第2章
地铁及隧道火灾的研究方法
2.1 模型实验
实验研究是火灾科学研究中非常重要的方法之一，根据实验尺度可以分为全尺寸实验研究和小尺寸实验（缩尺寸实验）研究。全尺寸实验由于模型和原型尺度相同，因此最能反映真实物理过程，但全尺寸实验成本往往比较高，边界条件也难以控制，实验台的建设周期往往较长，并且实验的可重复性较差。考虑到经济性和科学性的统一，缩尺寸模拟实验广泛应用于火灾科学研究中。所谓缩尺寸模拟实验[1]是根据物理现象之间的相似性，通过建立火灾现象的相似准则，设计出缩尺寸建筑模型。通过在缩尺寸的模型中开展实验，研究各种火灾现象，而且可以开展重复性验证，由于是在实验条件下开展研究，还可以使用精密的测量设备和先进的测量方法。与全尺寸实验相比，缩尺寸实验的成本要低很多，实验的可重复性也要强很多，边界条件也较容易控制。因此，缩尺寸模型实验已成为目前火灾科学研究中最有力的工具。但缩尺寸实验也有缺点，研究结果能否应用到实际中，有待进一步检验。
2.1.1 相似准则[2-4]
相似准则是进行缩尺寸火灾模拟实验的理论基础。现阶段对于地铁隧道类狭长受限空间的缩尺寸火灾模拟主要采用弗劳德模拟方法。由于火灾烟气羽流在狭长空间流动过程中主要受惯性力和浮力作用，因此，在用弗劳德模拟方法进行模拟时，必须保证模型和原型的弗劳德数相等。
对于地铁隧道火灾烟气流动过程，在介绍弗劳德相似准则的推导之前，需要先做如下假设：
（1）火源近似为一热源；
（2）烟气为不可压缩流体，与空气热物理性质相同；
（3）不考虑燃烧过程和化学反应引起的烟气成分变化；
（4）不考虑辐射传热；
（5）浮力影响采用Boussinesq近似，即ρ0-ρ=β（T-T0）。
根据以上假设，控制烟气流动的基本方程如下。
连续方程：
（2.1）
动量方程：
（2.2）
能量方程：
（2.3）
浓度方程：
（2.4）
状态方程：
P=ρRT （2.5）
边界内部传热方程：
（2.6）
以及内壁边界条件：
（2.7）
其中C1=0.036Pr1/3
引入无量纲量：
得到无量纲化的控制方程如下。
连续方程：
（2.8）
动量方程：
（2.9）
能量方程：
（2.10）
浓度方程：
（2.11）
状态方程：
（2.12）
壁面导热方程：
（2.13）
边界条件方程：
（2.14）
将无量纲方程组归一化，得到若干无量纲数，与Re和Fr有关的无量纲数为：
在常压环境下进行的火灾模拟实验，烟气主要受浮力驱动。因此，首先要保证模型实验中无量纲数π1不变，即：
从而得到：
V~L1/2
于是得出弗劳德模拟中，模型实验与原型实验中对应参数存在如下关系：
温度：
TM=TF
几何尺寸：
压力：
速度：
体积流率：
时间：
火源功率：
式中，M代表模型实验；F代表原型实验。
2.1.2 典型地铁隧道试验模型简介
（1）小尺寸地铁车站火灾试验模型
模型实验台与实际地铁车站按照1：10的比例搭建[5-6]。地铁车站烟气控制实验台主体由站台层、站厅层和隧道轨行区组成，见图2.1。隧道轨行区由4段2m×0.5m×0.6m的厢体组合而成，站台层由4段2m×1.2m×0.44m的厢体组合而成，站厅层由2m×1.2m×0.44m的厢体构成。站台层、站厅层和隧道轨行区顶面和底面均采用钢板覆盖，内衬采用8mm厚的防火板。站台层、隧道轨行区靠外的侧面均安装有钢化玻璃制成的上下翻开门，可上下翻动实现站台和隧道侧面的打开和封闭。站台层的两个端门是由钢化玻璃制成的双开门，可实现端门的开关。站厅层的两侧面装有钢化玻璃制成的上下翻开门，端门为钢化玻璃制成的双开门，可实现安装和取下功能。由于站台、站厅和隧道侧面以及端部均安装有钢化玻璃，因此实验过程中可以方便地观察烟气流动情况。
图2.1 小尺寸地铁车站火灾实验台
在站台层和隧道轨行区连接处设有安装钢化玻璃的屏蔽门，屏蔽门可实现开关功能，屏蔽门的开关可实现站台层和隧道轨行区的连通和隔离，在屏蔽门上方设有钢化玻璃制成的活动挡板，可自由取下和安装，可模拟地铁车站设有的全封闭式屏蔽门和全高安全门，见图2.2。
图2.2 小尺寸地铁车站火灾实验台的屏蔽门系统
在站台层顶部开有0.6m×0.4m的水平开口，在开口处安装有楼梯，可实现站台层和站厅层的连通，楼梯仿照实际地铁楼梯形状由角钢焊接而成，与站台层地面的倾角为32°，见图2.3。
图2.3 楼梯口局部图
列车模型位于隧道轨行区，对实际地铁列车做了简化，省略了车底结构，采用架高的方式，车厢简化为矩形截面，采用钢板制作，车体长8m、宽0.35m、高0.3m，列车与屏蔽门靠近侧开有列车车门，与屏蔽门尺寸相同，一一对应，见图2.4。
图2.4 小尺寸地铁列车模型实物图和示意图
实验台烟气控制系统由隧道轨顶排烟系统、站台排烟系统和站厅送风系统组成，见图2.5。隧道轨顶排烟系统依照实际地铁隧道排烟口的设置，在隧道顶部开有一系列排烟口；站台排烟系统按照实际地铁站台“两送两回”的环控系统设置，在站台顶棚靠近两侧屏蔽门处开有两列排烟口，各排烟口大小一样；站厅送风系统由位于站厅顶棚下方的一系列送风口组成。各烟气控制系统的排烟口和送风口通过横向排烟管、竖向排烟管与风机相接，其中在竖向排烟管安装有手动开关阀，通过开关阀的旋转可实现排烟管道的开启和关闭。各风机连接相应的变频器，通过调节变频器可对排烟量和送风量进行控制，见图2.6。由于隧道轨行区和站台区长度较长，为使各排烟口风速尽量均匀，设有两根竖向排烟管道与横向排烟管道相连。
图2.5 小尺寸地铁车站火灾实验台烟气控制系统风口布置实物图和示意图
图2.6 小尺寸地铁车站火灾实验台的风机和变频器
（2）大尺寸隧道火灾模拟试验模型
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室建有大尺寸（1：5）隧道火灾试验平台[7]，见图2.7。该试验平台尺寸为长72m、宽1.5m、高1.3m。试验段长66m，由11个长6m的单元连接而成，试验台的底面为钢板，其余三面为玻璃，用于观察实验过程中的现象，试验台设计了纵向、横向排烟系统，其中一侧安装有端部纵向排烟系统，另一侧安装了集烟罩用于收集实验中燃烧所产生的烟气或将烟气排到室外。每个风机的风量均由数字变频器控制，可以根据试验工况连续调节风机频率。纵向排烟系统设有匀速整流段。实验台的底部设置可开关的门，便于人员进入试验台内部。
图2.7 大尺寸隧道火灾模拟试验台
（3）小尺度隧道火灾模拟试验模型
小尺度（1：20）隧道火灾模拟试验平台，尺寸为8m×0.34m×0.44m（长×宽×高），其中隧道断面依据实际隧道比例设计，实验装置如图2.8所示。隧道底部、顶部和一侧由钢板密封，钢板上覆盖8mm厚的玻镁板防火材料，以保证隧道结构和设施免受火灾实验中的高温破坏。隧道另一侧由透明钢化防火玻璃制成，可打开并进行上下翻动。透过玻璃可以实时安全地观察火灾实验中模型隧道内火源及烟气流动的情况。在模型隧道的端部安装有纵向通风风机（变频风机）和稳流装置，如图2.9（a）所示，通过调节频率可以提供均匀稳定的纵向通风，如图2.9（b）所示。
图2.8 小尺寸隧道火灾实验台
图2.9 小尺寸隧道火灾实验台纵向通风及控制系统
隧道顶部共有8个边长为0.1m的正方形排烟口，其间距为1m，如图2.10（a）所示。采用数字变频器来控制集中排烟的风机，通过改变风机的频率来调节实验风速，如图2.10（b）所示。隧道模型安装了一套顶部排烟系统。通过排烟管道上的自动控制阀可以控制单个或多个排烟口的开关。
图2.10 小尺寸隧道火灾实验台集中排烟口及控制系统
（4）全尺寸列车火灾试验模型
全尺寸列车火灾模拟实验台[8]主要由三部分组成，即模拟隧道区、模拟列车和模拟站台区，见图2.11。模拟列车置于隧道纵向中间位置，偏向隧道一侧放置，用于模拟着火列车停靠车站时的火灾场景。模拟隧道长30m、宽7.6m、高7.8m，隧道采用钢框架结构，模拟隧道内壁采用防火板。模拟地铁列车尺寸与实际列车的尺寸相同，在实际列车模型的基础上做了简化，主要是省略车底的驱动装置，采用架高车厢的方式，车厢模型的内部高度为2.26m，上部宽度为2.80m，下部宽度为2.96m，在距车厢地板0.6m高的部分，车厢增宽至3.26m，图2.12为列车模型示意图和横截面形状示意图。模拟隧道两端纵向中心线上分别布置一台风机，如图2.11所示。
图2.11 全尺寸列车火灾模拟实验台
图2.12 全尺寸地铁列车车厢模型示意图