耦合烟气与蒙特卡罗的隧道火灾疏散及其优化

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.12.2206

中国安全科学学报 ›› 2023, Vol. 33 ›› Issue (12): 167-175.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.12.2206

耦合烟气与蒙特卡罗的隧道火灾疏散及其优化

张孝春¹(), 陈林杰¹, 周舸尧¹, 张兆民², 魏瑞超²^,^**(), 吴斌斌³

¹ 广东工业大学安全工程系,广东广州 511400
² 深圳职业技术学院新能源汽车研究院, 广东深圳 518055
³ 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东广州 510010

收稿日期:2023-06-20 修回日期:2023-09-18 出版日期:2023-12-28
通讯作者:
**魏瑞超(1991—),男,河南开封人,博士,副研究员,主要从事新能源汽车故障预测与火灾防控方面的研究。E-mail: richardwei@szpt.edu.cn。

作者简介:

张孝春 (1987—),男,山东济南人,博士,副教授,安全工程系副主任,主要从事隧道火灾理论、安全评估、火灾安全与燃烧科学方面的研究。E-mail: xczhang1@gdut.edu.cn。

基金资助:
国家自然科学基金资助(52276108); 广东省重点领域研发计划项目(2019B111102003); 广东大学生科技创新培育专项资金资助项目(pdjh2023b0171)

Coupling smoke information and Monte Carlo simulation for evacuation of tunnel fires and its optimization

ZHANG Xiaochun¹(), CHEN Linjie¹, ZHOU Geyao¹, ZHANG Zhaomin², WEI Ruichao²^,^**(), WU Binbin³

¹ School of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 511400, China
² Institute of New Energy Vehicle Research, Shenzhen Institute of Vocational Technology, Shenzhen Guangdong 518055, China
³ Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510010, China

Received:2023-06-20 Revised:2023-09-18 Published:2023-12-28

摘要/Abstract

摘要：

为保证隧道火灾下人员的安全疏散,以广州市某隧道为例,首先,由火源功率、自然风速、火源位置这3种因素组合,形成18个模拟工况;其次,借助火灾动力学模拟工具(FDS)求解可用安全疏散时间(ASET),同时,获取网格内烟气能见度、温度、CO体积分数等危害特征参数;然后,耦合烟气信息与蒙特卡罗模拟,借助Pathfinder求解必需安全疏散时间(RSET)与有效剂量分数(FED);最后,通过双重判据(ASET是否大于RSET、个人风险值FED是否超标)分析场景危险度,并优化危险场景及量化其效果。结果表明:人员疏散风险与火源功率、自然风速显著相关,但与火源位置的相关性不强;基于分区疏散与动态启闭安全出口的方法的疏散优化效率大于10%。

关键词: 隧道火灾, 人员疏散, 烟气信息, 蒙特卡罗模拟, 疏散风险, 双重判据, 优化效果

Abstract:

In order to ensure the safe evacuation of people under tunnel fire, a tunnel in Guangzhou city was studied as an example. Firstly, 18 simulation conditions were formed by the combination of three factors: fire heat release rate, natural wind speed and fire location. Secondly, the available safe evacuation time (ASET) was solved with the fire dynamics simulator(FDS), and the hazard characteristic parameters such as smoke visibility, temperature and CO concentration in the grid were obtained. Then, the smoke information was coupled with Monte Carlo simulation to solve the required safe egress time (RSET) and fractional effective dose (FED) with the Pathfinder. Finally, the double criterion (whether ASET was greater than RSET or not, and whether individual risk value FED exceeded the standard or not) were used to analyze the scenarios, and the hazard scenarios were optimized and their effects were quantified. The results show that the personnel evacuation risk is significantly correlated with the fire heat release rate and natural wind speed, but has nothing to do with fire location. In addition, the evacuation optimization efficiency of the method based on zonal evacuation and dynamic exits is more than 10%.

Key words: tunnel fire, personnel evacuation, smoke information, Monte Carlo simulation, evacuation risk, dual criterion, optimization effect

张孝春, 陈林杰, 周舸尧, 张兆民, 魏瑞超, 吴斌斌. 耦合烟气与蒙特卡罗的隧道火灾疏散及其优化[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(12): 167-175.

ZHANG Xiaochun, CHEN Linjie, ZHOU Geyao, ZHANG Zhaomin, WEI Ruichao, WU Binbin. Coupling smoke information and Monte Carlo simulation for evacuation of tunnel fires and its optimization[J]. China Safety Science Journal, 2023, 33(12): 167-175.

图/表 8

图1

表1

图2

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表2

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参考文献 17

[1]	李伟平, 徐永, 廖少明. 公路隧道火灾安全疏散时间计算法的探讨与改进[J]. 中国安全科学学报, 2012, 22(9):43-50.
	LI Weiping, XU Yong, LIAO Shaoming. Exploring and improving RSET calculation method in road tunnel fire[J]. China Safety Science Journal, 2012, 22(9): 43-50.
[2]	张玉春, 何川. 基于人员疏散随机性的公路隧道火灾风险分析[J]. 土木工程学报, 2010, 43(7):113-118.
	ZHANG Yuchun, HE Chuan. Analysis of fire risk of road tunnel based on random ness of evacuation[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(7): 113-118.
[3]	王赤心. 采用蒙特卡洛法计算隧道人员疏散时间[J]. 现代隧道技术, 2017, 54(2):144-148.
	WANG Chixin. Calculation of evacuation time by the Monte Carlo method[J]. Modern Tunnelling Technology, 2017, 54(2): 144-148.
[4]	陈明仙, 许贵贤. 海底隧道火灾事故人群疏散优化方案研究[J]. 华北科技学院学报, 2017, 14(6):59-64.
	CHEN Mingxian, XU Guixian. Research on optimization of fire crowd evacuation in subsea tunnel[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology, 2017, 14(6): 59-64.
[5]	何叶. 珠江新城核心区地下综合交通系统设计实施与评价[D]. 广州: 华南理工大学, 2015.
	HE Ye. Research and assessment on practical design of the underground integrated transportation system in Zhujiang new town core area[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015.
[6]	PIARC Committee on Road Tunnels. Fire and smoke control in road tunnels[R]. 2005.
[7]	钟委, 李华琳, 骆轲轲, 等. 环境风作用下城市地下隧道自然通风效果的研究[J]. 工业安全与环保, 2017, 43(8):65-68.
	ZHONG Wei, LI Hualin, LUO Keke, et al. Study of the natural ventilation effect in urban tunnel under environmental wind[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2017, 43(8): 65-68.
[8]	TRUCHOT B, FOUILLEN F, COLLET S. An experimental evaluation of toxic gas emissions from vehicle fires[J]. Fire Safety Journal, 2018, 97: 111-118. doi: 10.1016/j.firesaf.2017.12.002
[9]	Organisation for Economic Co-operation and Development. Safety in tunnels: transport of dangerous goods through road tunnels[M]. Paris: OECD Publishing, 2001:33-47.
[10]	张孝春, 陈林杰, 周舸尧, 等. 隧道火灾FDS模拟结果附录[Z/OL]. (2023-08-20). https://kdocs.cn/l/cdfX2JVUkBZE.
[11]	汪金辉, 焦宇, 刘江虹, 等. 参数不确定性对隧道火灾人员安全时间的影响研究[J]. 中国安全科学学报, 2011, 21(12):46-51.
	WANG Jinhui, JIAO Yu, LIU Jianghong, et al. Effect of parameter uncertainty on available time under tunnel fire[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(12): 46-51.
[12]	FRIDOLF K, RONCHI E, NILSSON D, et al. The representation of evacuation movement in smoke-filled underground transportation systems[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 90: 28-41. doi: 10.1016/j.tust.2019.04.016
[13]	杨瑞新, 胡隆华, 王信友, 等. 公路隧道火灾自动报警系统的全尺寸实验研究[J]. 消防科学与技术, 2009, 28(10):757-760.
	YANG Ruixin, HU Longhua, WANG Xinyou, et al. Full scale experimental studies on the response characteristics and applicability of fire automatic alarm system in a road tunnel[J]. Fire Science and Technology, 2009, 28(10): 757-760.
[14]	吕勇. 公路隧道火灾人员逃生不确定性研究[D]. 长安: 长安大学, 2013.
	LYU Yong. Study on the uncertainty of fire personnel escape of highway tunnel[D]. Chang'an: Chang'an University, 2013.
[15]	范维澄, 孙金华, 陆守香. 火灾风险评估方法学[M]. 北京: 科学出版社, 2004:521-533.
[16]	李削云, 马险峰, 王俊淞. 公路隧道火灾逃生疏散研究[J]. 中国安全科学学报, 2011, 21(5):66-71.
	LI Xiaoyun, MA Xianfeng, WANG Junsong. Research on evacuation and rescue in road tunnel under fire[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(5): 66-71.
[17]	戎贤, 许家杰, 张新宇, 等. 特长公路隧道火灾烟气沉降特性对人员疏散影响的研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2023, 19(2):128-135.
	RONG Xian, XU Jiajie, ZHANG Xinyu, et al. Research on influence of fire smoke descent characteristics on personnel evacuation in extra-long highway tunnel[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2023, 19(2): 128-135.

场景序号	火源规模/MW	自然风速/ (m·s^-1)	火源位置
1—3	5.0	0.0;1.0;2.0	车道A,隧道中部
4—6	5.0	0.0;1.0;2.0	车道B,隧道中部
7—9	10.0	0.0;1.0;2.0	车道A,隧道中部
10—12	10.0	0.0;1.0;2.0	车道B,隧道中部
13—15	20.0	0.0;1.0;2.0	车道A,隧道中部
16—18	20.0	0.0;1.0;2.0	车道B,隧道中部

场景序号	整体疏散风险值				个人疏散风险值
场景序号	ASET/s	RSET值/s (选择最大值)	安全余量/s	初步判断为危险的概率/%	FED 临界值	最大RSET 对应的FED 值/10^-4	个人累加 FED/10^-4 (选择最大值)	初步判断为危险的概率/%
1	229.0	219.0	10	0	0.3	1.37	3.60	0
2	>330.0	214.5	>115.5	0	0.3	0.39	23.0	0
3	195.0	211.5	-16.5	41.8	0.3	17.0	90.0	0
4	228.7	218.0	10.7	0	0.3	2.06	2.10	0
5	>330.0	218.8	>111.2	0	0.3	4.20	32.0	0
6	214.5	219.5	-5	0.6	0.3	5.26	77.0	0
7	238.9	213.5	25.4	0	0.3	1.49	2.20	0
8	>330.0	215.3	>114.7	0	0.3	14.0	34.0	0
9	151.1	212.0	-60.9	100	0.3	11.0	59.0	0
10	232.30	217.8	14.5	0	0.3	2.06	3.50	0
11	297.7	224.0	73.7	0	0.3	0.77	33.0	0
12	171.9	217.0	-45.1	100	0.3	14.5	60.0	0
13	206.3	216.3	-10	4.2	0.3	1.23	2.20	0
14	208.2	223.8	-15.6	2.6	0.3	2.79	27.0	0
15	171.0	220.3	-49.3	100	0.3	4.52	47.0	0
16	206.5	227.5	-21	4.4	0.3	1.96	2.00	0
17	136.0	215.8	-79.8	100	0.3	7.89	44.0	0
18	161.4	220.8	-59.4	100	0.3	4.09	49.0	0

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Coupling smoke information and Monte Carlo simulation for evacuation of tunnel fires and its optimization

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[1]	宋洋, 马文举. 环境风下多层航站楼排烟效果及人员疏散研究[J]. 中国安全科学学报, 2024, 34(1): 206-214.
[2]	何路, 张晓锦, 王东伟, 朱国庆, 袁狄平, 徐志胜. 隧道火灾集中排烟系统排热效率预测方法[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(7): 113-120.
[3]	魏米铃, 王威, 戎卿文, 刘晓然, 刘朝峰. 考虑不确定性的复合灾害避难疏散风险评估模型[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(7): 203-212.
[4]	吕伟, 汪京辉, 李加伟, 陈文涛, 房志明. 火灾场景下宽体客机人员疏散风险分析[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(3): 141-146.
[5]	杜涛, 李萍, 王雨, 薛宪凯. 隧道火灾烟气温度及蔓延速度衰减特性[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(2): 140-145.
[6]	霍非舟, 李盈, 马亚萍, 涂文豪, 刘昶, 闫岩. 考虑环境熟悉度与疏散策略的元胞自动机模型[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(9): 94-99.
[7]	霍非舟, 李超, 李宇飞, 吕伟, 涂文豪. 考虑个体间信息传递的人员疏散模型[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(7): 151-157.
[8]	徐童, 唐飞, 何清. 隧道内贴壁火顶棚射流温度及火焰特性研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(7): 93-97.
[9]	阳东, 李萍. 抑制倾斜隧道烟气流动热压主导模式的临界风压[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(5): 41-47.
[10]	王凯, 胡经纬, 杨涛, 蔡炜垚, 王建华, 陈瑞鼎. 地铁站火灾烟流特性及协同集控系统[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(12): 133-140.
[11]	宋英华, 张悦, 马亚萍, 霍非舟, 董前程. 人为攻击事件下考虑引导作用的人员疏散模型[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(11): 140-145.
[12]	杨宇轩, 程辉航, 龙增, 陈俊沣, 刘畅, 钟茂华. 阻塞效应对隧道火灾烟气温度影响试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(10): 135-141.
[13]	霍非舟, 刘昶, 马亚萍, 李盈. 考虑主动避让行为的养老场所人员疏散研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(1): 142-148.
[14]	陶亮亮, 曾艳华, 刘振撼, 彭俊钦, 周小涵. 空气幕对地铁隧道火灾温度及流场的影响研究[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(7): 157-163.
[15]	胡成, 李俊伟, 李强, 陈晋. 考虑人群聚集时空分布的安全容量计算方法:以北京什刹海景区为例[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(6): 136-143.