地铁隧道/列车车厢双狭长空间内火羽流卷吸特征及烟气输运行为研究

Aiming to fulfill the urgent demands for the subway systems in China, a special fire scenario in the double long-narrow space consisting of subway tunnel and carriages will be investigated by a combined theoretical, experimental, and numerical methodology. The key influencing factors of subway fire, such as fire size, fire location, ventilation conditions and carriage structure, will be considered in this study. The ceiling jet and spilling fire behaviors in the subway carriage driven by strong plume will be investigated as well. Effects of double long-narrow space on fire plume entrainment process will be addressed, determining the critical conditions of spilling fire through the opening. Spread rate and temperature decay of fire smoke in the long-narrow confined space will be explored, and a theoretical model to predict fire smoke filling time will be developed. The influence mechanism of smoke backflow on temperature distribution at one end of the carriage will be revealed. Spilling smoke spread behaviors along the longitudinal direction in subway tunnel will be investigated considering carriage blockage, and a series of non-dimensional theoretical models will be developed to predict the characteristics of subway tunnel fire. The influence mechanism of carriage blocking effect on the smoke movement behaviors will be disclosed. The research outcomes will be a significant supplement to the current tunnel fire theories, providing a theoretical and technical basis to the development of an optimized control method for subway tunnel fire.

本项目面向我国地铁系统火灾防控的重大需求，针对地铁隧道/列车车厢双狭长受限空间的特殊火灾场景，拟用实验研究、理论分析、数值模拟相结合的研究方法，通过改变地铁隧道列车火灾的火源功率、火源位置、通风条件、车厢结构等条件参数，研究强羽流驱动下列车车厢内顶棚射流及火溢流行为特征，分析隧道/车厢双狭长空间结构对火羽流卷吸过程的影响规律，确定列车车厢火羽流开口溢出的临界判据；研究列车车厢狭长受限空间内火灾烟气蔓延速率及温度衰减规律，发展车厢内火灾烟气填充时间预测模型，阐明车厢末端烟气回流效应对温度分布的影响机理；研究列车阻塞条件下地铁隧道狭长空间内溢流烟气纵向蔓延行为，建立地铁隧道内火灾烟气特征参数无量纲预测模型，揭示列车阻塞效应对地铁隧道火灾烟气输运行为的影响机制。研究成果将对现有隧道火灾动力学理论形成重要补充，并为发展地铁隧道火灾烟气优化控制方法提供理论基础和技术支撑。

地铁系统结构复杂、人员密集、出入口少，疏散路线长，一旦发生火灾极易造成群死群伤重大事故。本项目面向地铁系统火灾防控中的基础科学问题，聚焦于列车停滞于区间隧道的双狭长空间特殊火灾行为，采用实验研究、理论分析、数值仿真相结合的研究方法，完成了以下研究工作。（1）在列车车厢特殊顶棚射流和火溢流行为方面：研究了地铁列车车厢火灾羽流特性，获得了列车车厢火焰形态特征，阐释了侧向开口列车车厢内部横向/纵向一维温度分布规律；研究了地铁隧道/列车车厢双狭长空间内火灾特性，揭示了列车车厢内火源位置对火焰延伸及溢出的影响机制，验证了经典模型对双狭长空间结构内温度分布的适用性。（2）在列车车厢狭长空间火灾烟气蔓延规律方面：研究了自然通风条件下隧道/车厢双狭长空间火灾场景下车厢内火灾烟气温度的变化规律，建立了不同火源位置、火源功率下车厢顶棚下火灾烟气无量纲最高温升的分段函数表达式；揭示了隧道纵向通风对车厢火灾烟气温度分布的影响规律，发展了车厢顶棚下火灾烟气温度分布以及最高温度点位置预测模型。（3）在区间隧道火灾烟气蔓延行为方面：研究了列车火灾场景中车厢内火灾烟气沉降、溢流以及在隧道中的非稳态蔓延行为，揭示了纵向通风对双狭长空间下隧道顶棚下火灾烟气温度分布的影响机制；研究了隧道火灾场景中纵向风速、列车长度等因素对隧道上游火灾烟气的纵向温度分布、逆流长度的影响规律，建立了不同长度地铁列车影响下的区间隧道火灾烟气逆流长度预测模型。本项目在Tunn. Undergr. Sp. Tech.、Fire Tech.等本领域顶级期刊发表SCI论文19篇，在国内外学术会议作口头报告7次，授权发明专利2项、实用新型专利1项，培养博士研究生3名、硕士研究生1名，获得国际火灾安全科学学会最佳学位论文奖。相关研究成果对现有隧道狭长空间火灾动力学理论形成重要补充，并为优化地铁系统火灾烟气控制方法提供了理论基础和技术支撑。