隧道火灾烟气回流与临界风速模型试验

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地铁隧道火灾纵向通风临界风速的确定

地铁隧道火灾纵向通风临界风速的确定任神河;韩凯旋【摘要】Taking some tunnel section in Xi'an Metro Line 2 as the research object, by using theoretical calculation and FDS software for fire simulation, finding out the relationship between fire heat release rate and critical velocity of longitudinal ventilation. According to fire heat release rate, the critical wind speed can be quickly calculated to achieve rapid rescue.%以西安地铁2号线南门到钟楼的隧道某区段为研究对象,运用理论计算和采用FDS软件进行火灾模拟仿真,找出了火源热释放率与纵向通风临界风速的关系,从而可以根据火源热释放率快速计算出临界风速,达到快速救援的目的.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)009【总页数】3页(P132-134)【关键词】地铁隧道;热释放率;临界风速;火灾模拟【作者】任神河;韩凯旋【作者单位】长安大学信息工程学院,陕西西安710064;长安大学电子与控制工程学院,陕西西安710064【正文语种】中文【中图分类】TN911.7-340 引言现在乘坐地铁成为市民日常生活的常事，但是由于地铁隧道本身的特点，一旦发生火灾，如果不能及时控制高温烟气，必然会对人员的安全构成严重威胁。

为了防止事故后火灾烟气回流，为人员逃生及火灾救援提供上游安全通道，进行机械通风就显得尤为重要了。

纵向通风系统由于具有良好的烟气控制效果，广泛用于隧道火灾通风设计中。

068城市地下交通联系隧道临界风速关联式的建立与验证

组不同火灾工况进行计算，分别得出这 16 组工况下临界风速拟合值和公式计算值，不同工况下的临界风速分布如图 2 所示。可以看出，临界风速关联式拟合曲线的效果很好，各工况点的偏差均在 8% 以内，模拟值均匀的分布在曲线的周围。同时也可以看出，由于 WuBakar 提出的临界风速公式没有很好地考虑到隧道截面宽高比的影响，导致计算得出的 V 值比模拟值偏小，计算值所产生的误差在 20%左右，其中最大误差高达 27.4%。 3.2 临界风速关联式的验证与对比为验证临界风速拟合关联式的准确性，建立火源功率为 5MW 的火灾工况，隧道尺寸为 100m× 8m× 5m（长×宽×高），其他边界条件和初始条件与上述模拟相同。由模型隧道尺寸可知，隧道的宽高比 n=1.6，隧道水力直径 H=6.15m。由上 WuBakar 提出的临界风速计算公式计算得出的该火灾工况下的临界风速为 1.71m/s，由临界风速拟合关联式计算得出的临界风速为 2.32m/s。利用 FDS 数值模拟软件，对该隧道火灾工况进行模拟，不同纵向风速下隧道烟气分布如下：
根据模拟结果，利用数据分析软件 Matlab 拟合 UTLT 的临界风速关联式：V=f(Q, H, n)。拟合得出的临界风速关联式的相关系数 R-square=0.91，说明该关联式可靠性很强，拟合关联表达式具体如下：
1
a) 纵向风速 V=1.71m/s 时隧道内的烟气分布
Q 3 V 1.74 n 0.236 0.8642 H
Q '' Qc
2.3 临界风速的判定临界风速是指使烟气不发生回流的最小纵向风速。因此，可以根据烟气回流长度和纵向风速的关系，来判定临界风速的大小。建立火灾场景，火源功率 Q 为 20MW，隧道模型尺寸为 100m× 12m× 4.3m（长× 宽× 高），模型中的其他设置与模拟的初始条件相同。通过改变纵向风速的大小，设置了 4 个不同的火灾工况。分析观察温度测点所测得的隧道顶部的温度分布，计算出温度为 23℃的位置点，则该点与火源上游边缘的距离即为烟气的回流长度，如下表所示：表 1 不同纵向风速下的烟气回流长度

隧道阻塞比对临界风速影响的模型试验研究

要：分析阻塞比对临界风速的影响，采用１：２０缩尺隧道模型，在火源功率为５．８８ｋＷ时，对９种不
同阻塞比的临界风速进行模型试验研究。结果表明：有车辆阻碍物时ＩＩ缶界风速明显降低，并随着阻塞比的增大
而减小，且减小比例略小于阻塞比；对临界风速的测量值进行数据拟合得到阻塞比修正系数为０．５４８，从而提出
推力，导致只需较小洞口送风风速即可抑制烟气逆流现象的发生。定义隧道阻塞比口为车辆截面积Ａ曲。与隧道
时有车辆阻塞的实际情形，因为阻塞的车辆会占据隧道的部分空间，使得隧道内纵向通风过流面积减
小，进而影响临界风速。
本文采用武汉三阳路地铁盾构隧道缩尺模型，
对不同阻塞比的多个工况进行火灾模型试验，详细
探讨车辆阻塞对临界风速的影响，并比较分析不同
学者所得临界风速减小比例愚与阻塞比的关系。
式中：
为全断面风速，ｍ・Ｓ＿。；Ｖｌ。为局部断
助项目（２０１３Ｍ５４０８３０）；北京市博士后科研活动经费资助项目（２０１３ＺＺ－０２）作者简介：姜学鹏（１９７６一），男，山东青岛人，副教授，博士。
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中
国
铁
道
科
学
第３６卷
３０００ｍｍＸ３８００ｍｍ。以此列车为依据，按照１：２０的相似比，设计车辆模型的长度和宽度为定值，分别为７０００和１８０ｍｍ，高度取１０种，详见表１，

地铁隧道火灾临界风速数值模拟分析

地铁隧道火灾临界风速数值模拟分析陈霖;毕海权;刘小霞;王菁【摘要】以目前工程上采用侧式疏散平台进行火灾人员疏散救援的地铁区间隧道为背景,使用三维CFD软件“STAR-CCM+”对隧道火灾纵向通风临界风速进行数值模拟研究.通过建立更为真实的隧道火灾场景,即将列车阻塞以及疏散门开启影响因素引入火灾计算模型,得到了不同热释放速率下的临界风速,从而为地铁工程排烟系统的设计提供参考.%Under the background of widely used subway tunnel equipped with lateral evacuation platform for the fire evacuation and rescue,the paper uses the new generation of CFD software "STAR-CCM+",applies the numerical simulation model to study the critical velocity of subway tunnel fires in longitudinal ventilation.The paper establishes a more real tunnel fire scene by introducing the influencing factors of blocked train and opened evacuation doors to the fire calculation model.At last,the paper obtains the critical velocity in the different heat release rate,which can provides reference for the design of the metro engineering exhaust system.【期刊名称】《制冷与空调（四川）》【年(卷),期】2017(031)003【总页数】4页(P245-248)【关键词】STAR-CCM+;地铁隧道火灾;临界风速;数值模拟【作者】陈霖;毕海权;刘小霞;王菁【作者单位】西南交通大学机械工程学院成都610031;西南交通大学机械工程学院成都610031;西南交通大学机械工程学院成都610031;西南交通大学机械工程学院成都610031【正文语种】中文【中图分类】TU998.1当区间隧道发生火灾时，一般采用纵向通风对烟气进行控制，使烟气在隧道内仅沿某一方向蔓延，从而在火源上游方向形成一个单侧的无烟安全疏散通道，以保证人员的安全撤离。

隧道火灾特点

隧道火灾特点隧道火灾中产生的大量烟气威胁人员逃生、影响火灾扑救路线、阻碍救援人员对伤员的救助。

就其火灾特性来说，隧道火灾由于其狭长空间形式，致使火灾的发展和烟气的蔓延特性不同于一般建筑。

隧道火灾中的烟气分层、温度分布、热释放速率以及其临界风速等，在不同送风条件下的特性也各不相同。

一、隧道火灾烟气危害性1、隧道火灾烟气对人员的危害隧道火灾发生时，其火灾烟气对人员造成的危害主要体现在以下三个方面：(1)火灾烟气具有毒害性，烟气中所含CO等有毒气体，对被困人员呼吸系统的毒害作用，危害巨大。

当火灾燃烧到一定的阶段，CO2浓度可达15% —23%,当空气中CO2浓度大于20%,或者CO浓度大于1%时，在短时间内可致人死亡。

随着火灾的发生和发展，隧道中热烟气层的高度不断降低，一旦降低至人的口鼻的高度，就会对人员的呼吸造成影响，威胁到逃生人员的生命安全。

(2)烟气具有很强的减光性，烟气的蔓延会极大降低隧道内能见度。

这一危害作用，在建筑长走廊中进行人员疏散时，尤为危险。

火灾中由于火势的蔓延破坏，使隧道内的照明中断，对人员的逃生更加不利。

(3)火灾烟气具有高温辐射性，起火点附近温度可达800—900℃，有时甚至高达1000℃以上。

高温可对人的皮肤形成热灼伤甚至导致死亡，研究表明，人在空气温度达到1500c的环境中，只能生存5min,这对逃生人员造成巨大威胁。

2隧道火灾烟气对灭火作战的影响隧道属于狭长受限空间，火灾烟气在狭长受限空间内的输运不同于一般建筑中，隧道出入口少，烟气流动距离长，不易排出，这更增大了内攻灭火和救人的难度。

(1)低能见度阻碍了侦查人员发现火点。

隧道发生火灾时，一旦供电设施断电，照明不足，进入火场内部寻找火点的消防队员就难以进行有效侦查。

若隧道内烟气大量蔓延扩散，即使有应急照明设备，照射出的灯光也难以穿透烟粒子，形成有效照明。

因此，前期的侦查行动受到火灾烟气的阻碍，会严重拖延灭火行动的开展。

(2)烟气的蔓延阻隔了内攻灭火通道。

长隧道火灾烟气运动三维数值模拟

警＋ｐ）一（一＋ｕ一
ｃ＋ｐ，忌）砉ｃ一，ｕ番（瑟一ｉｈ＋
｜＋Ｓ０ＱＲｈ（）３
非平衡态的动力过程，含多种形式的传热传质、杂化包复学反应、流流动和相变等物理、学作用，本质是在湍化其时间和空间上失去控制的燃烧现象。实际燃烧均为湍流
（）Ｐ）１＋一０砉（丢（
０．
）＋
（）５
据快速反应假设，＿求出各反应组分的化学状态参数由厂的瞬时值，通过Ｐ（）到其平均值；后求解滞止焓，再＿得厂最得到温度场分布。
度等）间存在唯一的函数关系。因此，立混合分数的之建输运方程并假定其脉动的概率密度函数，而通过概率从积分就可以完全确定湍流燃烧过程中所有标量的时平均
特性。湍流燃烧模型的基本控制方程如下：
为包含化学反应放（）的体积热源，忌／吸热／一ｐｅ为湍ｚ
流粘性系数；型系数、，、、分别为Ｏ０、模、．９０８、．、．、．９ｋ￡别为湍动能和湍动能耗散率，．５０７２８１７；、分通过带浮力修正的ｋ模型求解；为辐射热流，过 —ｓＱ通

基于因次分析的隧道火灾临界风速研究

Ｋｅｒｓ：ｉｎｉｎｌａａｙｉ；ｃｔｃｌｖｎｉａｉｎｖｌｃｔｔｎｅｒｙｗｏｄｄｍｅｓｏａｎｌｓｓｒｉａｅｔｌｔｏｅｏｉｉｙ；ｕｎｌｆｅ；ｎｍｅｃｌｓｍｕａｉｎｉｕｒａｉｌｔｉｏ
Ａｂｓｒｃ：ｈｉｎｉｎｅｓｒｔｒａｅｐｅｓｏｆｃｉｉａｅｔｌｔｎｖｌｃｔｓｅｖｄ．ＢａｄｏｈｚｙｎｔａｔＴｅｄｍｅｓｏｌｓｃｅｉｘｒｓｉｎｏｒｔｃｌｖｎｉａｉｅｏｉｗａｄｒｅｉｏｙｉｓｎＳｉｉａｇｔｎｌｅｔｎｎｌｍｏｅｓｓｔｕｎｓｓｍｕａｅｎｅｉｅｅｔｖｎｉａｉｎｖｌｃｔｅｎｔｅｓｔａｉｎｏｕｎｅ，ａｎｗｕｅｄｌｗａｅｐａｄｗａｉｌｔｄｕｄｒｄｆｒｎｅｔｌｔｏｅｏｉｉｓｏｈｉｔｆｉｕｏ０ｇａｉｎ，ｆｏｗｈｃｒｔｃｌｖｎｉａｉｎｖｌｃｔｆｅｂｓｓｒｄｅｔｒｍｉｈｃｉａｅｔｔｏｅｏｉｏｉｅｅｔｆｅｈａｅｅｓａｅｓｏｔｉｅ．ｉｌｙｆｉｈａｉｏｈｂａｎｄｓｅｄ，ｎｆｔｅｏｔｉｅｐｅｓｕｍｅｉａｉｌｔｎｗａａｒｅｕｎｅｉｅｅｔｆｅｅｔｒｌａｅｒｔｓａｄｃｒｅｒｃｌｓｍｕａｉｓｃｒｉｄｏｔｕｄｒｄｆｒｎｒｈａｅｅｓａｅｎｏ．ｏｆｉ
１ｔｏｅｏｉｏｍｕａｗａｒｓｎｅｙａａｙｉｇｐｏｓｍａｐｉｇａｃｒｉｇｔｈｂａｎｄｄｔ．ａｉｎｖｌｃｔｆｒｌｓｐｅｅｔｄｂｎｌｚｎｌｔｐｎｃｏｄｎｏｔｅｏｔｉｅａａｙ

控制纵向通风隧道火灾烟流的模型

退逆流层在断面的上部，是在救灾过程中不能把但已经发生了逆流层现象的隧道段就认为是未污染区段，带防护设备便进入该区域，是十分危险不这
的。
逆流
生火灾时，新鲜气流即为火源提供了氧气（到了助起
小，羽流运动方向接近垂直。因此，忽略新鲜气流可对火烟浮羽流的影响，烟浮羽流区的烟流轴线没火
到上升羽流中，最终还是形成主流烟流和滚退烟流。因此，烟流冲击射流区作为一个整体来考虑。假将设在烟流撞击区的密度均匀，保持进入冲击区的且
时期发生逆流时所需的“ 临界风速” 。从本模型得知临界风速取决于隧道高度和火源热释放率的大小。通过和在
原型试验隧道火灾实验数据的比较，本模型可以为防灾通风设计提供依据。
关键词隧道火灾临界速度烟流控制浮羽流
近年来，随着交通运输量的快速增加，由隧道经
燃的作用）又为烟雾产生浮羽流（部分烟流贴着，这顶板流动方向与新鲜气流方向相反，如图１示）所提
火源
图１隧道内火灾烟流示意图
供了条件。所谓临界风速，就是隧道内发生火灾时
能阻止烟雾发生逆流所需的最小风速。本文根据流
的冷空气共同上升，成气体流动。当气体运动到形
隧道拱顶时，会分成两部分，别向相反的方向流分

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利用场模型模拟研究了隧道内的烟气流动。研究表明，在３ＭＷ的地铁火灾强度下，ｓ的纵向风速可以有２ｍ／
时，制烟气回流所需临界风速较大。抑
关键词：隧道火灾；向通风；临界风速纵
根据实验测量结果，证了理论模型的有效性。验在工程应用上，同的国家和组织对不同的隧道类不型规定了不同的纵向风速值。１８９７年，界道路协会建世议临界风速为：车火灾为１２ｍ／；共汽车或者卡客～ｓ公
建骑火筑设计
隧道火灾烟气回流与临界风速模型试验
・
周庆倪天晓。。，彭锦志，志胜。徐
（．南省消防总队，南长沙４００；１湖湖１２５
２中南大学防灾科学与安全技术研究所，南长沙４０７）．湖１０５
流临界风速的研究现状和规范规定。通过ＦＤＳ数值模拟和缩
尺寸模型试验对临界风速与隧道坡度的关系进行对比分析，得
出结果认为，值模拟和模型试验结果基本符合；同一个坡数在度下，向通风速率与回流长度近似成线性关系；纵当坡度为零
系式，并将隧道断面的当量直径作为特征尺寸。
在数值模拟研究方面，国的ＣＣＨｗａｇ和Ｊｄ美ｎＥ－Ｃｗａｄ利用风速问ｒｓＤ题。结果表明，火源功率增大到一定程度时，界风速当临将不再随火源功率的变化而改变，同时，研究得出了新还的临界风速计算关系式。在国内，华大学的李先庭等清
员危害，隧道消防工程中需要解决的一个重要问题。是在公路隧道火灾的纵向排烟模式下，在隧道的纵向提要供一个纵向风速，导火灾烟气在隧道内单向流动，引以避免烟气对火源上游侧受阻车辆和人员的影响。因此，隧道内提供的纵向风速应满足抑制烟气向上游侧发生逆向流动的现象，烟气回流现象。当提供的纵向风速刚好即能使烟气的回流长度为零时，时的纵向风速为临界风这速。当隧道内的纵向风速大于临界风速时，确保火源可上游侧处于安全环境，止火灾烟气对上游侧受阻车辆防与人员的危害，时也为前来救援的消防队员提供一个同扑救火灾的安全通道。为此，制烟气回流的临界风速抑
中图分类号：１．。Ｔ３Ｘ９３４Ｕ８４
文献标志码：Ａ
文章编号：０９０９２１）７５０４１０ —０２（０１０ —０８ —０
隧道火灾中，气是危害人员生命安全的最主要因烟
素，如何合理有效地控制与排除烟气，少隧道火灾对人减
一
效抑制火灾热烟气向上游流动。周孝清等人利用Ｐｏ— ｈｅｎｃ模拟研究了隧道断面形状对临界风速和隧道内温度ｉｓ和浓度分布的影响，合得出了烟气逆流层长度和通风拟速度大小的变化关系式。张娜等人利用ＣＸ．研究了Ｆ５５火灾时坡度隧道内的临界风速问题，出了临界风速的得坡度修正公式。王日升利用ＣＸ．对美狐林隧道内发Ｆ５５生火灾时烟气流动进行了三维瞬态的模拟计算，究了研烟气在隧道内的分层扩散现象，及不同火源情况下的以临界风速。胡隆华提出水平坡度下回流长度和临界风速的理论预测模型，利用模型试验结果对理论模型进行并了验证。蒋军成在建成的隧道中实施全尺寸火灾试验，研究隧道火灾自然通风模式下的烟气温度纵向变化数据和纵向蔓延情况，立了计算烟气逆流距离的预测公式，建
摘要：结国内外隧道火灾纵向通风排烟下抑制烟气回总
动影响的实验，出了临界风速的坡度修正系数，该公提使式得到了进一步完善。Ｗｕ和Ｂｋｒ５种具有相同高ａａ对度、同宽度的隧道断面进行了实验研究，将试验与数不并值模拟结果进行对比分析，出了新的临界风速计算关提