一种应对运动地铁列车火灾的喷雾灭火优化方法

1.本技术涉及喷雾灭火优化领域，具体涉及一种应对运动地铁列车火灾的喷雾灭火优化方法。


背景技术：

2.我国地铁运营里程排名全球第一，至2020年底，中国已建成地铁交通系统的城市达44座，运营总里程超过7000km。地铁在为公众出行提供便利的同时，其环境问题和安全隐患已引发关注。虽然地铁发生火灾频率相对较低，但是由于地铁所在空间狭长受限的几何特征与地铁内乘员高密度聚集的特性，一旦发生火灾，如不能得到有效控制，将会造成重大人员伤亡与经济损失。
3.火灾烟气的危害性主要是由于三方面因素：毒性大、环境温度高、能见度低。目前的地铁车厢普遍仅配备1-2个灭火器，然而当火灾发生时，尤其在乘员较多的车厢火灾场景中，指望慌乱中的乘员开启并使用灭火器显然不现实。在运动地铁列车发生火灾后，若无法在前期采取主动措施及时控制火势发展，可能导致无法挽回的灾难性后果。尤其当列车运行过程中发生火灾时，其继续行驶不仅会在车内形成穿堂风，扩大起火范围，且会产生显著的活塞风效应，火灾烟气会在活塞风作用下沿列车运动方向蔓延，直至淹没整个列车段，严重威胁车内乘员安全。
4.相关研究表明隧道活塞风约为列车车速的0.45倍，火灾中的隧道温度场变化主要发生在列车停车阶段，而co浓度变化主要发生在列车匀速与制动阶段。穿堂风在运行列车内部具有纵向连贯性，且受列车速度、加速度变化的影响较大。显然，运动列车火灾的烟气扩散规律受列车穿堂风、活塞风及应急响应的机械通风的多重影响。
5.喷雾是将液体通过喷嘴喷射到气体介质中，使之分散并破碎成小颗粒液滴的过程。由于液体相对于空气或气体的高速运动，或者由于机械能的施加和喷射装置的旋转或振动，液体会雾化成各种尺寸范围的细小颗粒。雾化的液滴在空气中由于蒸发，必然进行着热和质的交换。蒸发必然要吸收周围空气的热量，从而降低周围空气的温度，进而在火灾中有效地压制火势。细水雾灭火技术近几年得到了很大的发展，具有不污染环境、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点。现有喷雾技术尚未考虑其在列车运动过程中喷雾特性受气流影响的应对方法，实际上，喷雾液束的流量、雾化粒径和贯穿距离均受列车运动产生的气流及隧道机械通风气流的影响，如不对喷雾系统在这类气流场中的喷雾特性进行优化就将其用于实际灭火过程，其效果必然很差(如无法覆盖火源、喷雾目标偏离等)，甚至会产生负面效果(如大幅降低疏散人群能见度)。


技术实现要素：

6.本技术拟对运动列车火灾时的细水雾喷雾系统灭火性能实施优化，重点考虑不同通风排烟模式组合与运动列车气流对细水雾场的耦合影响，进而优化喷雾系统的关键参数。
7.为实现上述目的，本技术提供了一种应对运动地铁列车火灾的喷雾灭火优化方法，步骤包括：
8.获取地铁列车由动至静过程中的运动列车气流的变化规律；
9.对所述变化规律进行处理；
10.判断机械通风气流与所述变化规律的关系；
11.获得列车时速反算的运动列车气流流速经验公式和变频风机通风量经验公式；
12.定义所述运动列车气流和所述机械通风气流的横流雷诺数、细水雾场雷诺数和细水雾场与横向气流的动量比；
13.基于所述机械通风气流的横流雷诺数、所述细水雾场雷诺数和所述细水雾场与横向气流的动量比，构建喷雾系统参数优化工程化模型，用于优化地铁列车火灾的喷雾灭火。
14.优选的，所述变化规律包括：活塞风的压力和风量以及穿堂风的压力和风量。
15.优选的，获取所述变化规律的方法包括：基于网格cfd技术获取所述活塞风的压力和风量以及所述穿堂风的压力和风量。
16.优选的，对所述变化规律进行处理的方法包括：以经验公式的形式描述所述所述活塞风的压力和风量以及所述穿堂风的压力和风量：
[0017][0018][0019]
式中，qs(t)为cfd计算的活塞风或穿堂风的时变风量，单位：m3/s；为cfd计算的列车外部或内部的平均风速，单位：m/s；a
t
为计算断面横截面积，单位：m2；v(t)为cfd计算的时变附加风速；p(t)为 cfd计算的活塞风或穿堂风引起的时变压力，单位：pa；为cfd 计算的列车外部或内部的平均压力，单位：pa；p(t)为cfd计算的时变附加压力，单位：pa；λ1和λ2为模拟得到的常数。
[0020]
优选的，判断所述关系的方法包括：判断所述机械通风气流与所述运动列车气流是否为“协同”效应、“叠加”效应或“拮抗”效应。
[0021]
优选的，获得所述列车时速反算的运动列车气流流速经验公式和所述变频风机通风量经验公式的方法包括：
[0022][0023]
qf＝γ
·vc
·a[0024]
式中，vc为运动列车气流流速，单位：m/s；v
t
为列车时速，单位： m/s；β和n为通过实验获得的参数；qf为变频风机的通风量，m3/s； a为列车的内部横截面积，m2；γ为通过实验获得的参数。
[0025]
优选的，获得所述横流雷诺数、所述细水雾场雷诺数和所述细水雾场与横向气流的动量比的方法包括：
[0026][0027]
[0028][0029][0030]
式中，rec为横流雷诺数；d为火源所在方腔单元的水力直径，单位： m；ρc为该方腔单元的空气密度，单位：kg/m3；μc为空气的粘性系数，单位：pa
·
s；uc为横向气流的耦合速度；ref为细水雾场雷诺数；d
32
为液滴sauter平均直径，单位：m；q
jet
为喷雾系统的体积流率，单位：m3/s；nf为细水雾场；y为细水雾场与横向气流的动量比；mc为横向气流的动量通量；mf为细水雾场初始液滴群的动量通量。
[0031]
优选的，构建所述喷雾系统参数优化工程化模型的方法包括：
[0032][0033]
式中，l、k、j、h、s为拟合的常数；y为细水雾出口到垂直方向液滴群体心的距离，单位：m；x为细水雾出口到水平方向最远液滴的距离，单位：m。
[0034]
与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
[0035]
本技术可对实际运动地铁列车火灾过程中的列车喷雾系统性能进行优化，使细水雾场能够在列车运动产生的气流和机械通风(火灾后开启)气流形成的耦合流场中实现对火源的有效覆盖和高效扑灭，通过明确运动地铁列车(由动至静)过程中气流(活塞风、穿堂风) 的产生机理与变化规律，厘清不同通风排烟模式组合与运动列车气流的“协同”、“叠加”或“拮抗”效应的合理判据及“协同”效应的维持方法，得到不同通风模式与列车运行状态下细水雾场特征及其对目标火源的控制效果，最后获得优化的喷雾系统关键参数(喷雾量、喷雾压力和喷孔直径)。此外，本技术中优化后的喷雾系统具有更高的抗干扰特性、更好的灭火性能，能适应运动列车突发火灾的高效灭火需求，推动了这类火灾场景中应急方案的完善和优化。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本技术实施例一的方法流程示意图；
[0038]
图2为本技术实施例二的具体实施过程示意图；
[0039]
图3为本技术实施例二的二维简化单节地铁列车匀加速直线运动示意图；
[0040]
图4为本技术实施例二的cfd后处理过程获得活塞风、穿堂风动的压力、风量变化规律示意图；
[0041]
图5为本技术实施例二的不同喷雾状态与横向流条件下的掺混流场中剪切层结构无量纲拟合示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0043]
为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
[0044]
实施例一
[0045]
如图1所示，为本技术实施例一的方法流程示意图，步骤包括：获取地铁列车由动至静过程中的运动列车气流的变化规律；对变化规律进行处理；判断机械通风气流与变化规律的关系；获得列车时速反算的运动列车气流流速经验公式和变频风机通风量经验公式；定义运动列车气流和机械通风气流的横流雷诺数、细水雾场雷诺数和细水雾场与横向气流的动量比；基于机械通风气流的横流雷诺数、细水雾场雷诺数和细水雾场与横向气流的动量比，构建喷雾系统参数优化工程化模型，用于优化地铁列车火灾的喷雾灭火。
[0046]
其中，地铁列车由动至静过程中的运动列车气流的变化规律包括：活塞风的压力和风量以及穿堂风的压力和风量。而获取变化规律的方法包括：基于网格cfd技术获取活塞风的压力和风量以及穿堂风的压力和风量。而对变化规律进行处理的方法包括：以经验公式的形式描述活塞风的压力和风量以及穿堂风的压力和风量：
[0047][0048][0049]
式中，qs(t)为cfd计算的活塞风或穿堂风的时变风量，单位：m3/s；为cfd计算的列车外部或内部的平均风速，单位：m/s；a
t
为计算断面横截面积，单位：m2；v(t)为cfd计算的时变附加风速；p(t)为 cfd计算的活塞风或穿堂风引起的时变压力，单位：pa；为cfd 计算的列车外部或内部的平均压力，单位：pa；p(t)为cfd计算的时变附加压力，单位：pa；λ1和λ2为模拟得到的常数。
[0050]
这其中，机械通风气流与变化规律的关系的方法包括：判断机械通风气流与运动列车气流是否为“协同”效应、“叠加”效应或“拮抗”效应。
[0051]
获得列车时速反算的运动列车气流流速经验公式和变频风机通风量经验公式的方法包括：
[0052][0053]
qf＝γ
·vc
·a[0054]
式中，vc为运动列车气流流速，单位：m/s；v
t
为列车时速，单位： m/s；β和n为通过实验获得的参数；qf为变频风机的通风量，m3/s； a为列车的内部横截面积，m2；γ为通过实验获得的参数。而获得横流雷诺数、细水雾场雷诺数和细水雾场与横向气流的动量比的方法包括：
[0055][0056][0057]
[0058][0059]
式中，rec为横流雷诺数；d为火源所在方腔单元的水力直径，单位： m；ρc为该方腔单元的空气密度，单位：kg/m3；μc为空气的粘性系数，单位：pa
·
s；uc为横向气流的耦合速度；ref为细水雾场雷诺数； d
32
为液滴sauter平均直径，单位：m；q
jet
为喷雾系统的体积流率，单位：m3/s；nf为细水雾场；y为细水雾场与横向气流的动量比；mc为横向气流的动量通量；mf为细水雾场初始液滴群的动量通量。
[0060]
最后，构建喷雾系统参数优化工程化模型的方法包括：
[0061][0062]
式中，l、k、j、h、s为拟合的常数；y为细水雾出口到垂直方向液滴群体心的距离，单位：m；x为细水雾出口到水平方向最远液滴的距离，单位：m。
[0063]
实施例二
[0064]
下面将结合本实施例二，详细说明本技术如何解决实际生活中的技术问题。如图2所示，为本实施例二的具体实施过程示意图。
[0065]
首先，以动网格cfd技术获取地铁列车由动至静过程的活塞风、穿堂风动态变化规律，包括两者的压力、风量变化规律。动网格cfd 技术用于模拟边界是刚性运动或有形变的，其计算的流域形状是随时间变化的。在动网格模型中，非定常计算流域内的网格需要在每个时间步长内更新。在本实施例二中，采用的动网格方法为局部重构 (local remeshing)方法。该方法中计算域的形变会压迫或拉伸运动边界附近的网格，当网格的扭曲率和尺寸不满足指定的标准时，cfd 将自动重构网格。以二维简化的单节地铁列车匀加速直线运动为例，如图3所示，在模拟的初始阶段，列车车尾附近的网格原本被拉伸的网格不满足扭曲率和尺寸要求，被重构成新的网格，同时，列车车头附近的网格被压缩后逐渐被消除。以此类推，实现了地铁列车在隧道内匀加速直线运动的动态模拟。而运动列车匀减速(由动至静)的模拟与上述过程基本一致，所不同的是需给列车一个初始运行速度。进而可以通过cfd后处理过程获得活塞风、穿堂风动的压力、风量变化规律，如图4所示。其中，活塞风为列车运动挤压隧道内的空气形成的气流，穿堂风为车厢密闭性问题导致其内部各部分之间产生较大的压力差，在压差作用下车厢内部空气发生流动。在后处理过程中，活塞风统计列车外部(隧道内)随时间变化的风量和压力，而穿堂风则统计列车内部随时间变化的风量和压力。两者的风量和压力可写成如下经验公式：
[0066][0067][0068]
式中，qs(t)为cfd计算的活塞风(穿堂风)的时变风量，单位：m3/s；为cfd计算的列车外部(内部)的平均风速，单位：m/s；a
t
为计算断面横截面积，单位：m2；v(t)为cfd计算的时变附加风速；p(t) 为cfd计算的活塞风(穿堂风)引起的时变压力，单位：pa；为 cfd计算的列车外部(内部)的平均压力，单位：pa；p(t)为cfd 计算的时变附加压力，单位：pa；λ1和λ2为模拟得到的常数。
[0069]
之后，综合判断不同通风排烟模式组合(机械通风气流)与运动列车气流是否为“协同”效应(即1+1》2)、“叠加”效应(1+1＝2) 或“拮抗”效应(1+1《2)。若为“协同效应”，则
表明当前机械通风气流与运动列车气流(活塞风、穿堂风)的耦合效应对火灾烟气的扩散有抑制作用(1+1》2)；若为“叠加”效应，则表明当前机械通风气流与运动列车气流的耦合效应对火灾烟气扩散的影响可以忽略 (1+1＝2)；若为“拮抗”效应，则表明当前机械通风气流与运动列车气流的耦合效应对火灾烟气的扩散有促进作用(1+1《2)，即反而加速了列车内部的烟气扩撒。显然，在运动列车由动至静的过程中，若要使机械通风气流与运动列车气流始终维持协同效应以压制火势，机械通风应采用变频风机，并通过列车时速反算的运动列车气流流速计算变频风机的通风量。
[0070]
所述的由列车时速反算的运动列车气流(活塞风、穿堂风)流速经验公式通过实验数据获得，其满足如下形式：
[0071][0072]
式中，vc为运动列车气流(活塞风、穿堂风)流速，单位：m/s；v
t
为列车时速，单位：m/s；β和n为通过实验获得的参数。
[0073]
而由运动列车气流流速预测变频风机的通风量的经验公式同样通过实验获得，其满足如下形式：
[0074]
qf＝γ
·vc
·aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0075]
式中，qf为变频风机的通风量，单位：m3/s；a为列车的内部横截面积，单位：m2；γ为通过实验获得的参数。
[0076]
活塞风、穿堂风与机械通风气流耦合形成的横向气流(相对于喷雾方向)的特征可由横流雷诺数表示：
[0077][0078]
式中，d为火源所在方腔单元的水力直径，单位：m；ρc为该方腔单元的空气密度，单位：kg/m3；μc为空气的粘性系数，单位：pa
·
s；uc为横向气流的耦合速度(即综合考虑了运动列车气流流速vc和机械通风风速qf/a的气流速度)，单位：m/s。
[0079]
本实施例二中，对于细水雾与横向气流的掺混过程，不同的喷嘴雾化状态以及横向流条件下的气液掺混流场结构有较大差异。为进一步分析活塞风、穿堂风与机械通风气流耦合形成的横向气流对细水雾流场的影响，本技术定义了细水雾场雷诺数ref与细水雾液滴数量n
f (可表征细水雾流量)分别如下：
[0080][0081][0082]
式中，d
32
为液滴sauter平均直径，单位：m；q
jet
为喷雾系统的体积流率，单位：m3/s。其他参数定义与公式(5)相同。
[0083]
其中，细水雾场与横向气流的掺混是一个复杂的多参数两相流过程，喷雾状态和横向流条件的改变均会引起剪切层结构的显著变化。而剪切层结构是反映喷雾场的结构特征(轨迹)及能否有效覆盖火源的重要参数，定义细水雾场与横向气流的动量比为：
[0084]
[0085]
式中，mc为横向气流的动量通量；mf为细水雾场初始液滴群的动量通量。两者可分别采用如下公式计算：
[0086][0087][0088]
式中，ρw为水的密度，单位：kg/m3；uf为细水雾液滴的总体平均速度，单位：m/s。
[0089]
根据无量纲分析，可得到剪切层结构的表达形式如下：
[0090][0091]
在本实施例二中，通过构建喷雾系统参数优化工程化模型，来拟合不同喷雾状态与横向流条件下的掺混流场中剪切层结构无量纲表达式，包括：
[0092][0093]
式中，l、k、j、h、s为数据拟合的常数；y为细水雾出口到垂直方向液滴群体心的距离，单位：m；x为细水雾出口到水平方向最远液滴的距离，单位：m，如图5所示。
[0094]
由公式(12)可知，若要使喷雾的剪切层结构有效覆盖火源，需要对x和y进行约束，其可通过控制喷雾量(mf)、喷雾初始速度(y) 和喷孔直径(ref)实现。即要提高细水雾场对目标火源的控制效果，通过公式(12)优化喷雾系统关键参数是核心，这为运动地铁列车火灾喷雾系统的优化提供了可借鉴的工程化方法，大幅降低了采用诸如 cfd等其他方法优化喷雾系统参数的时间成本。
[0095]
以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。