地铁隧道火灾中回燃现象的模拟研究

摘要

随着城市社会经济的发展，地铁系统以其独特的优势成为最重要的城市交通工具之一。同时，地铁安全隐患也增加，各种事故和灾害呈增长趋势。其中以地铁火灾最具可能性和危害性，成为地铁安全问题的关注焦点和研究热点。本文结合国家科技部重大基础研究前期专项研究项目“地铁火灾过程的非线性相似性规律和模化方法的研究”的研究内容，采用理论分析、模型实验和数值模拟相结合的方法对地铁隧道火灾回燃这一典型非线性现象开展研究。主要研究内容是： (1)从理论上分析地铁隧道火灾中存在回燃现象的可能性。通过对腔室火灾回燃产生条件进行分析和对地铁隧道火灾回燃模型实验进行观察，发现腔室火灾回燃现象与地铁隧道火灾回燃现象之间既类同又存在一定差别。根据模型实验数据，参考目前国内外关于腔体回燃的研究成果，结合地铁隧道自身的结构特点以及隧道火灾的特征，可以初步确定地铁隧道火灾中可能存在回燃现象，腔体回燃的研究结果不能直接应用于地铁隧道火灾回燃现象的研究。 (2)通过液体正庚烷燃烧的模型实验再现地铁隧道火灾回燃现象，验证了理论分析的正确性。并对产生回燃的临界条件、点火延迟问题以及抑制手段进行了研究。为了进行隧道火灾回燃实验，对现有的1：8地铁隧道火灾模型实验装置进行了改造。该装置设有通风排烟系统和风量控制阀门，风机采用变频控制方式，可以提供不同的气流条件。利用风速传感器、热电偶传感器、烟气组分分析仪等测量模型内的通风风量、烟气温度和组分浓度，数据实现自动采集。同时，摄像系统记录了燃烧——熄灭——回燃的整个过程。比较温度、组分浓度等参数对地铁隧道回燃产生的影响，计算和分析表明：地铁隧道回燃产生的决定性参数是模型内的燃料挥发份的质量百分比，当它达到某一临界值时，回燃必然产生；自然通风时的点火延迟主要由可燃混合气形成及其到达点火源所需要的时间引起；机械通风时的点火延迟主要由点火源的温度达到可燃混合气的着火温度所需要的时间引起；提高新鲜空气的湿度可以抑制回燃的产生，新鲜空气的温湿度和通风风量之间存在优化组合值。 (3)应用突变理论对地铁隧道火灾回燃的突变行为进行分析。根据本文的隧道回燃模型实验数据，结合腔体回燃的研究成果，可以确定地铁隧道回燃是一种典型的突变行为。进一步分析回燃系统的控制参数和状态参数的个数，发现隧道回燃系统有三个控制变量和一个状态变量，从而确定了地铁隧道回燃属于燕尾突变，并进一步在燕尾突变的分岔集上找到了工况点不可达区和工况区。 (4)采用CFD软件PHOENICS对地铁隧道回燃前的烟流分布进行了数值模拟计算，得到了回燃前在自然通风和强迫通风条件下的烟气速度场、温度场和烟气浓度分布规律。模拟采用基于雷诺时均法的标准k-ε模型，边界条件和验证性数据由实测给出。模拟结果表明，CFD软件能够比较准确地给出地铁隧道回燃前的烟流分布情况，有助于分析地铁隧道回燃临界条件。而对回燃过程本身进行数值模拟计算是非常困难的，目前相关的文献报道非常少。