城市轨道交通隧道燃烧过程分析

隧道发生火灾时，隧道内的纵向通风会影响烟气流动和温度变化，而处于不同通风环境下的隧道环境指标变化是不同的，图6-5为风机风速分别为0、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s的隧道内烟气流动过程图。由于隧道模型尺寸较大，为便于展示，将其划分为左右两段进行监测。模型中的着火源位于列车中部，隧道火势不断增加，烟气也会随之弥漫。在图6-5（a）中可知，当纵向风速为0时，两侧烟气蔓延速度呈现对称，随着纵向风速的不断升高，烟气向下游弥漫的速度明显高于上游烟气弥漫的速度，且当风速越大，烟气通过上游风机所在的区段就越困难。

图6-4　不同纵向风速下隧道内的烟气流动状态

烟气通过列车车门抵达隧道内，使两端隧道烟气浓度逐渐升高，烟气最初均匀分布在隧道顶端，随着隧道火势的增加，烟气浓度不断增加，烟气高度也会不断降低，能见度下降，最终严重影响到隧道内行人安全。以纵向机械通风风速为4 m/s的情况为例，纵向机械通风风速为4m/s时的隧道内能见度变化切片图如图6-5所示。

通过图6-5我们可以看出，当隧道纵向通风风速被设置为4 m/s时，模拟初始阶段，火源还处于未燃烧的状态，隧道内左右能见度处于一个较高的水平，在图6-4（c）中的场景图中也可以看出，此时隧道内还处于较为正常的状态。随着火源温度的不断升高，位于列车中部的燃烧物开始燃烧，并生成燃烧产物。在500 s时，图中左右两侧隧道内已充斥有大量的浓烟，其有浓烟的区域的能见度明显降低。由于隧道内存在纵向风速为4 m/s的纵向通风，隧道内下游的烟气弥漫速度会有所不同，下游（右侧）烟气明显比上游（左侧）烟气弥漫速度更快。当1 000 s时，可以看出此时下游联络通道中已有烟气，而上游的联络通道在纵向通风的影响下还处于无烟气的状态。随着时间的延长，最终隧道内上下游均被烟气影响。

图6-5　风速为4 m/s的情况下隧道内的能见度变化切片

图6-6中展示的是2 500 s时间内，不同纵向通风条件下XOZ平面的纵向隧道温度切片图，在相同燃烧条件下，由于燃烧过程的随机性，不同风速对该切面的温度影响变化并不明显，但也是有规律可循的，以纵向通风风速设定为4 m/s时XOZ轴温度切片图为例，在图6-6（c）中可以看出在0 s时，隧道内还未燃烧；当燃烧至100 s时，着火位置的温度不断升高，车厢周围的温度也不断上升；到500 s时，车厢内温度还处于不断升高的趋势，并且在列车外围的空气的温度也逐渐提升；到1 000 s时，可以看出着火位置的温度有所下降，这可能是由于随着时间的推移，车厢内氧气含量不断降低，从而抑制了车厢内的燃烧；直到1 500 s时，车厢内温度才相对有所降低，此时列车外围的温度有所提升；当2 500 s时，模拟时间结束，能够发现车厢内部温度降低，车厢外部温度还处于不断上升的趋势。

图6-6　不同纵向风速下的隧道温度切片图（XOZ平面）

图6-7展示的是列车停靠区段，不同纵向风速下X=5 m平面的隧道内温度切面图，可以看出：温度变化过程与烟气变化类似，温度会随着烟气浓度的升高不断提升。最初着火位置的温度逐渐升高并达到最高，两侧温度较低，随着着火时间的延长，燃烧产物的增加，两侧温度会随着产生烟气量的提升而逐渐上升。而风机的不同风速对列车内部的温度稍有影响。在不同风速下，列车右侧的温度与列车左侧的温度相比相对较高。

(www.xing528.com)

图6-7　纵向风速为8m/s时，隧道温度切面图（YOZ平面，X=5 m）

图6-8　纵向风速为8 m/s时，隧道温度切片图（XOY平面：Z=2 m）

图6-9　纵向风速为8 m/s时，隧道温度切片图（XOY平面：Z=4 m）

图6-10　不同纵向风速下的隧道温度切片图（XOY平面：Z=6 m）

隧道内着火时，我们为便于观察截取了不同高度的温度切片图。图6-8、图6-9以及图6-10分别是列车停靠区段附近，Z=2 m、Z=4 m以及Z=6 m位置处的温度切面图，从这三幅图中可以看出，列车中火源位置的温度呈现出逐渐快速上升再保持稳定的趋势，隧道内的纵向通风对列车内的温度影响不大，在100 s时，由于火势不大，隧道内温度蔓延较慢，上下游隧道内的温度变化还处于相对对称的状态，当风机纵向通风风速变大时则稍有不同，下游的温度明显高于上游，对比相同时间下不同切片高度下的温度变化，可知Z=6 m是位于列车顶部的切片，整个列车的温度最初很低，随后逐渐上升，Z=4 m是位于列车中部的切片，该切片的温度在最初阶段是车厢内温度最高的，随后温度逐渐稳定并稍有降低，而Z=2 m是位于列车较低位置的切片，整个燃烧过程，其温度都处于较低的阶段。其温度主要是受到烟气弥漫的影响，因此燃烧过程中产生的烟气是弥漫在列车顶部的，并随着烟气的逐渐增多，烟气会逐渐下压，威胁到车厢内乘客的安全。