都市快轨交通.pdf

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1、都 市 快 轨 交 通 第1 8 卷第 2 期2 0 0 5 年 4 月 机 电工程 I 地铁区间隧道事故通风 数值模拟研究 郄雪红 刘传聚 洪丽娟 刘 东(同济大学机械工程学院暖通空调研究所上海2 0 0 0 9 2)摘要运 用成 熟的 C F D商业软 件 F L U E N T，对高位 喷嘴在地铁隧道事故通风中的应用效果进行了数值模 拟，得出喷 口形式、射流风速对事故区间通风效果的影 响情况；与模型 实验相 比较，验证数值模拟 的可行性；对喷口射流造成的气流高速区对乘客逃生的影响情况 进行分析 关键词 C F D 数值模拟射流地铁隧道事故通风 随着国民经济发展，许多城市正在营建和筹建地铁

2、作 为公交系统。在地铁营建与运营过 程中，有一个潜在的问题是不容忽视 的，即地铁火灾问题。地铁的地下工 程空间封闭，一旦发生火灾，浓烟和热 气很难自然排除，并会迅速蔓延、充满 整个地下空间。火灾统计资料表明，地铁发生火灾时所造成的人员伤亡，状况，建立与隧道实型对应的几何模型，进行系统实际 应用情况的数值模拟。l 实验台数值模拟 1 1 物理模型 实验台由风机箱(含风机、变频器、静压箱等)、喷 口、模型隧道、模型列车及测试仪表等组成，如图 1 所示。测试断面I 测试断面测试断面 测试断面l v 风机箱 喷口 模型列车 模型隧道 绝大多数是被烟气熏倒，因中毒窒息所致。因此，有效地 排烟已成为地铁火

3、灾时救援的重要组成部分。随着人们 对地铁火灾危害的认识进一步加深，许多国家都投入了大 量的人力物力对地铁火灾的防控对策进行研究，地铁火灾 防控研究也由 原来的站台火灾控制扩展到区间隧道火灾 控制。本文中所 做 C F D(C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a mic s 1 数值模拟是上海轨道交通M8 线的区间隧道事故通风 系统研究的一部分。这项研究分两步进行：第一步，建 立与实验台对应的几何模型，将模拟结果与实测结果 作比较，验证数值模拟的可靠性；第二步，根据实际工程 收稿 日 期：2 0 0 4 0 9 0 8 作者简介：郄雪红，女，硕士研

4、究生，研究方向为暖通空调工程 q ie x u e h o n g c i t iz n e t；刘传聚，男，教授，博士生导师。图 1 实验台示意图 1 2 几何模型及边界条件 依照实验台几何参数建立 了数值模拟几何模型，并根据实测数据设定了边界条件。模型实验通过变频 器改变风机频率，调节喷口出口风速到某一定值，以此 作为实验基准。相应地，数值模拟通过调节风机 出口 风速，从而使模拟喷 口出口风速达到与实测相对应的 工况。1 3 模拟结果分析 以矩形喷口、出口风速 3 0 m s的模型隧道为例，模 型隧道断面测点分 布、实测风速分布及模拟风速分布 如图 2图 4所示。图4演示了采用矩形喷 口时

5、。整个模型隧道断面 风速分布从极不均匀到均匀的发展过程。将图 3与 图 4作比较，可 以看出数值模拟结果与实验测量结果 吻合较好。这证 明 F L U E N T中所建立 的数学物理模 U R B A N R A P ID R A I L T R A N S IT 曰 维普资讯 http:/ 都市快轨交通 第 1 8 卷 第2 期 2 0 0 5 年4 月 型及 所 采 用 的解 法 是可行 的，可 以用来 模拟计算实验条件 无法实现 的工况，研 究不 同边 界 条件 下 事故 通 风 系统 的运 行情况。图2 模型隧道断面风速测点布置图 匿 姬 嚣 0 l a l b l c l d 2a

6、2 b 2 c 2 d 3 a 3 b 3 c 3 d 4 a 4 b 4c 4 d 各断面风速测点编号 图3 模型隧道各断面风速实测分布图 图4 模型隧道断面风速模拟分布图 2 原型隧道通风情况的数值模拟 2 1 几何模型 2 1 1 隧道结构 隧道结构及简化几何模型如图 5、图6所示。单个隧道 断面直径为 5 2 0 m，列车正面积 为 7 3 7 m ，空气流动的湿周为 1 3 8 m，列车轨道面距隧道 底平面为O 5 0 m。数值模拟中区间隧道长度定为 1 0 5 0 m，列车简化为 1 3 7 m x 2 6 m x 3 6 m(长 宽 高)的 长方体。其中，图6中双圆隧道两侧的竖直

7、线。即为设 髓U R B A N R A P I D R A I L T R A N S IT 图5 区间直线段双圆隧道、G z ，图6 隧道及列车几何模型截面图 有电缆及 设备的粗糙壁面与常规隧道壁面 的分割面 投影。2 1 2 喷口放置位置及形式 喷口置于站台的两端，出口方向朝向区间隧道，如 图7所示。车 站 区 间 隧 道 图 7 喷口射流平面示意图 数值模拟中各个喷口与土建风道的连接方式如图 8所 示。几何模型选取的几点说明：(1)模型考虑了列车轨道面及双圆隧道隔断面的 具体形式，根据隧道院提供的资料，建立了与实际隧道 相对应的几何模型。(2)针对地铁轨道、电缆线及设备、隧道壁面等设

8、置了不同的粗糙度，力求反映原型的实际情况。(3)不同形式喷口的放置形式各异，矩形 喷口入 口直接与风阀相连接，而 圆断面喷 口固定在喷口放置 室内的斜墙上。9 8 7 6 5 4 3 2O 维普资讯 http:/ 地铁区问隧道事故通风数值模拟研究(a)矩形喷 口 (b)圆台喷口 _=一 一 (c)喷 口 (d)椭圆喷 口 图 8 喷口与风阀连接形式汇总 2 2 物理模型 2 2 1 数值模拟的环境条件及初始条件 数值模拟设置的环境大气压为 1 0 1 3 2 5 P a，流体为 空气，初始时各向风速均为零。2 2 2 运行模式 结合工程有关资料，运行模式如图 9所示。边界条件根据理论计算，并结

9、合工程实际设定，具 喷口喷(m 3 s)J J J P(m 3 s)1 2 1 2 k P a Pa 喷 口 隧道出 喷嘴压力 风 风量 排风口 。二，矩形 自由出流 圆 台 自由 出流 4 8 5 6 0 6 9 8 48 5 6 0 6 9 8 5 0 5 0 5 0 5 0 2 3 数学模型及方法 气流模拟的原理及方法包括 基本微分 方程、微分方程的离散 化、紊流及紊流模型 等。原型隧道事故通风数值模拟解算器的设置为：采 用三维双精度分离隐式稳态解算器；所使用到的计算 图9 风机运行模式及边界名称示意图 2 2 3 边界条件 1)壁面边界条件 根据隧道实际情况，对其壁面设置 了非均匀粗糙

10、 度。在隧道内设有电缆、支架等物体 的一侧设置了较 大的粗糙度，在其余隧道壁面设置了相对较小的粗糙 度。此种设置在射流冲击壁面时，能够更加真实地反 映隧道内流场分布情况。具体设置为：电缆设备区域，K=0 4 m；轨 道 面，K=0 0 2 m；隧 道 壁 面，K=0 0 0 5 m。其中，(为壁面绝对粗糙度。分 区设置粗糙 度比均匀设置粗糙度模拟结果较优，其原因主要是射 流冲击到的壁面恰好是没有电缆及设备的，若设均匀 壁面粗糙度则恶化了射流条件，使射流更快扩散。2)进出口边界条件 方程包括连续性方程，kE湍流 动量方程；压力速度耦合算 法为 S I MP L E算法；压力离散差分格式 采用标准

11、离散差分格式，其他变 量采用一阶迎风格式。2 4 模拟结果分析 根据地铁设计规范及工程实 际情况，火 灾时区间隧道 防排 烟 流速要求平均风速不小于 2 m s，局部风速不大于 1 0 m s，据此设定区间隧道事故通风 系统的送风量为 6 0 m。s。下面以椭圆喷I：Z l、出I：Z l 风速 3 0 m s 为例，对高位喷嘴射流通风效果进行分析。2 4 1 喷 口附近流场 喷I：Z l 射流流场分布情况如图 1 0所示，这是喷 I：Z l 中 心高度在隧道中心轴线偏上 1 0 m 的平面。喷I：Z l 射流朝向火灾 事故区间，喷 I：Z l 出 I：Z l 风速约为 3 0 m s，气流离开

12、出口后射流扩散，射流核心区内风速 保持在 3 0 m s左右，其后进入射流主体段，风速进一步 衰减。绝大部分射流能通过防护门进入隧道，被遮挡的 比例很小，并且流向车站及相邻并列隧道的气流也很弱。射流通过防护门后撞击隧道壁面，沿壁面向隧道空 间进一步扩散，防护门处的射流扩散情况如图 1 1 所示。U R B A N R A P ID RAI L T RAN S IT(i l 如 一 一 4 6 4 6 流 流 出 出 由 由 自 自 弧 圆 圆 椭 维普资讯 http:/ 都市快轨交通 第 1 8 卷 第2 期 2 0 0 5 年 4 月 6 1 6 、二 二=，j 2 0 5，0 9 3 6

13、5 I 7 O 1 7 5 1 8 O 1 8 5 1 9 O 图 l 0 喷 口附近流场速度分布图 图 1 1 防护门处流场速度分布图 到达防护 门时，射流 中心 风速 已经衰减 到大约 2 6 m s，射流中心的高度约为距轨道面以上 3 m，射流 的高速区通过防护门的情况较好。2 4 2 乘客逃生空间高速气流区分布情况 按照单洞区间隧道截面的平均风速不小于2 r T s、局 部风速不大于 1 0 m s的设计，有利于乘客逃生。平均风速 不小于2m s，这样既保证通风能够控制烟气流向。又能 使乘客感觉一定的空气新鲜度；局部风速不大于 1 0 s 使乘客能够尽快撤离到安全地带，否则乘客行走有困

14、难。在乘客逃生空间横断面上气流高速区(风速大于 1 0 m s的区域)的影响范围如图 1 2和图 1 3所示，这 是防护门后 5 m最不利处的横断面。对应图 1 2中阴影部分所示的乘客逃生空间，在图 1 3中可以看出气流高速 区(图 1 3中左侧粗实线所围 区域)所 占的范围不大(约为 1 3 2)，位于近壁面处，乘客有足够的空间可以避过气流高速区。并且气流高 速区只出现在防护门到其后约 1 0 m远的范围内。由 此可见，射流在长度、宽度和面积方面造成的气流高速 区对于乘客逃生的影响不大。2 5 喷 口作用效果的统计分析 2 5 1 隧道内风速大于 1 0 m s 的区域分布情况 表 2给出乘

15、客逃生空间高速区域特性。7 0 U R B A N R A P I D R A I L T R A N S IT 架空线平面 图 l 2 乘客逃生空间示意图 2 O 一2 2 4 图 l 3 乘客逃生空间横断面高速区分布图 表 2 乘客逃生空间高速区域特性 羹 m雠 结 束 位 置 m 耄 蔬 形 式 (m s)一 比 最 大 值 2 5 1 7 9 3 l 0 4 矩形 3 0 1 3 I 1 9 1 4 2 2 5 1 4 l O 0 8 4 圆台 3 O O 5 l 1 6 l 3 4 2 5 1 3 8 7 9 7 圆弧 3 O O 2 l O 3 l1 7 2 5 O 7 l O 3

16、 l O 4 椭圆 3 O 0 9 l 2 5 l 3 2 注：(起始位置和结束位置的计算基准是距 防护 门的距离(m)，高速面积比为乘客逃生空间横断面 中气流高速区所 占 的比例。(1)同种喷口，设计出口风速较大时，乘客头部高 度高速区域较长，不利于乘客逃生。这是由于 出口风 速较大时，射流扩散角较小，射流核心区较长，隧道轴 线方向高速区域行程较远。但是，设计出口风速较大 维普资讯 http:/ 地铁区问隧道事故通风数值模拟研究 的喷口射流携带动能较大，利于克服隧道内阻力，火灾 时能抑制烟气流动，所 以选定喷 口出口风速 时应 综合 考虑两方面的因素。(2)相同出口风速条件下，圆断面喷 口普

17、遍比矩 形喷口射流扩散角小，高速气流在隧道内行程更远，利 于火灾时抑制烟气流动。矩形喷口具有气流高速区行 程不长、逃生空间内高速区面积比较大的特点，这是由 矩形喷口射流扩散较快引起的。2 5 2 事故区间隧道内流量及平均风速情况 不同喷口形式、不同射流风速下，火灾 事故 区间 隧道内平均风速均达到事故通风的要求，具体情况如 表 3所 示。表 3 火灾 事故区间隧道内平均风速 m s 喷口形式 矩形喷口 圆台喷 口 圆弧喷口 椭圆喷口 射流风速 2 5 3 0 2 5 3 0 2 5 3 0 2 5 3 0 风速 3，3 2 3 4 3 3，1 3 3 3 3 3 0 8 3 2 2 3 2 1

18、 3 3 8 与平均风速相对应，进入火灾事故区间隧道 的风 量情况如图 1 4所示。：兰 ；矩形 圆台 圆弧 椭圆 喷口形式 图 l 4 火灾 事故区间隧道送风量情况(1)同一设计风量，同种形式 的喷 口在出 口风速 较大的情况下，进入火灾 事故区间的风量更大。这是 由于在喷口出口风速较大的情况下，射流携带的动能 较多，对气流的卷 吸能 力也较强，致使喷 口作用效率 较高。(2)同一设计风速，矩形喷 口比圆断面喷口作用 下的进入火灾 事故区间隧道的空气流量稍微大一点，约为5。造成此结果的原因有两点：模拟时受工程条件的限制，喷口和风阀的连接 方式并不相同(见图8)，气流进入风阀后，在圆断面喷 口

19、入 口处墙壁围成的空间内形成涡流，致使 圆断面喷 口入口条件相对较差。在实际工程 中，可以将圆断面 喷口与土建风道连接处的风阀去掉，这种处理对于 圆 断面喷 口的入 口条件有利。火灾 时车站屏蔽 门完全关闭，开启机械风 口 a 1、b 1，而且喷口放置处与相邻 区间隧道出口 B 距离 很远，致使矩形喷 口即使有扩散的趋势，也会在另外开 启的机械风 口形成的流场压力下进入事故区间隧道。在喷口射流的两端都敞开的情况下，矩形喷 口和 圆断 面喷口的射流差别还是比较明显的。(3)矩形喷口之外其他形式喷 口，同一设计 出口 风速下，气流进入事故区间的风量以椭 圆喷口最大，圆 台喷口次之，圆弧喷 口最小。

20、3 结论(1)四种形 式喷 口在 2 5 m s的设计 出 口风速 下，事故区间隧道 内风速即能满足事故通风 的要求。气流高速 区在隧道轴 向上约 1 0 m 长度，且从 图 1 3 看，气流高速区在隧道截面上所 占的比例都不大，而 且整个 区域位于靠近 车站的地 方，对乘客逃 生影响 不大。(2)在喷口射流 区域，同形式的喷口中设计出 口 风速较高的射流作用距离较远，而流场的形式没有很 大差异。尽管喷 口出口风速越大，相应地越有利于提 高事故区间的送风量，但是在实际工程 中要综合考虑 通风效果和经济投入两方面 的因素：一方面要保证通 风效果，另一方面应尽量采用喷 口射流风速较低的设 计，以减

21、少风机、土建等投资。(3)同一工况，不同形式喷 口作用下进入事故 区 间的风量，以矩形喷 口最大；其他形式喷口中，椭 圆喷 口最大，圆台喷口次之，圆弧喷口最小。参考文献 1 中华人民共和国建设部 G B 5 0 1 5 7 2 o 0 3地铁设计规 范 S 北京：中国计划出版社，2 0 0 3 2 陶文铨 数值传热学 M 西安：西安交通大学出版社，1 9 8 8：1 5 9 3 周谟仁 流体力学泵与风机 M 第3版 北京：中国建 筑工业 出版社 1 9 9 4：1 2 9 9 4 冯炼，刘应清地铁阻塞通风的数值模拟 J 中国铁 道科学，2 0 0 2，2 3(3)：1 2 0 1 2 3 5

22、徐志胜，周庆，徐或运行列车隧道火灾模型实验及数 值模拟 J 铁道学报，2 0 0 4，2 6(1)：1 2 4 1 2 8 6 郭光玲，地铁 火灾研究 J 都 市快轨 交通 2 0 0 4(增 刑)：6 2 6 6 7 欧阳沁，江泳，朱颖心，等 关于地铁隧道区间段阻塞工 况临 界 通 风 速 度 的 研 究 J 地 铁 与轻 轨，2 0 0 2 (2)：3 4 4 1 责任编辑：郭 洁 U R B A N R A P ID RAI L T RAN S IT 7 1 维普资讯 http:/ 都市快轨交通 第1 8 卷 第2期 2 0 0 5 年4月 地铁隧道通风系统中 机 电工程 I 组合阀安全

23、性问题的探讨 白晓清 郭海新2 李树方。(1 康斐尔过滤设备有限公司上海2 0 0 3 3 6；2 昆山开思拓空调技术有限公司上海2 1 5 3 0 0；3 北京城建设计研究总院北京1 0 0 0 3 7)J摘要就地铁隧道通风系统中组合阀安全性问题进 行初步探讨，针对国内外对组合阀不同的安全性要求 l进行分析和比较，指出设立组合阀耐火极限、高温正常 J工作时间、泄漏量和疲劳强度四个主要指标的必要性。I j关键词 地铁隧道通风系统组合阀 安全 地铁因其高速、准时、载客量大、环保、不占地面等 特点，被视为现代化城市解决交通阻塞 问题 的最有效 方案。中国经济的迅速发展，使得国内许多大城市渴 望拥有

24、地铁的梦想在未来几年或十几年中将得以实 现。地铁项 目的巨大投入和几乎所有地铁不盈利的现 实，使得各地铁公司在整个项目的各个环节都精打细 算，希望 自己的地铁工程成为“每公里地铁造价最低”之中国之最。然而，这样做的代价是否使安全性降低?一旦发生灾难性事故如何应对?笔者在此对地铁隧道 收稿日期：2 0 0 4 0 9 0 6 修回日期：2 0 0 5 0 1 1 8 作者简介一 白晓清，女，博士，市场技术总监，从事暖通空调和能源领 域的工作，b x q t o p h o t ma i l c o m 通风系统中设备 的安全性问题进行初步探讨，希望能 引起有关立法者、决策者、使用者的重视。1 灾

25、难事件回顾 在地铁建设与运营过程中，地铁火灾事故是不容忽视 的问题。由于地铁建筑一般只有车站的出人口、通风亭及 隧道口与外界有联系，而且站 台和车厢 内人 员密集，所 以一旦发生火灾就危害极大。如果说人们已经淡忘了 发生在 1 9 0 3年的法国巴黎地铁火灾、1 9 8 7年 1 1 月伦敦 的 K i n g C r o s s地铁火灾、1 9 9 5年 1 0月阿塞拜疆首都巴 库布地铁火灾及2 0 0 0年3 月东京地铁事故，那么应该 对 2 0 0 3年 2月发生在韩国大邱地铁的火灾记忆犹新。在那场灾难中，2 0 0多人死亡，1 4 6人受伤!在以上几起重大地铁 事故 中，除了东京地铁事

26、故 外，其余均为火灾事故。上述事故发生的原 因不尽相 同，人们希望尽可能做好“防”的工作，然而，很多时候 是防不胜防的。那么，中国地铁真的发生火灾后，“消”的能力如何?能否最大限度地减少人员的伤亡和损 失?地铁通风系统所使用的设备安全性如何?Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o n Ve n t i l a t i o n i n Ca s e o f Eme r g e n c y i n M e t r o Tu n n e l Qi e Xu e h o n g L i u C h u a n j u Ho n g L i j u a n L i u

27、D o n g (S c h o o l o f Me c h a n i c E n g i n e e r i n g，T o n g j i U n iv e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2)Ab s t r a c t：Wi t h t h e ma t u r e CF D i n d u s t r ia l s o f t wa r e F L UE NT，t h e e f f e c t s o f s p r a y n o z z l e o n t h e h i g h p o s it io n i n the e me

28、r g e n c y v e n t i l a t i o n i s n u me r i c a l ly s i mu l a t e d T h e inf l u enc e s o f d i f f e r e n t n o z z le t y p e a n d o u t M t v e l o c i t y o n t h e v en t i la t i o n e f f e c t in the me t r o a c c e n t s e c t i o n are o b t a ine d B c o mp aring wit h the mo

29、d e l t e s t，the f e a s i l i ty o f n u me r ic a l s imu l a t ion is v a li d a t e d I n a d d it ion，t h e in f l u e n c e o f h i g h v e l o c i t y ar e a d u e t o t h e j e t ar o u n d t h e s p r a y n o z z l e o n t h e p a s s e n g e r s e s c a p in g is a n a l y z e d K e y w o r d s：C F D；n u m e r ic a l s imu l a t io n；j e t；m e tr o t u n n e l；e me r g e n c y v e n t i la t io n 7 2 U R B A N R A P I D RAI L T R A N S I T 维普资讯 http:/