地鐵站內(nèi)空氣幕防煙效果的數(shù)值模擬研究

吳振坤，張和平，盛業(yè)華，陳 震，胡 浩，姚 斌

（1．安徽省消防總隊，合肥，230000；2．中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026；3．合肥城市軌道交通有限公司，合肥，230000）

0 引言

隨著我國城市化進程的發(fā)展，城市的規(guī)模越來越大，交通成為影響城市發(fā)展的重要因素。地鐵作為緩解城市交通緊張的有效工具在許多國家的城市中得到應用。在地鐵建設與運營管理中，地鐵火災是不容忽視的問題。由于客流量大、人員集中，一旦發(fā)生火災，極易造成群死群傷的災難性后果，引發(fā)社會不穩(wěn)定，并引起國際社會的震撼。典型案例如2003年2月18日韓國大邱市地鐵發(fā)生的火災造成198人死亡，146人受傷，289人失蹤，成為震驚世界的重大火災事故。1995年10月28日夜里，阿塞拜疆首都巴庫地鐵由于電動機車電路故障發(fā)生一起惡性地鐵火災慘劇，由于地鐵車廂大部分材料采用易燃物質(zhì)，火勢異常猛烈，有毒濃煙霧彌漫，乘客被困在隧道內(nèi)，造成558人死亡，269人受傷［1］。

早在20世紀80年代，日本消防協(xié)會即使用防煙空氣幕阻擋煙氣的蔓延，得到了較為滿意的效果。美國、歐洲一些國家在防煙空氣幕的實驗中也取得了一些成果。我國南京工業(yè)大學的何嘉鵬［2］副教授對高層建筑火災防煙空氣幕進行了實驗研究。周汝［3］等根據(jù)地鐵站建筑結(jié)構(gòu)特點及火災煙氣的擴散規(guī)律，提出將空氣幕用于地鐵站樓梯口防煙，以保障火災時人員的安全疏散。應志剛［4］通過研究空氣幕和擋煙垂壁阻擋煙氣蔓延的性能，結(jié)合地鐵站模型，利用FDS對控煙措施進行研究分析，研究擋煙垂壁的高度以及空氣幕的風速大小對煙氣蔓延控制效果的影響。黃冬梅等［5，6］人利用FDS軟件建立了一個二層建筑模型，對2．5MW 木頭燃料火災進行模擬，得出了空氣幕的最佳送風速度和送風角度。張培紅等［7］采用FDS軟件模擬了地鐵火災，通過改變空氣幕的送風角度，分析了火源附近、樓梯口、扶梯口附近的溫度場和速度場的分布規(guī)律，為保證人員在6分鐘以上的安全疏散時間提供理論依據(jù)。

基于地鐵火災的嚴重危害性及前人對空氣幕防煙研究的成果，筆者初步做了地鐵站內(nèi)空氣幕擋煙有效性的FDS模擬研究，以期為工程應用和實驗研究提供參考。

1 空氣幕擋煙有效臨界條件

當開口高度H，寬度b0，及空氣幕射流角度一定時，改變橫向氣流速度Vw，當擋煙有效達到臨界條件時，U0／Vw近似為一常數(shù)?？杀硎緸椋?/p>

其中：U0：風幕的出口風速；

Vw：煙氣橫向蔓延速度；

H：開口高度；

b0：開口寬度；

α：風幕出口風角度。

由式1可知，當開口高度H，寬度b0一定時，橫向的煙氣蔓延速度Vw只與U0和α有關(guān)［8］。本文模擬研究了空氣幕的射流速度與角度對一定火源條件下的煙氣的阻擋效果。

2 模擬計算的設置

本文研究的問題主要是由站臺層向站廳層的樓扶梯間的空氣幕的防煙擋煙效果。模擬研究主要選取了火源位于站臺層內(nèi)，火源功率主要選取了0．5MW、1．5MW、2MW 三種功率的火源?；鹪疵娣e設為1m×1m。風幕設置在樓扶梯口，擋煙垂壁的后面，擋煙垂壁向下延伸0．5m 長。如圖1所示。

圖1 模擬的模型中樓扶梯口、空氣幕、火源相互位置Fig．1 The location of floor escalator mouth，air curtain，fire source in simulation model

FDS模擬的模型是按照合肥水陽江地鐵站實際建成后的尺寸搭建，網(wǎng)格按照局部加密原則，三組網(wǎng)格分別是200×36×45，204×36×45，36×36×45，網(wǎng)格數(shù)為712800個網(wǎng)格。第一組網(wǎng)格200×36×45是離火源最遠的部分，第二組網(wǎng)格204×36×45，包含了火源和模擬的樓扶梯口，第三組網(wǎng)格主要是火源與樓扶梯口另一側(cè)部分。風幕機設為一個0．2m×5．7m 的出風口。風幕口設在擋煙垂壁后側(cè)，距離擋煙垂壁30cm。在風幕正中位置的前后1m、1．5m 分別設溫度測點，這些溫度測點的高度分別為4．4m，4．2m，4．0m，3．8m，3．6m，3．4m，3．2m，3．0m，2．8m。如圖2所示。

模擬主要研究了空氣幕風速，空氣幕角度對于阻煙效果的影響，通過空氣幕前后典型溫度測點溫度變化，得出這些因素變化對于空氣幕的阻煙效果影響。模擬的工況條件在模擬工況表1中。

圖2 熱電偶與空氣幕和擋煙垂壁的位置Fig．2 The location of thermocouple，air curtain and ceiling screen

表1 模擬工況表Table 1 Simulation conditions

3 模擬結(jié)果分析與討論

工況1－4模擬了空氣幕射流速度為3m／s，4m／s，5m／s，10m／s的情況。分別對比在這些速度的空氣幕作用下，空氣幕前后的溫度變化，來分析不同速度的空氣幕的擋煙效果。由于空氣幕后側(cè)樓扶梯內(nèi)1．5m 距離處的臺階高度達到了1m 高度，所以考慮到對人員疏散影響的高度是2m，因此選擇3m高度處溫度測點對比。

從圖3 中可以看到，當空氣幕速度為3m／s和4m／s、5m／s時，空氣幕前的溫度在200s時升高到約45℃，而當空氣幕的速度為10m／s時，空氣幕前的溫度只升高至35℃。這說明空氣幕的速度為10m／s時，空氣幕的氣流沖量能將其前方的煙氣有效沖散，溫度升高的并不高。

從圖4中可以看到，當空氣幕速度為3m／s時，空氣幕后面樓扶梯3m 高度處的溫度在200s－300s時升高到約23．5℃，而當空氣幕的速度為4m／s、5m／s時，空氣幕后的溫度只升高至21．5℃。當空氣幕的速度為10m／s時，空氣幕后的樓扶梯內(nèi)3m高度處溫度升高至21℃，與空氣幕速度為4m／s和5m／s的溫度情況相差只有0．5℃，這說明空氣幕在速度為4m／s，5m／s和10m／s時，能夠較好的阻擋住煙氣，使煙氣不能進入樓扶梯口。

圖3 不同風速空氣幕前的溫度變化曲線Fig．3 Temperature change curve before the air curtain of different wind speeds

圖4 不同風速空氣幕后的溫度變化曲線Fig．4 Temperature change curve behind the air curtain of different wind speeds

表2 為工況1－4 的模擬中站臺層火源燃燒到300s時的溫度截面圖，表中箭頭所指為空氣幕所在位置，從表2的對比中可知，空氣幕速度為4m／s和5m／s時就能將煙氣阻擋在樓扶梯口外。由于另一個樓梯口未設空氣幕，所以從圖中可見煙氣從另一個樓扶梯口蔓延至了站廳層。由表2可知，當空氣幕速度為4m／s或者5m／s即可阻擋煙氣蔓延進樓扶梯口。

綜合以上兩幅溫度圖的變化和溫度截面圖的對比可知，風速為3m／s的風幕不如4m／s和5m／s的空氣幕擋煙效果，在其中200s－300s時有煙氣進入了樓扶梯口。風速為4m／s、5m／s的風幕與10m／s的空氣幕擋煙效果相差不大。

工況5－7模擬了空氣幕射流角度為0°，15°，30°的情況。分別對比在這些角度的空氣幕作用下，空氣幕前后的溫度變化，來分析不同速度的空氣幕的擋煙效果。

圖5 空氣幕射流角度0°時，空氣幕前、后、下方溫度曲線Fig．5 Temperature curve before，after，below air curtain of 0°

從圖5可知空氣幕前的溫度和空氣幕下的溫度相差不大，都達到了30℃以上，而空氣幕后的溫度也升高了將近4℃。這說明空氣幕即使將煙氣有效阻隔，而空氣幕下方有了較多煙氣，煙氣聚集在了樓扶梯口的空氣幕下方，這樣也不利于人員疏散。

圖6中可見當空氣幕的前傾角為15°時，從溫度曲線可以看到空氣幕前和空氣幕下的溫度有5℃的差別，空氣幕下和空氣幕后的溫度同樣有5℃的差別，而且空氣幕后側(cè)的溫度僅僅升高了1．5℃。而角度為0°的空氣幕后側(cè)溫度升高了將近4℃，這說明空氣幕出口風速角度為15°比角度0°的阻煙效果好。

表2 不同速度空氣幕作用時地鐵站內(nèi)溫度截面圖Table 2 Subway station cross－sectional temperature for different air curtain speed

空氣幕的射流角度為30°時，從溫度曲線可以看到空氣幕的后方溫度反而比空氣幕下的溫度要高，這說明30°的空氣幕的阻煙效果不好，導致煙氣進入樓扶梯口，使得空氣幕后的溫度比空氣幕下側(cè)還要高?？諝饽缓髠?cè)溫度升高達到3．5℃，也比角度15°的空氣幕升高的1．5℃要大，這說明空氣幕角度為30°的空氣幕沒有角度為15°的阻煙效果好。

4 結(jié)論

由以上分析，可以得出以下結(jié)論：

站臺層空氣幕的設定速度為4m／s、5m／s、10m／s時，均能較好的阻擋住煙氣，使煙氣不能進入樓扶梯口。所以可以將風幕設定為4m／s或5m／s的風速。

圖6 空氣幕射流角度15°時，空氣幕前、后、下方溫度曲線Fig．6 Temperature curve before，after，below air curtain of 15°

從空氣幕射流角度為0°，15°，30°三種情況的對比，當空氣幕的空氣射流角度為15°時，空氣幕后側(cè)的溫度僅升高了1．5℃，而空氣幕角度為0°時，其后的溫度升高了將近4℃，空氣幕角度為30°時，空氣幕后側(cè)的溫度升高了3．5℃，由此可知，15°較0°和30°阻煙效果好。

圖7 空氣幕射流角度30°時，空氣幕前、后、下方溫度曲線Fig．7 Temperature curve before，after，below air curtain of 30°

［1］鄧艷麗，譚志光．地鐵消防安全的研究［J］．華北水利水電學院學報，2008，26（3）：80－82．

［2］何嘉鵬，王東方．高層建筑火災防煙空氣幕的實驗研究［J］．中國安全科學學報，2002，12（6）：37－40．

［3］周汝，何嘉鵬，等．地鐵站火災時空氣幕防煙的數(shù)值模擬與分析［J］．中國安全科學學報，2006，16（3）：27－31．

［4］應志剛．基于空氣幕和擋煙垂壁的地鐵站煙氣控制［J］．消防科學與技術(shù)，2012，31（5）：475－477．

［5］黃冬梅，梅秀娟，蘭彬，等．出口風速對防煙空氣幕防煙效果影響的數(shù)值模擬［J］．中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2008，4（2）：31－34．

［6］黃冬梅．單吹式防煙空氣幕防煙效果的數(shù)值模擬研究［D］．成都，西南交通大學，2008：1－77．

［7］張培紅，劉巖，宋波．空氣幕的不同送風角度對深埋地鐵火災煙氣控制數(shù)值分析［J］．中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2009，5（1）：21－26．

［8］史自強，史鐘璋，湯曉麗．空氣幕計算方法的實驗研究［J］．青島建筑工程學院學報，2001，22（3）：1－4．