摘要
为探究海拔高度对隧道内列车火灾烟气蔓延的影响，基于已被验证的数值模拟方法，结合三维非定常N-S方程和RNG k-ε湍流模型，采用滑移网格技术模拟了在隧道内匀速运行的列车发生火灾后减速并最终停在隧道内的整个运动过程，并利用动模型试验和缩尺隧道火灾试验数据验证了数值模拟方法的可靠性.结果表明：海拔高度对隧道内列车停车以后的火灾烟气蔓延影响明显；与低海拔隧道相比，同一时刻高海拔隧道拱顶同一位置处的烟气流速更快，烟气逆流至火源上游50 m处的时刻更早；车体周围温度分布也随着海拔高度的不断增加而呈现出逐渐上升的趋势.与0 m海拔隧道相比，5 000 m海拔隧道内烟气逆流至火源上游50 m的时刻提前了102 s，同时列车停车360 s时隧道拱顶处的温度峰值增加了216 K，增幅达到42.9%.
关键词
随着我国铁路隧道的快速发展，越来越多的铁路隧道无论是在海拔高度还是隧道长度等方面都创造了新的纪录.在铁路技术不断进步的同时，也不能忽略其带来的风险，对于我国隧线占比极高、超长隧道多的铁路线路，隧道里程相对较长，防灾救援是其安全运营的重点和难
目前国内外学者对于隧道内列车火灾烟气蔓延特性研究包括烟气温度分布、烟气逆流长度、临界通风速度等.Wang等
上述研究均针对平原铁路隧道，而对于高原铁路隧道，受高海拔特殊环境的影响，隧道内火灾发生后的温度场分布、烟气蔓延规律、烟气浓度变化等必然与平原地区隧道存在差异，低压低氧环境会导致火源燃烧速率和最高温度发生改变、加快烟气下沉及烟气沿隧道纵向蔓延的速度；且高原地区相对恶劣的自然环境条件对人员逃生速度也会带来极大限
综上所述，目前国内外学者针对低海拔隧道火灾开展了较多研究，对高海拔隧道火灾研究主要集中在没有列车的隧道火灾或列车静止在隧道内的火灾方面.对于高原铁路隧道内运动列车发生火灾后的烟气蔓延特性，现阶段相关研究较少.当高海拔隧道内列车发生火灾时，受空气稀薄、气温较低等条件影响，隧道内的烟气流速、温度分布以及烟气浓度分布与低海拔隧道火灾存在很大的不同.随着我国越来越多的高原铁路隧道的建设与使用，研究高海拔铁路隧道列车发生火灾后烟气蔓延特性与低海拔情况下存在的差异，是一个需要尽快解决的问题.开展高原铁路隧道内列车火灾烟气蔓延特性的研究，对于列车火灾发生时减少人员伤亡和财产损失具有较大的实用价值和理论指导意义.
1 数值计算方法
1.1 几何模型
本研究以国内某型动车组列车为研究对象，该动车组列车能够适应高原、高寒、高紫外线和强风沙等环境条件.列车模型采用三车编组，其几何模型如
图1 列车几何模型
Fig.1 Train geometric model
（a）三维视图 （b）侧视图
隧道模型如
图2 隧道模型
Fig.2 Tunnel model
（a）计算域视图 （b）隧道主断面
1.2 网格参数设置
本文研究内容涉及隧道内运动列车火灾，采用滑移网格技术模拟列车与隧道之间的相对运动，将包含列车与火源的滑移块作为滑移区域.为了考虑列车阻塞作用对烟气蔓延的影响，在对列车不同部件进行网格划分时，采用了自适应较强的四面体网格，以满足列车周围复杂区域的网格划分要求.同时，考虑到火源这一特殊区域，对其进行局部加密处理；在远离列车周围的滑移区域以及非滑移区域，采用类型为形状规整的六面体网格.按照以上网格划分方案，本研究中整个计算域的网格总数约为950万.
1.3 边界条件设置
本文研究情景包含运动列车从隧道外驶入隧道，采用滑移网格技术模拟列车运动，
图3 列车周围计算域网格划分
Fig.3 Computational domain meshing around the train
图4 计算域和边界条件
Fig.4 Calculation domain and boundary conditions
本研究建立了海拔高度分别0 m、1 000 m、 2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m的隧道列车火灾环境，用以探究不同海拔高度下隧道内列车火灾烟气蔓延特性.在设置大气压相关参数时，考虑了环境大气压以及环境温度等参数的影响，环境大气压值会随着海拔高度的升高而呈现出非线性下降的趋势，因而本文采用美国采暖、制冷与空调工程师学会出版的手册中关于海拔高度与大气压力关系的计算公式：
| （1） |
式中：表示海拔高度为h处的大气压力值，kPa； h表示所处海拔高度，m.
考虑到同一时刻随着海拔高度的增加，环境温度也会随之降低，相关标准中关于海拔高度与环境温度关系的计算公式
| （2） |
式中：th表示海拔高度为h处的环境温度，K； tA表示海平面处气象工作站处的环境温度，K； gt表示所处高度处温度梯度，K/m；Δh表示所处海拔高度与海平面之间高度差，m.
根据以上标准，本文以海拔0 m时为基准，该条件下环境温度为298 K（25 ℃）、大气压力为101.325 kPa、空气密度为1.225 kg/
| 海拔高度/m | 当地温度/K | 大气压力/kPa | 空气密度/（kg· |
|---|---|---|---|
| 0 | 298 | 101.325 | 1.225 |
| 1 000 | 291.5 | 89.267 | 1.106 |
| 2 000 | 285 | 78.426 | 0.996 |
| 3 000 | 278.5 | 68.597 | 0.895 |
| 4 000 | 272 | 59.883 | 0.800 |
| 5 000 | 265.5 | 52.081 | 0.714 |
1.4 火灾场景构建
为了研究高海拔地区环境大气压低、气温低条件下铁路隧道内运动列车火灾烟气蔓延特性，本文采用滑移网格技术，分析了以44 m/s速度在不同海拔高度隧道内匀速运行列车头车设备舱位置处突发火灾后减速至停车情景下隧道内的烟气蔓延特性.由于本文重点分析的是海拔高度对隧道内列车运动火灾烟气蔓延规律的影响情况，为了排除火灾规模对烟气蔓延的影响，本文将不同海拔高度隧道内的列车火源功率均设置为10 MW.
图5 移动火源火灾场景
Fig.5 Mobile fire source fire scene
1.5 测点布置
由于隧道内狭长受限的空间环境特点，当火灾发生时，释放的大量高温烟气容易在隧道内发生聚集且迅速沿着长度方向传播.为了分析列车发生火灾后隧道拱顶位置处的烟气特征参数，在隧道内拱顶位置处沿长度方向布置了一系列测点，测点布置如
图6 测点布置示意图（单位：m）
Fig.6 Schematic diagram of measurement point layout（unit：m）
2 数值验证
为了验证数值模拟方法的可靠性，本文采用两个试验来进行验证.其中，试验一是已开展的隧道内静止列车火灾试验，试验二是Wang
图7 隧道火灾试验示意图
Fig.7 Schematic diagram of tunnel fire accident test
（a）试验一 （b）实验二
图8 静止火灾烟气温升数值模拟方法验证
Fig.8 Verification of numerical simulation method of static fire accident smoke temperature rise
（a）纵向温度分布 （b）温升时程曲线
图9 运动火灾烟气流速数值模拟方法验证
Fig.9 Numerical simulation method verification of smoke velocity in motion fire accident
为验证网格无关性，采用3套不同密度的网格验证试验二所选取的测点位置的气流速度（
| 网格 | 网格总数/1 | 烟气流速峰值 | |
|---|---|---|---|
| （u/V）max | 误差/% | ||
| 动模型试验 | — | 0.551 | — |
| 粗糙网格 | 6.0 | 0.508 | -7.80 |
| 中等网格 | 8.5 | 0.535 | -2.90 |
| 精细网格 | 11.8 | 0.539 | -2.18 |
3 结果与分析
3.1 海拔高度对隧道内烟气流速影响分析
（a） 海拔高度0 m
（b） 海拔高度1 000 m
（c） 海拔高度2 000 m
（d） 海拔高度3 000 m
（e） 海拔高度4 000 m
（f） 海拔高度5 000 m
图10 列车停车后180 s时刻车体周围烟气流速分布
Fig.10 Smoke velocity distribution around the train body 180 s after the train stops
列车停车以后，随着时间的不断增加，火灾影响范围会进一步增大.
（a） 海拔高度0 m
（b） 海拔高度1 000 m
（c） 海拔高度2 000 m
（d） 海拔高度3 000 m
（e） 海拔高度4 000 m
（f） 海拔高度5 000 m
图11 列车停车后360 s时刻车体周围烟气流速分布
Fig.11 Smoke velocity distribution around the train body 360 s after the train stops
而在
为了进一步阐明海拔高度对隧道内气流流速的影响，
图12 不同海拔高度隧道内列车停车后隧道拱顶位置烟气纵向流速分布
Fig.12 Longitudinal flow velocity distribution of smoke at tunnel vault position after train parking in tunnel at different altitudes
（a）停车180 s （b）停车360 s
在火源下游区域，烟气分子所受静压力与活塞风动压力方向是一致的.列车停车以后，隧道内的活塞风在自身惯性作用下向前运动过程中受到隧道壁面、列车表面的摩擦力作用以及空气自身黏性作用，其流速会逐渐下降.当时间从180 s增加到360 s时，随着隧道内的活塞风不断衰减，裹挟在其中的烟气流速也进一步降低.虽然海拔升高会使烟气分子所受静压力与摩擦力之间的合力增大，但在活塞风动压力的耦合作用下，火源下游烟气分子沿纵向蔓延速度与海拔高度之间的关系尚不是很清楚.
| 海拔高度/m | 逆流至上游50 m时刻/s |
|---|---|
| 0 | 296 |
| 1 000 | 255 |
| 2 000 | 245 |
| 3 000 | 226 |
| 4 000 | 213 |
| 5 000 | 194 |
3.2 海拔高度对隧道内温度分布影响分析
（a） 海拔高度0 m
（b） 海拔高度1 000 m
（c） 海拔高度2 000 m
（d） 海拔高度3 000 m
（e） 海拔高度4 000 m
（f） 海拔高度5 000 m
图13 不同海拔高度隧道内列车停车后180 s时刻车体周围温度分布
Fig.13 Temperature distribution around the train body at different altitudes after the train stops in the tunnel at 180 s
（a） 海拔高度0 m
（b） 海拔高度1 000 m
（c） 海拔高度2 000 m
（d） 海拔高度3 000 m
（e） 海拔高度4 000 m
（f） 海拔高度5 000 m
图14 不同海拔高度隧道内列车停车后360 s时刻车体周围温度分布
Fig.14 Temperature distribution around the train body at different altitudes after the train stops in the tunnel at 360 s
比较
图15 不同海拔高度隧道内列车停车后隧道拱顶下方温度沿纵向分布
Fig.15 Longitudinal temperature distribution under the tunnel vault after the train stops in the tunnel at different altitudes
（a）停车180 s （b）停车360 s
4 结 论
本研究采用FLUENT滑移网格的方法，模拟了隧道内正常行驶列车突发火灾后减速至停车在隧道内的整个运动过程，分析了海拔高度对列车火灾发生后隧道内烟气流速以及温度分布的影响，得出的主要结论如下.
1） 当列车停车一段时间后，隧道内烟气逆流长度随着海拔高度的增加而逐渐增加.并且海拔越高，隧道内烟气逆流至火源上游50 m处的时间越早， 5 000 m海拔隧道内烟气逆流至火源上游50 m处的时间相比0 m海拔隧道提前了102 s.
2） 列车停车以后，由于活塞风作用，距离火源相同长度处的下游温度总是比上游高；随着海拔高度逐渐增加，同一时刻车体周围的温度分布呈现出不断增加的趋势；在列车停车后360 s时，5 000 m海拔隧道内拱顶位置处的温度峰值相比0 m海拔隧道升高了216 K，增幅达到42.9%.
本文在探究海拔高度对隧道内列车运动火灾场景下的烟气流速及温度分布的影响时，重点分析的是列车火灾发生后隧道内烟气的流速和温度，对于车厢内部的烟气蔓延情况未做深究.因此，在后续研究中可以进一步探讨海拔高度对隧道内列车车厢内部火灾烟气蔓延特性的影响情况.
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