基于火灾列车运动-活塞风耦合作用的救援站烟流流动机制研究

Existing technical measure for disaster prevention and rescue was developed without giving any consideration of piston wind induced by train operation. However, piston flow has complicated influence on fire smoke flow. Related experimental and numerical modelling researches on fire study with trains moving, which are still in the exploratory stage, do not match with the actual air flow. With the help of theoretical analysis, numerical simulation and model experiment, fire smoke flow mechanism is studied when trains are running normally or moving into the rescue stations in this research. Coupled train movement-piston flow governing equations, basic governing equation of piston effect in rescue stations and solution model of fire ventilation network upon piston wind coupling effect are proposed in this study; change regularities of velocity fields, fire smoke diffusion field and wind pressure field with trains driving into rescue stations are also suggested. Finally, control strategies of emergency ventilation are put forward, which provide a technological support for disaster prevention and rescue in extra-long tunnel.

当火灾列车停靠救援站时，列车的运动及由此产生的活塞风对火灾烟雾流动的影响非常复杂，现有的防灾救援技术措施都是基于列车静止、无活塞风影响烟雾流态的情况而制定的。目前对于运动列车火灾的研究还处在探索阶段，有关试验研究和数值模拟都与着火列车在隧道中的实际运动及活塞风流态不符。本项目拟通过国内外文献收集、理论分析、数值模拟及模型试验，对火灾列车在隧道中运行及停靠救援站过程中，隧道及救援站的火灾烟流流动机制进行研究，通过研究，建立基于火灾列车运动-活塞风耦合作用的火灾烟流流动基本控制方程、救援站活塞风作用基本控制方程以及基于活塞风耦合作用的火灾通风网络解算模型，探明救援站火灾速度场变化规律、烟流扩散场、救援站压力场随火灾列车进站的时程变化规律，制定相关火灾通风控制对策，为特长隧道救援站防灾救援提供技术支撑。

当火灾列车停靠救援站时，活塞风对火灾烟流流动的影响非常复杂。探明此过程中救援站内速度场、烟流扩散场、压力场的变化规律，可为特长隧道救援站排烟方案的制定提供技术支撑。本项目采用理论分析、模型试验、数值模拟等手段对着火列车停靠救援站过程火灾-活塞风耦合作用展开深入系统地研究。取得的主要研究成果如下：. （1）基于流体力学计算理论，建立了基于活塞风外力及外界输入能量修正的运动列车火灾-活塞风耦合作用的流体控制方程。. （2）将列车驶向并停靠救援站过程分为进洞、洞内匀速行驶、洞内减速行驶以及洞内停车这4个阶段，推导了横通道关闭和开启两种状态下的救援站内活塞风的理论公式，探明了列车长度和列车速度对活塞风的影响。. （3）建立了基于火灾列车运动-活塞风耦合作用的模型试验平台，展开了着火列车驶入并停靠救援站烟气的流动特性的试验研究，分析了隧道及救援站内气烟流的动态变化规律，采用Fluent动网格技术进行了数值模拟对比，验证了数值模拟方法分析火灾列车运动-活塞风耦合作用下救援站内烟流流动问题的合理性。. （4）展开实体隧道着火列车停靠救援站过程中流场的数值模拟，分析了隧道及救援站内火灾烟流的速度场、温度场、压力场的动态变化规律，揭示了不同行驶阶段列车环腔内风流随列车运动状态的变化规律，探明了基于火灾列车运动-活塞风耦合作用的烟流场动态蔓延特征。. （5）建立了基于火灾列车运动-活塞风耦合的通风网络计算模型，推导了基于思考得-恒斯雷法的回路风量修正公式，进一步完善了通风网络解算程序。研究了双竖井超长铁路隧道内活塞风流动规律，验证了通风网络解算模型及编制程序的可靠性。. （6）展开了铁路隧道救援站纵向排烟模式下，横通道分散防烟、横通道分散防烟+火灾隧道集中排烟两种排烟方案的数值模拟及试验研究，提出了铁路隧道救援站的采用纵向排烟时基于人员安全撤离的合理控烟策略。