第2章
地鐵及隧道火災的研究方法

2.1　模型實驗

實驗研究是火災科學研究中非常重要的方法之一，根據實驗尺度可以分為全尺寸實驗研究和小尺寸實驗（縮尺寸實驗）研究。全尺寸實驗由于模型和原型尺度相同，因此最能反映真實物理過程，但全尺寸實驗成本往往比較高，邊界條件也難以控制，實驗臺的建設周期往往較長，并且實驗的可重復性較差。考慮到經濟性和科學性的統一，縮尺寸模擬實驗廣泛應用于火災科學研究中。所謂縮尺寸模擬實驗[1]是根據物理現象之間的相似性，通過建立火災現象的相似準則，設計出縮尺寸建筑模型。通過在縮尺寸的模型中開展實驗，研究各種火災現象，而且可以開展重復性驗證，由于是在實驗條件下開展研究，還可以使用精密的測量設備和先進的測量方法。與全尺寸實驗相比，縮尺寸實驗的成本要低很多，實驗的可重復性也要強很多，邊界條件也較容易控制。因此，縮尺寸模型實驗已成為目前火災科學研究中最有力的工具。但縮尺寸實驗也有缺點，研究結果能否應用到實際中，有待進一步檢驗。

2.1.1　相似準則[2-4]

相似準則是進行縮尺寸火災模擬實驗的理論基礎。現階段對于地鐵隧道類狹長受限空間的縮尺寸火災模擬主要采用弗勞德模擬方法。由于火災煙氣羽流在狹長空間流動過程中主要受慣性力和浮力作用，因此，在用弗勞德模擬方法進行模擬時，必須保證模型和原型的弗勞德數相等。

對于地鐵隧道火災煙氣流動過程，在介紹弗勞德相似準則的推導之前，需要先做如下假設：

（1）火源近似為一熱源；

（2）煙氣為不可壓縮流體，與空氣熱物理性質相同；

（3）不考慮燃燒過程和化學反應引起的煙氣成分變化；

（4）不考慮輻射傳熱；

（5）浮力影響采用Boussinesq近似，即ρ₀-ρ=β（T-T₀）。

根據以上假設，控制煙氣流動的基本方程如下。

連續方程：

　　（2.1）

動量方程：

　　（2.2）

能量方程：

　　（2.3）

濃度方程：

　　（2.4）

狀態方程：

P=ρRT　　（2.5）

邊界內部傳熱方程：

　　（2.6）

以及內壁邊界條件：

　　（2.7）

其中C₁=0.036Pr1/3

引入無量綱量：

得到無量綱化的控制方程如下。

連續方程：

　　（2.8）

動量方程：

　　（2.9）

能量方程：

　　（2.10）

濃度方程：

　　（2.11）

狀態方程：

　　（2.12）

壁面導熱方程：

　　（2.13）

邊界條件方程：

　　（2.14）

將無量綱方程組歸一化，得到若干無量綱數，與Re和Fr有關的無量綱數為：

在常壓環境下進行的火災模擬實驗，煙氣主要受浮力驅動。因此，首先要保證模型實驗中無量綱數π₁不變，即：

從而得到：

V~L1/2

于是得出弗勞德模擬中，模型實驗與原型實驗中對應參數存在如下關系：

溫度：

T_M=T_F

幾何尺寸：

壓力：

速度：

體積流率：

時間：

火源功率：

式中，M代表模型實驗；F代表原型實驗。

2.1.2　典型地鐵隧道試驗模型簡介

（1）小尺寸地鐵車站火災試驗模型

模型實驗臺與實際地鐵車站按照1：10的比例搭建[5-6]。地鐵車站煙氣控制實驗臺主體由站臺層、站廳層和隧道軌行區組成，見圖2.1。隧道軌行區由4段2m×0.5m×0.6m的廂體組合而成，站臺層由4段2m×1.2m×0.44m的廂體組合而成，站廳層由2m×1.2m×0.44m的廂體構成。站臺層、站廳層和隧道軌行區頂面和底面均采用鋼板覆蓋，內襯采用8mm厚的防火板。站臺層、隧道軌行區靠外的側面均安裝有鋼化玻璃制成的上下翻開門，可上下翻動實現站臺和隧道側面的打開和封閉。站臺層的兩個端門是由鋼化玻璃制成的雙開門，可實現端門的開關。站廳層的兩側面裝有鋼化玻璃制成的上下翻開門，端門為鋼化玻璃制成的雙開門，可實現安裝和取下功能。由于站臺、站廳和隧道側面以及端部均安裝有鋼化玻璃，因此實驗過程中可以方便地觀察煙氣流動情況。

在站臺層和隧道軌行區連接處設有安裝鋼化玻璃的屏蔽門，屏蔽門可實現開關功能，屏蔽門的開關可實現站臺層和隧道軌行區的連通和隔離，在屏蔽門上方設有鋼化玻璃制成的活動擋板，可自由取下和安裝，可模擬地鐵車站設有的全封閉式屏蔽門和全高安全門，見圖2.2。

在站臺層頂部開有0.6m×0.4m的水平開口，在開口處安裝有樓梯，可實現站臺層和站廳層的連通，樓梯仿照實際地鐵樓梯形狀由角鋼焊接而成，與站臺層地面的傾角為32°，見圖2.3。

列車模型位于隧道軌行區，對實際地鐵列車做了簡化，省略了車底結構，采用架高的方式，車廂簡化為矩形截面，采用鋼板制作，車體長8m、寬0.35m、高0.3m，列車與屏蔽門靠近側開有列車車門，與屏蔽門尺寸相同，一一對應，見圖2.4。

實驗臺煙氣控制系統由隧道軌頂排煙系統、站臺排煙系統和站廳送風系統組成，見圖2.5。隧道軌頂排煙系統依照實際地鐵隧道排煙口的設置，在隧道頂部開有一系列排煙口；站臺排煙系統按照實際地鐵站臺“兩送兩回”的環控系統設置，在站臺頂棚靠近兩側屏蔽門處開有兩列排煙口，各排煙口大小一樣；站廳送風系統由位于站廳頂棚下方的一系列送風口組成。各煙氣控制系統的排煙口和送風口通過橫向排煙管、豎向排煙管與風機相接，其中在豎向排煙管安裝有手動開關閥，通過開關閥的旋轉可實現排煙管道的開啟和關閉。各風機連接相應的變頻器，通過調節變頻器可對排煙量和送風量進行控制，見圖2.6。由于隧道軌行區和站臺區長度較長，為使各排煙口風速盡量均勻，設有兩根豎向排煙管道與橫向排煙管道相連。

（2）大尺寸隧道火災模擬試驗模型

中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室建有大尺寸（1：5）隧道火災試驗平臺[7]，見圖2.7。該試驗平臺尺寸為長72m、寬1.5m、高1.3m。試驗段長66m，由11個長6m的單元連接而成，試驗臺的底面為鋼板，其余三面為玻璃，用于觀察實驗過程中的現象，試驗臺設計了縱向、橫向排煙系統，其中一側安裝有端部縱向排煙系統，另一側安裝了集煙罩用于收集實驗中燃燒所產生的煙氣或將煙氣排到室外。每個風機的風量均由數字變頻器控制，可以根據試驗工況連續調節風機頻率。縱向排煙系統設有勻速整流段。實驗臺的底部設置可開關的門，便于人員進入試驗臺內部。

（3）小尺度隧道火災模擬試驗模型

小尺度（1：20）隧道火災模擬試驗平臺，尺寸為8m×0.34m×0.44m（長×寬×高），其中隧道斷面依據實際隧道比例設計，實驗裝置如圖2.8所示。隧道底部、頂部和一側由鋼板密封，鋼板上覆蓋8mm厚的玻鎂板防火材料，以保證隧道結構和設施免受火災實驗中的高溫破壞。隧道另一側由透明鋼化防火玻璃制成，可打開并進行上下翻動。透過玻璃可以實時安全地觀察火災實驗中模型隧道內火源及煙氣流動的情況。在模型隧道的端部安裝有縱向通風風機（變頻風機）和穩流裝置，如圖2.9（a）所示，通過調節頻率可以提供均勻穩定的縱向通風，如圖2.9（b）所示。

隧道頂部共有8個邊長為0.1m的正方形排煙口，其間距為1m，如圖2.10（a）所示。采用數字變頻器來控制集中排煙的風機，通過改變風機的頻率來調節實驗風速，如圖2.10（b）所示。隧道模型安裝了一套頂部排煙系統。通過排煙管道上的自動控制閥可以控制單個或多個排煙口的開關。

（4）全尺寸列車火災試驗模型

全尺寸列車火災模擬實驗臺[8]主要由三部分組成，即模擬隧道區、模擬列車和模擬站臺區，見圖2.11。模擬列車置于隧道縱向中間位置，偏向隧道一側放置，用于模擬著火列車停靠車站時的火災場景。模擬隧道長30m、寬7.6m、高7.8m，隧道采用鋼框架結構，模擬隧道內壁采用防火板。模擬地鐵列車尺寸與實際列車的尺寸相同，在實際列車模型的基礎上做了簡化，主要是省略車底的驅動裝置，采用架高車廂的方式，車廂模型的內部高度為2.26m，上部寬度為2.80m，下部寬度為2.96m，在距車廂地板0.6m高的部分，車廂增寬至3.26m，圖2.12為列車模型示意圖和橫截面形狀示意圖。模擬隧道兩端縱向中心線上分別布置一臺風機，如圖2.11所示。