(rèn)為是絕對運動實驗下火源運動到終點后的靜止燃燒階段的質(zhì)量損失率，其中ms為靜止燃燒階段的質(zhì)量.

則運動階段的質(zhì)量損失率可以通過下式計算出來：

(6)

式中,mm為運動燃燒燒階段的質(zhì)量.

2.1.4模型尺寸、油盤及燃料

隧道模型內(nèi)凈空斷面尺寸：15 m(長)×0.471 m(寬)×0.517 m(高);列車模型尺寸為：3 m(長)×0.26 m(寬)×0.350 m(高).油盤固定安裝于列車模型上的質(zhì)量傳感器(測定燃料質(zhì)量變化)上，火源采用燃油倒入油盤燃燒的方式.油盤尺寸為：200 mm(寬)×200 mm(長)×25 mm(深).

選擇正庚烷作為燃料，正庚烷的燃燒屬于快速型燃燒,其發(fā)熱量大，燃燒穩(wěn)定，比較符合地鐵火災(zāi)的情況[6,11- 13].

2.2模型實驗數(shù)據(jù)向原型的相似變換

前述靜止火源、運動火源的火災(zāi)模型實驗均是在1∶8縮尺隧道模型實驗臺上完成的.下面通過相似原理進行變換，得到適合于原型的分析數(shù)據(jù).

在隧道列車火災(zāi)中，浮力效應(yīng)起主導(dǎo)作用，火源附近的煙氣流動為重力流；在機械通風(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、容易進入阻力平方區(qū)，雷諾準(zhǔn)則自動滿足.因此，采用弗勞德準(zhǔn)則作為相似準(zhǔn)則，溫度比例尺確定為1.

設(shè)幾何比例尺為Lm/Lr=1/8，則由Fr準(zhǔn)則得

(7)

速度關(guān)系：

vm=vr/(Lm/Lr)0.5=

(8)

熱釋放速率關(guān)系：

Qm=Qr/(Lm/Lr)2.5

(9)

式中，v為煙氣流速，m/s；L為幾何尺度，m；Q為熱釋放速率，kW；g為重力加速度，m/s2；下標(biāo)m代表模型，r代表原型.在后面的分析中，所涉及到實驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換均依此為據(jù).

2.3質(zhì)量損失速率隨列車速度變化規(guī)律

經(jīng)相似變換，由實驗得到的質(zhì)量損失速率隨列車運行速度的變化規(guī)律如圖4所示.由圖4可知，當(dāng)車速較小(即小于5 m/s)時，燃料的質(zhì)量損失率分布較為集中；之后隨著列車速度的增加，質(zhì)量損失率減小，減小到某值后又隨著車速的增大而增大.因此，存在一個車速，使得對應(yīng)的質(zhì)量損失率最小.這一過程的機制是：在處于燃料控制時，列車的速度較低，既能保證充足的氧氣供應(yīng)，又不會帶走過多的熱量；當(dāng)車速逐步增大時，雖然能保證供氧的充分，但帶走的熱量明顯增加，使得回饋到火源的熱量減少和溫度降低，從而使得燃燒減弱、質(zhì)量損失率下降，直至某一個較低值.車速進一步增大，燃燒由燃料控制轉(zhuǎn)為通風(fēng)控制，出現(xiàn)轟然的可能性大大加強，因此，質(zhì)量損失率隨著列車的速度增大而增大.

圖4　質(zhì)量損失速率隨列車速度變化的擬合曲線

由于低速的數(shù)據(jù)點較為集中，因此，可以將其歸為其分布中心，按照二次曲線進行擬合，從而得到質(zhì)量損失速率隨列車速度變化的擬合曲線，其擬合關(guān)系式為

(10)

式中，v0=0.735 39 ～23.606 25 m/s，相關(guān)系數(shù)r2=0.956，平均誤差為4.7%.

3空氣供入的質(zhì)量流率

圖5　隧道和列車之間的環(huán)形空間中的氣流組織示意圖

Fig.5Sketch map of air distribution at the annular space between the tunnel and the train

3.1列車-隧道環(huán)形空間的流場特征

處于列車和隧道環(huán)形間隙中的氣流，流速分布有3種情況[9]，如圖6所示.其中，h為列車壁面與隧道壁面之間的距離，h1、h2為速度極值點的位置，h1+h2=h，vmax1為h1處流體相對于列車的速度(m/s)，vmax2為h1處流體相對于隧道的速度(m/s)，v0為列車行駛速度(m/s).

A型流場臨界型流場 B型流場

圖6列車(動壁面)與隧道(靜壁面)間環(huán)形空間的流場類型

Fig.6Flow type at the annular space between the tunnel and the train

3.2原型地鐵隧道-列車環(huán)形空間的流場型式

按照文獻[10]的方法，將列車簡化為圓柱體，隧道內(nèi)壁簡化為圓柱面，列車在隧道中的運行看作是同心圓柱面的相對運動，因此，可通過水力損失相等，將列車和隧道的矩形斷面分別轉(zhuǎn)化為具有水力直徑的當(dāng)量圓.

h=R2-R1=0.613

(11)

η=R1/R2=0.733

(12)

列車壁面的摩擦系數(shù)cf1為

(13)

臨界壓力梯度為

(14)

臨界流量為

(15)

1.53+1

(16)

3.3環(huán)形空間A型流場的回風(fēng)量計算

由文獻[9]可知，對于A型流場，隧道與列車之間環(huán)形空間的流量為

(17)

對式(11)-(17)賦予多個v0值，可以得到體積流量隨車速變化的曲線如圖7所示，擬合可得

Q=3.9v0

(18)

相關(guān)系數(shù)r2=0.987.

圖7　體積流量和車速之間的關(guān)系

Fig.7The relationship between volume flow and train velocity

4地鐵隧道列車運動火災(zāi)的優(yōu)化速度

采用正庚烷作為燃料，其密度為0.659 4 kg/m3，燃燒熱值為44.6 kJ/g，沸點為98.5 ℃，蒸發(fā)熱hfg=0.32 kJ/g，液體比熱容cp，0=2.2 kJ/(kg·K),常溫為25 ℃，燃燒化學(xué)反應(yīng)方程如下：C7H16+11(O2+3.76N2)→7CO2+8H2O+11×3.76N2

(19)

(20)

列車絕對運動時，由式(18)可知，流過環(huán)形空間的體積流量Q與列車速度v0的關(guān)系式為Q=3.9v0，則

(21)

于是通風(fēng)因子

(22)

(24)

在相對運動試驗中，列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，試驗中無回流，與實際相比，測得的速度偏大，因此需要把列車靜止的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成列車運動的數(shù)據(jù)，使之符合實際情況，由此得到相對準(zhǔn)確的速度.

真實的活塞風(fēng)的風(fēng)量q等于列車靜止時送風(fēng)的流量q′減去運動時環(huán)形空間的流量Q.

由式(12)可得運動時環(huán)形空間的流量Q=3.9v0；送風(fēng)風(fēng)量q′=v′A，其中，v′為列車靜止時送風(fēng)風(fēng)速，A為隧道斷面面積.則活塞風(fēng)風(fēng)速

(25)

由式(2)-(4)、(20)-(25)得到列車靜止及運動時的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1列車靜止及運動時的熱力學(xué)參數(shù)(原型)

Table 1Thermodynamic parameters at relative and absolute motions of the train(prototype)

運動列車速度/(m·s)m·a/(kg·s)Φ'絕對運動0.735390.003440.892700.880.848530.003970.965220.861.414210.006620.700700.911.896400.012030.69210.93相對運動5.127640.026940.172540.9311.989190.073040.031080.9317.559940.110470.028230.9323.606250.151090.033810.93

由表1可知，當(dāng)車速較低時(小于1.896 4 m/s)，燃燒效率隨著列車速度的增大而增大，最大波動在7.5%左右；當(dāng)列車速度超過1.896 4 m/s時，隨著列車行駛速度的增大，燃燒效率不變，基本接近靜止?fàn)顟B(tài)下的值，可以近似地把燃燒效率看作一個定值來考慮.因此，質(zhì)量損失速率的極值可以被看作為熱釋放速率的極值.由式(1)可得，

(26)

熱釋放速率隨車速的變化形狀為開口向上的剖物線，存在最小值.對式(26)中的車速求導(dǎo)，并令其等于零，則可以得到最小的熱釋放速率對應(yīng)的車速v0m，該值即為最佳的列車行駛速度.

(27)

V0m=13.33 m/s=48 km/h

(28)

因此，地鐵列車著火后繼續(xù)向前行駛時，就熱釋放速率而言，最優(yōu)的列車行駛速度為48 km/h，即北京地鐵列車著火后以48 km/h的速度繼續(xù)在隧道內(nèi)向前行駛是安全的.

5結(jié)論

(1)在模型試驗的測試速度內(nèi)，隨著列車速度的增大，質(zhì)量損失速率先減少后增大，呈開口向上的剖物線形狀；

(2)當(dāng)列車速度較低時(小于1.896 4 m/s)，燃燒效率隨著列車速度的增大而增大，最大波動在7.5%左右；當(dāng)列車速度超過1.896 4 m/s時，隨著列車行駛速度的增大，燃燒效率不變，基本接近靜止?fàn)顟B(tài)下的值，可以近似地把燃燒效率看做一個定值來考慮；

(3)以北京地鐵某條線路為例，得到列車著火后繼續(xù)在隧道內(nèi)行駛時，使熱釋放速率最小的列車行駛速度為48 km/h.

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Effects of Moving Speed of On-Fire Subway Train on Heat Release Rate

XIYan-hongMAOJun

(School of Civil Engineering and Architecture∥Beijing Key Laboratory of Track Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China)

Abstract:If a train traveling in the tunnel is on fire, the corresponding emergency plan is usually to make the train continue running to the next station as far as possible, instead of stopping in the tunnel. This paper takes a moving on-fire train in subway tunnels as the research object, and uses the channel Couette flow, the heat and mass transfer and the combustion reaction kinetics to explore the combustion characteristics of the fire affected by such two factors as the air quantity in the annular space between the tunnel and the train and the piston wind in the tunnel, followed with some small-scale model experiments. Then, the return air quantity is derived, and the relationship between the fire heat release rate and the running speed of the train is modeled. Finally, a reasonable speed for the on-fire train, which keeps the fire heat release rate at a relatively low level, namely 48 km/h, is suggested. The research achievements and the proposed method provide theoretical guidance for the emergency rescue of the on-fire train in subway tunnels.

Key words:tunnel; train fire; heat release rate;model experiment; running speed

收稿日期:2015- 09- 02

*基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51308040,51578061);博士點新教師基金資助項目(20130009120024);北京市科委課題(Z131100004513010)

Foundation items: Supported by the Natural Science Foundation of China(51308040,51578061),the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(20130009120024) and Beijing Municipal Science & Technology Commission(Z131100004513010)

作者簡介:郗艷紅(1980-)，女，博士后，講師，主要從事火災(zāi)安全、高速列車空氣動力學(xué)與行車安全等的研究.E-mail:yhxi@bjtu.edu.cn

文章編號:1000- 565X(2016)04- 0123- 07

中圖分類號：U 231;TU 89

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.018