周丹，唐子童，胡天恩，陳濤

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

地鐵作為一種快速便捷的地下公共交通工具，在緩解城市交通壓力上扮演著重要的角色。但地鐵給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，安全問題也愈發(fā)凸顯，其中地鐵火災(zāi)是造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重的災(zāi)害類型[1]。以下列出了部分國(guó)內(nèi)外重大地鐵火災(zāi)事故及其傷亡損失情況：1995 年10 月阿塞拜疆巴庫(kù)地鐵機(jī)車電路故障導(dǎo)致289 人死亡，265 人受傷；2005 年8 月法國(guó)巴黎列車起火導(dǎo)致19 人煙氣中毒；2010年3月俄羅斯莫斯科地鐵車廂爆炸造成41 人死亡，多人受傷；2017 年2 月中國(guó)香港地鐵惡意縱火事故導(dǎo)致4人死亡，17人燒傷。地鐵列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)之所以造成災(zāi)難性的傷亡，是因?yàn)樗淼揽臻g狹窄，短時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔鈱⒀杆俾樱@將對(duì)人體造成嚴(yán)重的損害[2-3]。受用地條件等因素的制約，許多地鐵隧道存在一定的曲率。相比直線隧道，曲線隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道壁面對(duì)煙氣蔓延的阻礙增大，從而導(dǎo)致曲線隧道內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律更加復(fù)雜。因此，有必要開展對(duì)曲線隧道列車火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律的研究，為進(jìn)一步合理控制煙氣流動(dòng)、減少火災(zāi)事故下的人員傷亡提供理論依據(jù)。鑒于隧道火災(zāi)造成的難以估量的損失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道內(nèi)煙氣蔓延特性進(jìn)行了大量研究，煙氣逆流現(xiàn)象則是其中的重要研究課題之一。HU 等[4]認(rèn)為當(dāng)火羽流碰撞區(qū)域的煙氣浮力驅(qū)動(dòng)力等于其慣性力時(shí)，逆流煙氣可以停止在直線隧道中傳播。LI等[5]根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析結(jié)果得出無(wú)量綱煙氣逆流長(zhǎng)度與無(wú)量綱熱釋放速率以及縱向通風(fēng)速度有關(guān)。CHEN 等[6]研究了頂棚抽氣口與火源距離對(duì)隧道頂棚下熱浮力驅(qū)動(dòng)的煙氣逆流長(zhǎng)度的影響。WENG等[7]用FDS 軟件研究了9 種不同截面形狀的地鐵隧道煙氣逆流長(zhǎng)度，并通過(guò)量綱分析的方法推導(dǎo)出煙氣逆流長(zhǎng)度和臨界速度的量綱表達(dá)式。朱凱等[8]通過(guò)理論分析、縮比試驗(yàn)以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)坡度隧道有列車存在時(shí)煙氣逆流長(zhǎng)度比隧道內(nèi)無(wú)阻塞時(shí)要小。鐘委等[9]采用數(shù)值模擬方法，研究了豎井自然排煙對(duì)隧道煙氣逆流長(zhǎng)度的影響。HO 等[10]采用模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，提出了考慮隧道內(nèi)車輛阻塞比的煙氣逆流長(zhǎng)度預(yù)測(cè)公式。由研究背景所述，現(xiàn)在許多隧道都具有一定的曲率。當(dāng)弧形隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道曲率必定會(huì)對(duì)煙氣的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。HO 等[11]提出了一個(gè)表征煙氣擴(kuò)散范圍的無(wú)量綱量，以此來(lái)研究隧道火災(zāi)下彎曲隧道的曲率對(duì)煙氣擴(kuò)散范圍的影響。LI等[12]通過(guò)數(shù)值仿真方法，發(fā)現(xiàn)曲率與隧道溫度呈負(fù)相關(guān)，并提出了城市交通地鐵隧道曲率對(duì)火災(zāi)溫度的預(yù)測(cè)模型。CALIENDO 等[13]建立重型貨車在雙向彎曲隧道中發(fā)生火災(zāi)的數(shù)值仿真模型，研究了貨車位置、隧道幾何形狀、縱向通風(fēng)速度以及交通流的變化對(duì)流場(chǎng)溫度、煙氣濃度、人眼可見距離的影響。ZHONG 等[14]利用全尺寸試驗(yàn)對(duì)曲線隧道在3種不同火源功率下的煙氣蔓延特性進(jìn)行研究，測(cè)定了火災(zāi)不同發(fā)展階段煙氣縱向溫升的變化過(guò)程以及火源附近的煙氣流動(dòng)特性。ZHANG 等[15]采用FDS 軟件對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑為300 m 至1 000 m 的地鐵曲線隧道進(jìn)行了數(shù)值仿真，通過(guò)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)得到了曲線隧道局部阻力受無(wú)量綱轉(zhuǎn)彎半徑和無(wú)量綱通風(fēng)速度控制。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道火災(zāi)的研究大多采用隧道內(nèi)放置靜態(tài)火源的方式[16-18]，但實(shí)際地鐵隧道火災(zāi)通常在列車運(yùn)行過(guò)程中爆發(fā)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)列車攜帶火源在隧道內(nèi)減速時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。其中，郗艷紅等[19]采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)攜火源運(yùn)動(dòng)的地鐵列車過(guò)隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了列車行駛速度對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)以及煙氣逆流長(zhǎng)度的影響。屈璐等[20]采用CFD 的方法對(duì)列車攜火源行駛時(shí)隧道內(nèi)的氣流速度以及列車的安全時(shí)速進(jìn)行了研究，結(jié)果表明列車應(yīng)以盡量低的速度駛向臨近車站進(jìn)行救援，弱化活塞風(fēng)效應(yīng)對(duì)周圍煙氣蔓延的加速效果。ZHANG 等[21]運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)不同隧道阻塞比下運(yùn)動(dòng)地鐵列車火災(zāi)的煙氣逆流現(xiàn)象進(jìn)行了仿真模擬，并得到相應(yīng)的逆流時(shí)間。ZHOU 等[22]基于滑移網(wǎng)格技術(shù)，探究了隧道斜率對(duì)運(yùn)動(dòng)地鐵列車的煙氣輸運(yùn)規(guī)律的影響。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)直線隧道中靜止火災(zāi)煙氣輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，對(duì)于運(yùn)動(dòng)著火列車在曲線隧道內(nèi)迫停后的煙氣蔓延規(guī)律的研究并不充分。本文針對(duì)曲線隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)地鐵列車火災(zāi)場(chǎng)景，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了著火列車在曲線隧道內(nèi)減速至停車的過(guò)程，得到隧道內(nèi)煙氣速度、溫度和濃度的變化規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 幾何模型

以6 編組A 型地鐵列車(頭車+4 節(jié)中間車+尾車)為研究對(duì)象。如圖1 所示，整車長(zhǎng)140 m，寬3 m，高3.8 m，車身橫截面積為9.5 m2。對(duì)于隧道列車火災(zāi)模擬，仿真模型保留了地鐵列車設(shè)備艙、轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過(guò)精細(xì)化的列車建模減少模型精度對(duì)仿真結(jié)果的不利影響。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

曲線隧道模型如圖2所示，中間隧道長(zhǎng)1 000 m，橫斷面積22.4 m2，該隧道兩端的站臺(tái)長(zhǎng)寬高分別為150，8 和6 m。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]對(duì)隧道線路的要求，建立了曲線半徑R為300，500，700和900 m 的曲線隧道以及直線隧道(R=∞)5 種隧道模型，用以對(duì)比隧道曲線半徑對(duì)地鐵列車火災(zāi)煙氣蔓延特性的影響。

圖2 曲線隧道俯視圖Fig.2 Top view of the curve tunnel

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示，考慮到列車阻塞對(duì)隧道地鐵列車火災(zāi)煙氣蔓延的影響，采用精細(xì)化的地鐵列車模型，保留風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架等部件，列車表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此列車周圍采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，并對(duì)火源周圍空間進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，尺寸在0.08～0.10 m 范圍，保證流場(chǎng)數(shù)值求解更加準(zhǔn)確。對(duì)非滑移區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為860萬(wàn)。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.3 Mesh distribution

1.3 邊界條件

邊界條件如圖4所示，隧道兩端的邊界條件分別為壓力入口和壓力出口，列車、站臺(tái)及其余隧道表面設(shè)為無(wú)滑移壁面，考慮火災(zāi)發(fā)生時(shí)壁面和列車表面對(duì)溫度變化的影響，將隧道和列車的壁面材料分別指定為混凝土和鋁合金，密度分別為2 200 kg/m3和7 850 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2 W/(m ?K)和3 W/(m ?K)，比熱容分別為0.88 kJ/(kg?K)和0.50 kJ/(kg?K)。整個(gè)計(jì)算域的環(huán)境溫度設(shè)定為300 K，壓力為101 kPa[24]。

圖4 邊界條件Fig.4 Boundary conditions

1.4 火災(zāi)場(chǎng)景構(gòu)建

地鐵列車火災(zāi)規(guī)模與多種因素相關(guān)，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]，地鐵列車起火的火源功率范圍在5～10.5 MW，本文選擇7.5 MW 的火源功率模擬地鐵火災(zāi)。采用體積熱源模擬地鐵列車起火時(shí)熱量和煙氣的釋放，設(shè)定火源燃燒釋放的煙氣為CO2。式(1)為煙氣釋放速率計(jì)算公式[25]：

式(1)中：Z為煙氣相對(duì)隧道地面的高度，m；mc為煙氣的質(zhì)量流率，kg/s；C1為煙氣釋放速率系數(shù)，通常取為0.071；Qc為對(duì)流熱通量，kW，通常情況取0.7 倍火源功率。由式(1)計(jì)算可得，7.5 MW 的火源功率煙氣釋放速率為27.16 kg/s?；鹪次恢迷O(shè)置于頭車底部的設(shè)備艙。如圖5所示，列車由靜止?fàn)顟B(tài)以1 m/s2加速度從地鐵站臺(tái)駛出，在行駛20 s后達(dá)到列車的正常運(yùn)營(yíng)速度20 m/s，列車以20 m/s的速度勻速行駛5.9 s 后突發(fā)火災(zāi)，列車立即以1 m/s2的減速度進(jìn)行減速，經(jīng)過(guò)20 s 后列車最終停在隧道中部。

圖5 移動(dòng)火源火災(zāi)場(chǎng)景Fig.5 Moving fire source scene

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)列車起火后隧道縱向各處煙氣的特征參數(shù)，如圖6，在隧道內(nèi)部布置測(cè)點(diǎn)。由于本文運(yùn)動(dòng)火源火災(zāi)最終停車位置位于隧道中部，故以隧道縱向中點(diǎn)為中心，在中心附近200 m內(nèi)每隔25 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。此范圍之外每隔50 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。由于靠近火源位置煙氣溫度、濃度的變化速率較大，因此在隧道中心15 m 范圍內(nèi)，每隔1 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。所有測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距地面4.7 m 高度的隧道中心線上。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Measuring point distribution

2 模型驗(yàn)證

采用WANG 等[26]開展的列車火災(zāi)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證，該試驗(yàn)在中南大學(xué)軌道交通教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行。構(gòu)建與動(dòng)模型試驗(yàn)尺寸相同的幾何模型，列車與隧道均采用1︰10 縮尺寸模型，列車長(zhǎng)寬高分別為7.10，0.30和0.38 m，列車行駛速度為60 km/h，隧道和列車橫截面積分別為0.22 m2和0.095 m2。選取動(dòng)模型試驗(yàn)中距隧道入口17.7 m，高0.32 m隧道壁面測(cè)點(diǎn)的氣流速度和煙氣濃度峰值驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。同時(shí)，為確保網(wǎng)格劃分方法不影響數(shù)值模擬結(jié)果，采用3套不同密度的網(wǎng)格進(jìn)行驗(yàn)證。

如表1所示，采用測(cè)點(diǎn)位置的氣流速度和煙氣濃度峰值驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。u代表測(cè)點(diǎn)的縱向流速，V為列車車速，(u/V)max代表測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱流速的最大值。Cc代表測(cè)點(diǎn)的煙氣濃度，Cref代表動(dòng)模型重復(fù)性試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)煙氣濃度峰值的平均值。(Cc/Cref)max代表測(cè)點(diǎn)中無(wú)量綱煙氣濃度的最大值。由表1可知，與動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果相比，粗糙網(wǎng)格下的數(shù)值模擬結(jié)果誤差大于5%，而采用中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格的數(shù)值模擬結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)。故認(rèn)為中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格下的數(shù)值仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確地顯示列車攜火源運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)狀態(tài)，出于計(jì)算成本和計(jì)算時(shí)間的考慮，選擇中等網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值模擬研究。

表1 動(dòng)模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison between dynamic model test and numerical simulation results

3 結(jié)果與分析

3.1 曲線隧道內(nèi)煙氣流速

停車時(shí)刻隧道內(nèi)速度場(chǎng)如圖7～8 所示，可見不同曲率隧道內(nèi)頂棚煙氣的縱向速度分布規(guī)律相似，在列車阻塞區(qū)段的氣體流速明顯要大于無(wú)列車阻塞區(qū)段，并且氣體流速的峰值位置都出現(xiàn)在火源下游20 m 左右。當(dāng)隧道半徑由300 m 增大至∞時(shí)，頂棚氣流縱向流速峰值由9.13 m/s 增至10.68 m/s，相比上升16.98%。

圖7 停車時(shí)刻不同曲率隧道內(nèi)車體周圍速度云圖Fig.7 Velocity nephogram around the train in tunnel with different curvature at parking time

圖8 停車時(shí)刻不同曲率隧道拱頂下方氣體縱向流速曲線Fig.8 Longitudinal velocity curves of gas under tunnel vault with different curvature at parking time

圖9 為停車后(t≥150 s)不同曲率隧道拱頂下方氣體縱向流速曲線，由圖9可知，t=150 s時(shí)，不同曲率隧道內(nèi)煙氣均向火源下游蔓延，煙氣尚未出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。當(dāng)t=250 s 時(shí)，曲線隧道和直線隧道內(nèi)隧道頂棚氣流運(yùn)動(dòng)方向改變，煙氣已經(jīng)發(fā)生逆流。對(duì)于曲線隧道，火源上方頂棚位置(x=0 m)煙氣逆流速度的絕對(duì)值隨隧道曲線半徑的減小逐漸增大。當(dāng)隧道曲線半徑由900 m 減小至300 m 時(shí)，火源上方頂棚位置煙氣逆流速度絕對(duì)值由3.94 m/s增大至4.43 m/s。

圖9 停車后不同曲率隧道拱頂下方氣體縱向流速曲線Fig.9 Longitudinal flow velocity curves of gas under tunnel vault with different curvature after parking

對(duì)比關(guān)于曲線隧道靜止火災(zāi)研究[11-12]發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)著火列車被迫停車時(shí)煙氣蔓延速度明顯加快，并且火源兩側(cè)煙氣呈不對(duì)稱分布。產(chǎn)生這種差異的原因是隧道內(nèi)移動(dòng)火源燃燒釋放的煙氣不止受溫差引起的靜壓力作用，列車運(yùn)行所引起的活塞風(fēng)也會(huì)對(duì)煙氣的蔓延造成很大的影響。在運(yùn)動(dòng)著火列車剛停車時(shí)，活塞風(fēng)風(fēng)速較大，列車燃燒產(chǎn)生的熱煙氣與來(lái)流冷空氣發(fā)生熱交換，并迅速擴(kuò)散至火源下游。隨著時(shí)間推移，活塞風(fēng)不斷衰減，火源附近的熱量逐漸積聚，熱煙氣與火源上游冷空氣之間的溫度梯度增大，當(dāng)溫差造成的靜壓力大于活塞風(fēng)的動(dòng)壓力，熱煙氣開始逆流，向火源上游蔓延。

表2列出了不同曲線半徑隧道內(nèi)的煙氣逆流時(shí)刻。觀察發(fā)現(xiàn)，曲線隧道中的煙氣逆流時(shí)刻要晚于直線隧道。但對(duì)于曲線隧道，逆流時(shí)間與隧道曲率不是單一的線性關(guān)系，而是隨著曲線隧道半徑的增大先延遲，然后又有提前的趨勢(shì)。從圖9可知，隧道曲線半徑進(jìn)一步增大時(shí)，由于隧道壁面的阻礙作用變小，速度較大的活塞風(fēng)率先排出隧道，在列車停車后，活塞風(fēng)失去動(dòng)力來(lái)源，隧道內(nèi)的整體氣流速度下降。活塞風(fēng)風(fēng)速隨隧道曲線半徑的增大呈減小趨勢(shì)，使得煙氣逆流發(fā)生的時(shí)刻隨曲線隧道半徑的增加先延遲后提前。對(duì)于半徑為300 m 的曲線隧道，煙氣在t=169 s 時(shí)發(fā)生逆流，而半徑為700 m 和900 m 的曲線隧道分別于182 s和178 s出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。

表2 不同曲率隧道煙氣逆流時(shí)刻Table 2 Smoke backlayering time in tunnel with different curvature

3.2 曲線隧道內(nèi)溫度分布

圖10 展示了列車停車瞬間車身周圍的溫度分布情況，由圖10 可知，在列車減速停車瞬間，由于活塞風(fēng)的動(dòng)壓力和熱浮力作用，高溫氣體從頭車設(shè)備艙火源位置迅速上升的同時(shí)朝列車運(yùn)動(dòng)方向蔓延，故列車停車瞬間不同曲率隧道內(nèi)溫度峰值均出現(xiàn)在火源下游位置。圖11 為停車時(shí)刻隧道頂棚煙氣溫度分布曲線，觀察可知，當(dāng)隧道曲線半徑由300 m 增大至∞時(shí)，隧道頂棚溫度峰值逐漸下降，當(dāng)隧道半徑為300 m時(shí)，溫度峰值為787 K，對(duì)于直線隧道，溫度峰值為706 K，相比下降了10.29%。但在火源下游其他位置，直線隧道頂棚溫度低于曲線隧道。結(jié)合圖8分析，從火源中心到下游20 m 范圍內(nèi)，直線隧道頂棚位置的氣流速度峰值大于曲線隧道，而下游20 m 之后的氣流速度迅速減小。因此火源中心上方的熱量能迅速在火源下游20 m 范圍內(nèi)蔓延，降低了火源上方的溫度峰值，但使得火源下游20 m 范圍內(nèi)的平均溫度升高。

圖10 停車時(shí)刻不同曲率隧道內(nèi)車體周圍溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram around the train in tunnel with different curvature at parking time

圖11 停車時(shí)刻不同曲率隧道拱頂下方氣體溫度曲線Fig.11 Gas temperature curves under tunnel vault with different curvature at parking time

圖12展示了停車后(t≥150 s)隧道頂棚煙氣溫度的分布狀態(tài)。由圖12 可知，隨著隧道曲線半徑由300 m 增大至∞，隧道頂棚位置的溫度峰值呈先下降后上升的趨勢(shì)。產(chǎn)生上述變化的主要原因是隧道曲線半徑增大，氣體流動(dòng)受隧道壁面阻礙作用減弱，同時(shí)煙氣受到的離心力作用減弱，煙氣主流更加靠近隧道中心，故火源上方位置流速增加，當(dāng)隧道曲線半徑進(jìn)一步增大時(shí)，部分高速流動(dòng)活塞風(fēng)順暢地排出隧道，使得隧道內(nèi)整體流速減小。而隧道內(nèi)的氣流速度越快，對(duì)流換熱效果越好，隧道頂棚高溫?zé)煔鉁囟确逯蹈　?/p>

圖12 停車后不同曲率隧道拱頂下方氣體溫度曲線Fig.12 Gas temperature curves under tunnel vault with different curvature after parking

3.3 曲線隧道內(nèi)二氧化碳濃度

停車時(shí)刻不同曲率隧道拱頂下方CO2濃度曲線如圖13 所示，由圖13 可知，隧道曲線半徑越小，二氧化碳濃度峰值越大。曲線隧道半徑為300 m時(shí)，二氧化碳濃度峰值為0.14，對(duì)于直線隧道，二氧化碳濃度峰值為0.11，相比下降了21.43%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象是因?yàn)榱熊囃＼囁查g，隧道曲線半徑越大，拱頂下方氣體流速峰值越大，二氧化碳被稀釋的程度就越大，該位置的二氧化碳濃度越小，同時(shí)氣體流速越大，火源下游二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散范圍隨之增大。

圖13 停車時(shí)刻不同曲率隧道拱頂下方CO2濃度曲線Fig.13 CO2 concentration curves under tunnel vaults with different curvature at parking time

相關(guān)研究表示，當(dāng)二氧化碳濃度大于0.03 時(shí)，人的血壓升高，聽力減退，行動(dòng)能力下降，大大降低人員逃生能力[27]。當(dāng)濃度繼續(xù)增大，甚至?xí)谷酥舷⑺劳?，因此定義二氧化碳濃度C≥0.03 時(shí)為高濃度煙氣。表3 列出了t=250 s 時(shí)刻不同曲線半徑隧道中高濃度二氧化碳?xì)怏w(C≥0.03)的擴(kuò)散距離。相比與直線隧道，半徑為R=300 m 的曲線隧道火源上游高濃度二氧化碳范圍減少34.24%、下游增大11.42%?；鹪瓷嫌蔚母邼舛榷趸?xì)怏w蔓延范圍隨隧道曲線半徑的增大而逐漸增大，下游的趨勢(shì)卻與此相反。在火源下游，t=250 s 時(shí)刻直線隧道中遠(yuǎn)火源區(qū)域氣體流速低，無(wú)法將近火源區(qū)域的高濃度二氧化碳?xì)怏w輸運(yùn)至遠(yuǎn)火源區(qū)域，故二氧化碳?xì)怏w更加集中在近火源區(qū)域。而在火源上游，直線隧道遠(yuǎn)火源區(qū)域的隧道頂棚風(fēng)速較大，有利于近火源區(qū)域的高濃度二氧化碳?xì)怏w向火源上游進(jìn)一步蔓延、稀釋。

表3 250 s時(shí)刻不同曲率隧道內(nèi)的高濃度二氧化碳擴(kuò)散距離Table 3 Diffusion distance of high concentration carbon dioxide in tunnels with different curvature at time of 250 s

4 結(jié)論

1) 在列車停車時(shí)刻，隨隧道曲線半徑的增大，頂棚煙氣流速峰值逐漸增大，而溫度和二氧化碳濃度峰值呈減小趨勢(shì)。當(dāng)隧道曲線半徑由300 m 增大至∞時(shí)，頂棚煙氣流速峰值上升16.98%，溫度和二氧化碳濃度峰值分別下降了10.29%和21.43%。

2) 當(dāng)列車停車一段時(shí)間后(t≥150 s)，煙氣開始發(fā)生逆流現(xiàn)象，曲線隧道中的煙氣逆流時(shí)刻要晚于直線隧道，逆流時(shí)間與隧道曲率不是單一的線性關(guān)系，而是隨著曲線隧道半徑的增大先延遲后提前。相比直線隧道，曲線半徑為700 m 的隧道逆流時(shí)刻延遲21 s。鑒于煙氣逆流對(duì)人員疏散的不利影響，曲線隧道火災(zāi)后續(xù)通風(fēng)控?zé)煈?yīng)當(dāng)不晚于逆流時(shí)刻。

3) 當(dāng)隧道內(nèi)煙氣發(fā)生逆流之后(t=250 s)，隨著隧道曲線半徑由300 m 增大至∞，隧道頂棚位置的溫度峰值呈先下降后上升的趨勢(shì)。相比于直線隧道，半徑為300 m 的曲線隧道火源上游高濃度二氧化碳(C≥0.03)范圍減少34.24%，下游增大11.42%，建議人員盡量向火源上游方向疏散。