隧道列车着火后行驶速度对热释放速率的影响郗艳红;毛军【摘要】隧道火灾中,列车着火的可能性较大,着火后的应急处置办法是尽量带火运行到前方车站.文中以向前行驶的隧道列车火灾为研究对象,应用槽道科特流、传热传质和燃烧反应动力学理论,结合缩尺火灾模型试验,研究了列车在着火后继续在隧道内行驶时,隧道列车环形空间内的回风风量、隧道内的活塞风效应及其对火灾燃烧特性的影响,给出了回风风量的表达式,建立了火灾热释放速率与列车运行速度的关系模型,得到了使得火灾强度维持在较低水平的列车合理运行速度——48 km/h.研究成果和方法可为隧道列车火灾的应急救援设计提供理论依据和指导.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(044)004【总页数】7页(P123-129)【关键词】隧道;列车火灾;热释放速率;模型实验;运行速度【作者】郗艳红;毛军【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院∥轨道工程北京市重点实验室,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院∥轨道工程北京市重点实验室,北京100044【正文语种】中文【中图分类】U231;TU89近50年地铁列车发生火灾的情况比较多，例如2003年韩国大邱地铁，乘客进入车厢后人为纵火引起火灾，造成数百人死亡的惨剧；2006年8月，北京地铁一辆运行的列车发生火灾，因补救及时未造成人员伤亡.对于列车在隧道内行驶的情况，车厢发生火灾时，被迫停在隧道内就地实施人员疏散和救援的难度非常大.目前德国、日本和中国等各个国家地铁的应急处置方法一般是规定列车应尽可能地行驶到前方车站实施抢险救援，以尽量保障乘客的生命安全、减少人员伤亡和财产损失[1]，但均未指出列车应按多大的速度行驶.由于列车携带火源行驶时会形成迎风风流，可能造成风助火势而使火势增强、反而加大火灾危害程度的不良后果，因此，需要研究在此过程中能够保证火灾强度不致过度增加的条件以及必要的安全控制措施，以尽量将火势控制在适当的范围内.国内外对隧道火灾的研究较多，但是绝大部分都集中于静止火源燃烧[2- 7]，对列车着火后继续在隧道内运行的安全性问题研究得较少，因此，文中采用理论分析和模型实验相结合的方法，对隧道内列车着火后继续向前行驶的安全速度进行研究，为进一步研究有关的运动体火灾特性提供参考.由于列车携带火源行驶到前方车站进行救援和抢险是国内外地铁的通行应急处置方法，具有普遍性，因此，文中的研究对于隧道列车火灾的火灾特性及烟气流动规律的研究具有一定的科学意义，对改进地铁隧道火灾应急处置预案、保证乘客的生命安全和减少财产损失以及实际运营中的火灾防灾减灾具有现实意义.火灾热释放速率是隧道列车火灾的主要决定因素之一，不仅表征火势的大小，也直接影响火区温度及烟气扩散的空间和时变特性.火灾的热释放速率与可燃物燃烧是否充分有关，燃烧是否充分又与流经火源的气流流速大小密切相关.气流速度过大既可能减弱火势，也可能加剧火灾的发展和蔓延.在其他条件确定的情况下，这一气流速度的大小取决于列车的行驶速度，因此，需确定行驶速度与热释放率之间的关系，以便确定着火列车合理的运行速度.列车在隧道中着火时，与开放环境中的燃烧相比，有两个显著特点：隧道内有大量的热量积累，强化了对可燃物表面的传热；燃烧所需空气的供应依赖于隧道中的通风条件，也就是列车向前运动时产生的风量的大小.对于给定的可燃物，受限燃烧的热释放速率与通风条件密切相关.通风条件下的热释放速率可表示为[8- 9]Q=Γ=αexp(-βΦ-ξ)对于受限空间中的燃烧,式中，Q为热释放速率，kW；′为通风影响下的燃烧效率；f为可燃物的质量损失速率，kg/s；HT为可燃物的热值，kJ/kg；为无风条件下的燃烧效率，Γ为通风控制燃烧因子;Φ为通风系数；ka为空气对燃料的质量化学当量比,Cd为空气流入系数，d为空气供入的质量流率，kg/s.根据文献[8],各个系数可取值如下：α=-0.97、β=2.5、ξ=1.2；Cd=0.8.若想得到通风条件下热释放速率，需要知道可燃物的质量损失速率值f和空气供入的质量流率a.下面通过模型实验的方法得到可燃物的质量损失速率，通过文献[9]给出的方法求空气供入的质量流率.2.1 实验原理及装置2.1.1 实验基本原理列车运动体火灾的模型实验采用两种方法：一是相对运动模型实验，即假定列车静止、给定来流风速来模拟列车运动；二是绝对运动模型实验，即使列车携带火源在隧道内做真实运动.图1为这两种方法的原理图.对于相对运动模型实验，隧道和列车均是静止的，通过前方给定来流模拟列车运动.由于列车处于静止状态，试验中无回流，与实际相比，测得的速度会略偏大，需要进行修正.尽管如此，图1表明，基于相对运动原理的模型实验仍可以反映气流速度对火源强度的影响.虽然基于相对运动的模型实验与真实的列车运动情况存在一定的误差，但其优点是可以通过增大来流风速来模拟较高的列车运动速度.对于绝对运动模型实验，即按照实际情况使火源随车运动.受隧道火灾模型实验台长度的限制，模型列车做绝对运动时的实验速度较小，但这一缺点可由基于相对运动原理的模型实验来弥补.因此，文中将相对运动和绝对运动原理的方法结合起来，测定火源的质量损失速率. 完成缩尺模型实验后，通过相似原理将模型试验结果换算到原型，进而对原型运动火灾的特性进行分析.2.1.2 相对运动模型实验装置由于客观条件的限制，难以在现场进行隧道列车火灾的全尺寸试验，因此，采用1∶8模型实验，再通过相似变换对原型进行研究.此模型比例尺可以保证与原型实验的相似性和精度[10]，隧道模型实验装置如图2所示.采用数字式交流变频器对风机进行调速，改变风量；进、排风量通过安装在送、排风管上的调节阀和排烟口风门开度调节.风流的分配和控制通过阀门的开关组合模式来控制.实验过程中,温度和燃料质量数据实时采集,并自动保存.2.1.3 运动火源模型实验装置(1)车载运动火源的实现通过对现有隧道火灾模型实验装置进行改造，实现了列车携带火源运动的模型实验.基本原理是给模型列车装置上安装驱动电机，通过传动机构牵引模型列车运动，将燃料油盘固定于安装在模型列车内部的质量传感器上，如图3所示.严格意义而言，运动火源模型实验与实际列车运动相比具有更好的相似性.但由于隧道模型的长度有限，模型列车的运动速度和运动时间受到限制，其运动速度较小，与实际列车常用旅行速度的对应关系有一定差距，只可与较低的实际列车运行速度相对应，在一定雷诺数范围内满足流动相似性.(2)质量损失速率测量在火源随车绝对运动实验中，移动火源在运动到隧道尽头后仍在燃烧，因此燃料燃烧包括运动燃烧和停车后静止燃烧2个阶段.这2个阶段的燃料质量损失率是不同的.可将实验过程中燃料的质量损失分成两个部分，即fm，相应的燃烧时间也分成两段，即t=ts+tm.其中fs为静止燃烧阶段的质量损失率，fm为运动燃烧阶段的质量损失率，ts为静止燃烧的时间，tm为运动燃烧的时间.先测定燃料在静止状态下的质量损失率,该质量损失率可近似认为是绝对运动实验下火源运动到终点后的静止燃烧阶段的质量损失率，其中ms为静止燃烧阶段的质量.则运动阶段的质量损失率可以通过下式计算出来：式中,mm为运动燃烧烧阶段的质量.2.1.4 模型尺寸、油盘及燃料隧道模型内净空断面尺寸：15 m(长)×0.471 m(宽)×0.517 m(高);列车模型尺寸为：3 m(长)×0.26 m(宽)×0.350 m(高).油盘固定安装于列车模型上的质量传感器(测定燃料质量变化)上，火源采用燃油倒入油盘燃烧的方式.油盘尺寸为：200mm(宽)×200 mm(长)×25 mm(深).选择正庚烷作为燃料，正庚烷的燃烧属于快速型燃烧,其发热量大，燃烧稳定，比较符合地铁火灾的情况[6,11- 13].2.2 模型实验数据向原型的相似变换前述静止火源、运动火源的火灾模型实验均是在1∶8缩尺隧道模型实验台上完成的.下面通过相似原理进行变换，得到适合于原型的分析数据.在隧道列车火灾中，浮力效应起主导作用，火源附近的烟气流动为重力流；在机械通风的条件下，离火源较远处的气流是压力流，但由于雷诺数较大、容易进入阻力平方区，雷诺准则自动满足.因此，采用弗劳德准则作为相似准则，温度比例尺确定为1.设几何比例尺为Lm/Lr=1/8，则由Fr准则得速度关系：vm=vr/(Lm/Lr)0.5=热释放速率关系：Qm=Qr/(Lm/Lr)2.5式中，v为烟气流速，m/s；L为几何尺度，m；Q为热释放速率，kW；g为重力加速度，m/s2；下标m代表模型，r代表原型.在后面的分析中，所涉及到实验数据的转换均依此为据.2.3 质量损失速率随列车速度变化规律经相似变换，由实验得到的质量损失速率随列车运行速度的变化规律如图4所示.由图4可知，当车速较小(即小于5 m/s)时，燃料的质量损失率分布较为集中；之后随着列车速度的增加，质量损失率减小，减小到某值后又随着车速的增大而增大.因此，存在一个车速，使得对应的质量损失率最小.这一过程的机制是：在处于燃料控制时，列车的速度较低，既能保证充足的氧气供应，又不会带走过多的热量；当车速逐步增大时，虽然能保证供氧的充分，但带走的热量明显增加，使得回馈到火源的热量减少和温度降低，从而使得燃烧减弱、质量损失率下降，直至某一个较低值.车速进一步增大，燃烧由燃料控制转为通风控制，出现轰然的可能性大大加强，因此，质量损失率随着列车的速度增大而增大.由于低速的数据点较为集中，因此，可以将其归为其分布中心，按照二次曲线进行拟合，从而得到质量损失速率随列车速度变化的拟合曲线，其拟合关系式为式中，v0=0.735 39 ～23.606 25 m/s，相关系数r2=0.956，平均误差为4.7%. 隧道列车发生火灾继续向前运行时，由于隧道壁的限制，列车所排开的空气不能全部绕流到列车后方，必然有部分空气被列车推向隧道出口，在列车的推动下，列车前方的气体顺着列车的运动方向流动，形成活塞风.燃烧火源处于列车壁与隧道壁之间，活塞风效应产生的回风风流绕流火源，如图5所示.若列车与隧道壁之间的环形空间体积流率为Q，则空气供入的质量流率a=ρQ,ρ为空气密度.3.1 列车-隧道环形空间的流场特征处于列车和隧道环形间隙中的气流，流速分布有3种情况[9]，如图6所示.其中，h为列车壁面与隧道壁面之间的距离，h1、h2为速度极值点的位置，h1+h2=h，vmax1为h1处流体相对于列车的速度(m/s)，vmax2为h1处流体相对于隧道的速度(m/s)，v0为列车行驶速度(m/s).3.2 原型地铁隧道-列车环形空间的流场型式以北京地铁火灾为例，实际列车和隧道的断面均近似为矩形，列车的长度L0=120 m，列车宽度B1=3 m，列车截面高度H1=3.84 m；隧道长度L=1 290 m，隧道宽度B2=4.25 m，隧道截面高度H2=5 m；空气密度ρ=1.2 kg/m3；运动黏度ν=1.4×10-5 m2/s；=0.025,K=0.4.按照文献[10]的方法，将列车简化为圆柱体，隧道内壁简化为圆柱面，列车在隧道中的运行看作是同心圆柱面的相对运动，因此，可通过水力损失相等，将列车和隧道的矩形断面分别转化为具有水力直径的当量圆.列车的水力直径为，列车断面转化为圆后，截面半径R1=1.684 m；隧道的水力直径为=4.595 m，隧道断面转化为圆后，截面半径R2=2.297 m，则列车与隧道间环形空间的高度h和半径比η分别为h=R2-R1=0.613η=R1/R2=0.733列车壁面的摩擦系数cf1为临界压力梯度为临界流量为Qc=1.53+1隧道与列车的长度比=10.75.式(16)中，D2为隧道断面转化为圆后的截面直径，p 为压力，下标c表示临界值，对式(16)赋予v0(v0=0.735 39～23.606 25 m/s)值，算出c的值，由判断流场的判定条件可知[9]，地铁列车着火后向前运行时均为A型流场.3.3 环形空间A型流场的回风量计算由文献[9]可知，对于A型流场，隧道与列车之间环形空间的流量为Q=对式(11)-(17)赋予多个v0值，可以得到体积流量随车速变化的曲线如图7所示，拟合可得Q=3.9v0相关系数r2=0.987.采用正庚烷作为燃料，其密度为0.659 4 kg/m3，燃烧热值为44.6 kJ/g，沸点为98.5 ℃，蒸发热hfg=0.32 kJ/g，液体比热容cp，0=2.2 kJ/(kg·K),常温为25 ℃，燃烧化学反应方程如下：C7H16+11(O2+3.76N2)→7CO2+8H2O+11×3.76N2列车绝对运动时，由式(18)可知，流过环形空间的体积流量Q与列车速度v0的关系式为Q=3.9v0，则于是通风因子相对运动时，列车处于静止状态，若v为活塞风速度，则在相对运动试验中，列车处于静止状态，试验中无回流，与实际相比，测得的速度偏大，因此需要把列车静止的数据转化成列车运动的数据，使之符合实际情况，由此得到相对准确的速度.真实的活塞风的风量q等于列车静止时送风的流量q′减去运动时环形空间的流量Q.由式(12)可得运动时环形空间的流量Q=3.9v0；送风风量q′=v′A，其中，v′为列车静止时送风风速，A为隧道断面面积.则活塞风风速v=由式(2)-(4)、(20)-(25)得到列车静止及运动时的热力学参数如表1所示.由表1可知，当车速较低时(小于1.896 4 m/s)，燃烧效率随着列车速度的增大而增大，最大波动在7.5%左右；当列车速度超过1.896 4 m/s时，随着列车行驶速度的增大，燃烧效率不变，基本接近静止状态下的值，可以近似地把燃烧效率看作一个定值来考虑.因此，质量损失速率的极值可以被看作为热释放速率的极值.由式(1)可得，Q=热释放速率随车速的变化形状为开口向上的剖物线，存在最小值.对式(26)中的车速求导，并令其等于零，则可以得到最小的热释放速率对应的车速v0m，该值即为最佳的列车行驶速度.′×44.6×(-0.016+0.001 2v0)=0V0m=13.33 m/s=48 km/h因此，地铁列车着火后继续向前行驶时，就热释放速率而言，最优的列车行驶速度为48 km/h，即北京地铁列车着火后以48 km/h的速度继续在隧道内向前行驶是安全的.(1)在模型试验的测试速度内，随着列车速度的增大，质量损失速率先减少后增大，呈开口向上的剖物线形状；(2)当列车速度较低时(小于1.896 4 m/s)，燃烧效率随着列车速度的增大而增大，最大波动在7.5%左右；当列车速度超过1.896 4 m/s时，随着列车行驶速度的增大，燃烧效率不变，基本接近静止状态下的值，可以近似地把燃烧效率看做一个定值来考虑；(3)以北京地铁某条线路为例，得到列车着火后继续在隧道内行驶时，使热释放速率最小的列车行驶速度为48 km/h.【相关文献】[1] 王铭珍．国外地铁如何防火 [J]．山东消防，2003(4)：9- 10.WANG Ming-zhen.How to prevent fires in abroad [J].Shandong Fire,2003(4)：9- 10. [2] ROH Jae Seong,RYOU Hong Sun,PARK Won Hee,et al.CFD simulation and assessement of life safety in a subway train fire [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(4):447- 453.[3] MENG Na,HU Long-hua,WU Long,et al.Numerical study on the optimization of smoke ventilation mode at the conjunction area between tunnel track and platform in emergency of a train fire at subway station [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40:151- 159.[4] TSUKAHARA Manabu,KOSHIBA Yusuke,OHTANI Hideo.Effectiveness of downward evacuation in a large-scale subway fire using fire dynamics simulator [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(4):573- 581.[5] JI J,ZHONG W,Li K Y,et al.A simplified calculation method on maximum smoke temperature under the ceiling in subway station fires [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(3):490- 496.[6] MAO J,XI Y H,BAI G.A model experimental study on backdraught in tunnel fires [J].Fire Safety Journal,2011,46(4):164- 177.[7] KASHEF Ahmed,YUAN Zhongyuan,LEI Bo.Ceiling temperature distribution and smoke diffusion in tunnel fires with natural ventilation [J].Fire Safety Journal,2013,62:249- 255.[8] 范维澄，王清安.火灾学简明教程 [M]，合肥:中国科学技术大学出版社,1995.[9] 荣深涛，苏红，阎冠民.同心情况下列车通过隧道的空气阻力计算 [J].北方交通大学学报,1991,15(1)：68- 84.RONG Shen-tao,SU Hong.YAN Guan-min.Calculating the air drag of a train passing through a circular tunnel in concentric position [J].Journal of Northern Jiaotong University,1991,15(1)：68- 84 .[10] NFPA 92B.Guide for Smoke management Systems in Malls,Atria and Large Areass，1995.[11] 毛军,郗艳红,李炎锋.列车着火后停留在隧道内的火焰烟气逆流临界风速 [J].土木工程学报，2011,44(3)：120- 127.MAO Jun,XI Yan-hong,LI Yan-feng.The critical velocity of the flame smoke backflow due to the on-fire train in tunnel [J].China Civil Engineering Journal，2011,44(3)：120- 127.[12] 毛军,郗艳红,樊洪明.隧道内列车着火的火焰顶棚射流温度特性研究 [J].华南理工大学学报(自然科学版)，2010,38(1):17- 24.MAO Jun,XI Yan-hong,FAN Hong-ming.Temperature characteristic of flame ceiling jet generated by fire on train in subway tunnel [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2010,38(1):17- 24.[13] 毛军,郗艳红,樊洪明.地铁隧道列车火灾的火焰顶棚射流温度特性研究 [J].土木工程学报，2010,43(2):119- 126.MAO Jun,XI Yan-hong,FAN Hong-ming.Analysis of the characteristics of the flame ceiling jet temperature due to train fire in subway tunnels [J].China Civil Engineering Journal,2010,43(2):119- 126.。
