環(huán)境風(fēng)作用下高架地鐵站火災(zāi)煙氣遷移研究

賈海江，陳 俍，郭春梅，高舒珊，趙 明，吳芳谷

(1.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 職業(yè)安全衛(wèi)生評(píng)價(jià)中心，北京 100054；2.航天材料及工藝研究所 安全生產(chǎn)處，北京 100076； 3.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

環(huán)境風(fēng)作用下高架地鐵站火災(zāi)煙氣遷移研究

賈海江1，陳 俍2，郭春梅3，高舒珊2，趙 明1，吳芳谷1

(1.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 職業(yè)安全衛(wèi)生評(píng)價(jià)中心，北京 100054；2.航天材料及工藝研究所 安全生產(chǎn)處，北京 100076； 3.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

高架地鐵車站公共區(qū)域一般為開(kāi)放大空間的特殊結(jié)構(gòu)，且一般采用自然排煙設(shè)計(jì)，自然排煙方式的有效性受排煙口位置、面積、環(huán)境風(fēng)等諸多因素的影響。為探究環(huán)境風(fēng)對(duì)高架地鐵車站火災(zāi)過(guò)程中煙氣遷移特性的影響，分析了環(huán)境風(fēng)作用下的煙氣運(yùn)動(dòng)理論，通過(guò)建立多組高架地鐵車站火災(zāi)數(shù)值模型，設(shè)立火源位置、環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向變化的多種工況進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明環(huán)境風(fēng)速對(duì)自然排煙效果影響較大，若風(fēng)速在有效風(fēng)速閾值內(nèi)，則利于煙氣排放和組織，環(huán)境風(fēng)速小于臨界風(fēng)速則會(huì)產(chǎn)生煙氣逆流，不利于煙氣排放；若環(huán)境風(fēng)速大于有效風(fēng)速閾值，則不利于煙氣流動(dòng)管理。

高架地鐵站；環(huán)境風(fēng)；火災(zāi)；自然排煙；煙氣遷移

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵以其快速、舒適、環(huán)保、載客量大等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市公共交通的主要交通工具。城市軌道交通車站和列車是人流密集的公共場(chǎng)所，一旦發(fā)生災(zāi)害事故,其社會(huì)影響力、政治影響力和國(guó)際影響力十分巨大[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地鐵事故災(zāi)害中，危害最大的主要是煙氣和毒害物質(zhì)的擴(kuò)散造成的人員傷亡。

區(qū)別于地下地鐵車站，高架車站一般僅在各車站設(shè)備管理用房設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，站臺(tái)、站廳一般都采用自然排煙設(shè)計(jì)。而高架地鐵車站在自然排煙條件下，火災(zāi)煙氣流動(dòng)組織方式受高架地鐵所在位置的環(huán)境風(fēng)、火源特性等因素影響，具有一定的隨機(jī)性和規(guī)律性[4-6]。在諸多因素的影響下，探究高架地鐵車站火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)于做好高架地鐵車站排煙、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及事故應(yīng)急具有重要意義。

為此，筆者針對(duì)某地鐵線路中典型的高架車站，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了環(huán)境風(fēng)作用下高架地鐵車站火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中火災(zāi)煙氣遷移規(guī)律，并探討了高架車站火災(zāi)煙氣控制的有效方式。

1 環(huán)境風(fēng)作用下高架地鐵車站自然排煙理論

建筑周圍的環(huán)境風(fēng)會(huì)影響到火災(zāi)的發(fā)展和煙氣的蔓延。一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)證明建筑周圍的環(huán)境風(fēng)對(duì)于火災(zāi)主要有兩種影響：一種是給予火焰更多、更充足的氧氣，從而加重火災(zāi)的劇烈程度；另一種則由于風(fēng)的作用造成燃燒熱量的散失及可燃?xì)怏w濃度的稀釋[7-9]。高架地鐵火災(zāi)中，地點(diǎn)、空間開(kāi)口數(shù)量以及環(huán)境風(fēng)影響著建筑內(nèi)煙氣的運(yùn)動(dòng)。

1.1 環(huán)境風(fēng)作用下的建筑外表面附加風(fēng)壓

根據(jù)流體力學(xué)理論，將低速運(yùn)動(dòng)的空氣假定為不可壓縮氣體，假設(shè)空氣以速度u流向建筑物，建筑物的各表面將產(chǎn)生不同的附加風(fēng)壓。對(duì)于矩形建筑，在環(huán)境風(fēng)作用下，迎風(fēng)面形成正壓，其余各表面形成負(fù)壓。為便于計(jì)算，可引入無(wú)量綱數(shù)風(fēng)壓系數(shù)Cp[10]，如式(1)所示。

(1)

其中，ΔP為余壓，即環(huán)境風(fēng)作用時(shí)建筑表面產(chǎn)生的壓力與沒(méi)有建筑阻攔時(shí)同等高度處大氣壓力之差。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)為1，由于近地面隨著高度減小，地表摩擦力增大，風(fēng)速將逐漸降低，加上建筑的邊界效應(yīng)，建筑物迎風(fēng)面上最大附加風(fēng)壓系數(shù)通常小于最大理論值1；同時(shí)，在建筑側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面，風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值。

1.2 環(huán)境風(fēng)作用下煙氣流動(dòng)分析理論

目前，建筑室內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)分析理論較多，雙區(qū)域模型是一種較為簡(jiǎn)化的分析模型，其思想是將室內(nèi)氣體劃分成氣體成分均勻的熱煙氣層和底部低溫室內(nèi)空氣層兩個(gè)區(qū)域，具體如圖1所示。通過(guò)對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行質(zhì)量和能量守恒計(jì)算，可獲得室內(nèi)煙氣層厚度、溫度等參數(shù)。

圖1 環(huán)境風(fēng)作用下室內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)模型示意圖

定義自然排煙口處風(fēng)速為0狀態(tài)下，室內(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)為Pin(H)，室內(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)為Pout(H)；環(huán)境風(fēng)速為u，排煙口處煙氣流速為ve，補(bǔ)氣口速度為vi。則準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，排煙口處室內(nèi)外壓差相等，可表示為：

(2)

建筑補(bǔ)氣口處壓差可表示為：

(3)

其中，Cpe，Cpi分別為排煙口和補(bǔ)氣口處建筑外表面風(fēng)壓系數(shù)。

假定空氣和煙氣為理想氣體，其狀態(tài)方程可描述為：

ρa(bǔ)Ta=ρsTs≈353kg·K/m3

(4)

因建筑室內(nèi)下部補(bǔ)入氣體的溫度與室外相同，可得出：

(5)

其中，ΔCp為總的風(fēng)壓系數(shù)，并且ΔCp=Cpi-Cpe。

排煙口和補(bǔ)氣口的氣體質(zhì)量流率分別為：

(6)

(7)

其中，α為開(kāi)口處的流量系數(shù)。

聯(lián)立式(2)～式(7)，可計(jì)算得出排煙口處的氣體質(zhì)量流率為：

(8)

對(duì)于豎直排煙口可表示為：

(9)

根據(jù)Zukoski羽流模型，軸對(duì)稱羽流的卷吸流率與火源功率、距離火源高度相關(guān)，則煙氣產(chǎn)生速率可表示為：

(10)

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)煙氣層界面維持一定高度，此時(shí)：

(11)

同時(shí)火源通過(guò)對(duì)流傳熱方式進(jìn)入煙氣中的能量也處于穩(wěn)定狀態(tài)：

(12)

式中：cp為空氣比熱；Qc為對(duì)流熱釋放速率，表示火源通過(guò)對(duì)流傳熱進(jìn)入煙氣中的能量，約為火源功率的0.6～0.8倍；Qloss為煙氣的熱量損失；引入熱量損失系數(shù)χ=Qc/Qloss。

聯(lián)立式(4)、式(8)和式(12)可計(jì)算出煙氣密度ρs：

(13)

聯(lián)立式(8)和式(13)或聯(lián)立式(9)和式(13)，可用數(shù)值解法分別計(jì)算出水平排煙和豎直排煙形式中的煙氣層厚度Hs，以確定Richardson數(shù)。

2 模型構(gòu)建

2.1 地鐵火災(zāi)模擬分析依據(jù)

數(shù)值模擬采用FDS軟件，該軟件由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所建筑物與火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，經(jīng)過(guò)大量全尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高的可靠度。

依據(jù) 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2013),地鐵發(fā)生火災(zāi)時(shí)站內(nèi)最大安全疏散時(shí)間應(yīng)不小于6 min；在安全疏散時(shí)間內(nèi)，采用 FDS軟件計(jì)算火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中各參數(shù)的變化情況，當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到以下任一條件時(shí)，則認(rèn)為人員在這樣環(huán)境中疏散是危險(xiǎn)的,以此作為火災(zāi)模擬判斷的依據(jù)。①安全高度上方的煙氣層的熱輻射強(qiáng)度能對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)，煙氣平均溫度大于180 ℃；②安全高度處人體直接接觸的煙氣溫度超過(guò)60 ℃；③安全高度處有害燃燒產(chǎn)物CO的濃度達(dá)到0.25%；④安全高度處減光度達(dá)到影響人員行動(dòng)速度的極限值，地鐵空間取5 m。

2.2 模型參數(shù)

以某地鐵運(yùn)行線路中的一座高架地鐵車站為例，建立高架地鐵車站的數(shù)值計(jì)算模型，該站為地上兩層建筑，一層為站廳層，二層為站臺(tái)層，建筑

X、Y、Z方向尺寸分別為125 m×26 m×15 m，站廳和站臺(tái)公共區(qū)域采用自然排煙方式，如圖2所示。結(jié)合高架地鐵車站所處位置和實(shí)際情況，設(shè)定軸向風(fēng)速分別為0.0 m/s，3.5 m/s，8.0 m/s，14.0 m/s(參考不同等級(jí)風(fēng)速取值)；火源位置設(shè)定分為站廳、站臺(tái)、列車3種火災(zāi)場(chǎng)景，站廳和站臺(tái)火災(zāi)火源功率設(shè)定為2.5 MW，列車火災(zāi)火源功率設(shè)定為2.5 MW和7.5 MW兩種。

圖2 高架車站火災(zāi)數(shù)值模型圖

3 結(jié)果分析

3.1 火源對(duì)火災(zāi)過(guò)程煙氣遷移影響分析

根據(jù)模型設(shè)置2.5 MW站臺(tái)火、2.5 MW列車火、7.5 MW列車火，火源分別位于站臺(tái)和列車內(nèi)部，通過(guò)模型中相同位置處CO濃度的變化情況來(lái)分析火源位置和火源功率對(duì)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，如圖3所示。在模型其他參數(shù)(開(kāi)口面積、環(huán)境溫度等)相同的條件下，火源功率對(duì)于火災(zāi)煙氣濃度的影響較大，火源功率越大則CO濃度越大。同時(shí)通過(guò)分析可知，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，模型中測(cè)點(diǎn)的CO濃度不斷降低。

圖3 同一測(cè)點(diǎn)處不同火源位置和火源功率CO濃度

3.2 風(fēng)速對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

自然排煙條件下，環(huán)境風(fēng)速對(duì)于煙氣遷移運(yùn)動(dòng)有重要影響，環(huán)境風(fēng)速越大則煙氣濃度越低，但風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致建筑物內(nèi)煙氣流動(dòng)紊亂，同時(shí)增加了煙氣的擴(kuò)散，如圖4所示為不同風(fēng)速條件下建筑物內(nèi)煙氣的濃度場(chǎng)。風(fēng)速為0.0 m/s、3.5 m/s的兩組模型中，煙氣規(guī)律流動(dòng)，且在建筑頂棚聚集，但風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)煙氣有逆風(fēng)回流現(xiàn)象。風(fēng)速為8.0 m/s和14.0 m/s的兩組模型中，煙氣流動(dòng)紊亂，擴(kuò)散至模型各個(gè)區(qū)域，沒(méi)有煙氣逆風(fēng)回流現(xiàn)象。

根據(jù)受限空間火災(zāi)煙氣流動(dòng)理論可知，在高架地鐵車站這樣的大空間中也存在阻止煙氣逆風(fēng)蔓延的臨界風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，煙氣不會(huì)逆風(fēng)蔓延。大量的研究表明臨界風(fēng)速與氣體密度、空間高度、環(huán)境溫度、火源功率等參數(shù)存在一定關(guān)系，并有學(xué)者[11]研究隧道排煙后提出臨界風(fēng)速的計(jì)算公式：

圖4 同一時(shí)刻(300 s)不同風(fēng)速條件下2.5 MW站臺(tái)火災(zāi)縱向煙氣濃度場(chǎng)

(14)

式中：ks為隧道坡度修正系數(shù)，ks=1.0-0.034i,i為隧道坡度；β為對(duì)流熱量修正系數(shù)，β=0.98-0.003 5Q(Q<280 MW)；B為當(dāng)量直徑；z為隧道高度；ΔTmax與T0之比的根號(hào)值受火源功率影響，30 MW時(shí)為1.381，50 MW時(shí)為1.553。

根據(jù)以上理論可類推出高架地鐵車站自然排煙的臨界風(fēng)速：

(15)

式中：β為對(duì)流熱量修正系數(shù)，β=0.98-0.003 5Q(Q<280 MW)；D為排煙口當(dāng)量直徑；H為火災(zāi)空間高度；φ為煙氣溫度修正系數(shù)，φ=1.158e0.005 9Q。根據(jù)式(15)可計(jì)算得出高架地鐵火災(zāi)2.5 MW火源功率下的臨界風(fēng)速為3.97 m/s，7.5 MW火源功率下的臨界風(fēng)速為3.37 m/s。

3.3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)煙氣特性參數(shù)的影響

不同火源功率條件下，列車火災(zāi)過(guò)程中，在同一探測(cè)位置，煙氣探測(cè)響應(yīng)時(shí)間如圖5所示?？梢钥闯鲭S著風(fēng)速的增大，CO濃度、煙氣層厚度、煙氣溫度和環(huán)境溫度均不斷減小，同時(shí)不同火源功率對(duì)于以上煙氣的特性參數(shù)值影響較大；尤其是對(duì)于煙氣層厚度來(lái)說(shuō)，隨著風(fēng)速增大，不同火源功率條件下的煙氣層厚度不斷減小，直至為0，從圖4也可直接觀察到火災(zāi)煙氣此時(shí)擴(kuò)散至整個(gè)空間，且沒(méi)有明顯的煙氣分層。

圖5 不同火源功率同一時(shí)間同一測(cè)點(diǎn)處各參數(shù)隨環(huán)境風(fēng)速變化曲線

根據(jù)分層流不穩(wěn)定性理論，引入Richardson無(wú)量綱數(shù)可判定煙氣層穩(wěn)定性，有研究表明Richardson數(shù)大于0.5時(shí)，環(huán)境氣流和煙氣之間的分層才可維持。

(16)

可推導(dǎo)出煙氣層和環(huán)境之間的速度差值，即：

(17)

式中：ρa(bǔ)，ρs分別為空氣密度和煙氣密度；Hs為煙氣層厚度。

在前續(xù)描述的基礎(chǔ)上，可認(rèn)為風(fēng)速的不斷增加可有效減少建筑物內(nèi)煙氣濃度，但火災(zāi)發(fā)展到穩(wěn)定階段后煙氣產(chǎn)生速率趨于穩(wěn)定，模型中煙氣濃度降低幅度減小，反而增加了建筑物內(nèi)的煙氣擴(kuò)散程度，可以認(rèn)為在自然排煙條件下存在一個(gè)有效風(fēng)速閾值，環(huán)境風(fēng)速在這樣的閾值內(nèi)則是利于自然排煙和煙氣組織的，即：

(18)

煙氣危險(xiǎn)特征高度：當(dāng)實(shí)際的煙氣層厚度大于煙氣危險(xiǎn)特征高度時(shí)，則認(rèn)為是安全的，即h≥Hl，其中，Hl可按公式Hl=1.6+0.1H計(jì)算，一般車站內(nèi)可按照2 m取值。算例中取煙氣層厚度最大危險(xiǎn)厚度為1 m，假定空氣密度為1.23 kg/m3，煙氣密度為1.10 kg/m3，則可計(jì)算出Δu=1.47 m/s。由此可得高架地鐵火災(zāi)2.5 MW火源功率下的有效風(fēng)速閾值為3.97 m/s

4 結(jié)論

環(huán)境風(fēng)對(duì)于開(kāi)放空間的高架地鐵車站的煙氣遷移具有一定影響，同時(shí)存在一個(gè)臨界風(fēng)速，在環(huán)境風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，高架地鐵車站自然排煙效果明顯；但風(fēng)速過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致煙氣流組織紊亂，不利于煙氣管理，同時(shí)會(huì)增大煙氣擴(kuò)散效應(yīng)。因此，提出有利于煙氣排放和組織管理的有效風(fēng)速閾值，由臨界風(fēng)速和煙氣層穩(wěn)定相對(duì)速度共同構(gòu)成，uc

[1] 高俊霞,史聰靈,鐘茂華,等.地鐵高架車站站廳火災(zāi)煙氣流動(dòng)與控制[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007,3(2):49-54.

[2] 史聰靈,鐘茂華,劉智成,等.地鐵高架車站火災(zāi)時(shí)人員疏散的性能化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2007,3(4):11-15.

[3] 宮劍,沈吟東.基于層次分析法的地鐵站點(diǎn)脆弱性評(píng)價(jià)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2016，38(5):519-523.

[4] 杜峰.外界風(fēng)影響下高層建筑豎井自然排煙可行性[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(10):896-898.

[5] 劉何清,徐志勝.室外風(fēng)壓、火風(fēng)壓對(duì)建筑物熱壓中和面位置的影響[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2002,12(2):75-78.

[6] 陳陽(yáng)壽.地鐵列車火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律探討[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013,32(1):36-40.

[7] 徐琳,張旭,朱春.耦合風(fēng)擾作用下火源熱煙羽受限擴(kuò)散規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2010,18(4):589-598.

[8] 楊淑江,徐志勝,易亮.有風(fēng)條件下火災(zāi)自然排煙的臨界失效風(fēng)速分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008,18(4):82-86.

[9] 周云斐.環(huán)境風(fēng)作用下室內(nèi)火災(zāi)自然排煙研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,8(12):63-67.

[10] 易亮,楊淑江,徐志勝.有風(fēng)條件下自然排煙準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的雙區(qū)模型分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(6):728-733.

[11] 吳德興,李偉平,鄭國(guó)平.公路隧道火災(zāi)排煙臨界風(fēng)速模型試驗(yàn)與數(shù)值解析研究[J].公路,2011,8(8):298-303.

JIA Haijiang:Assistant Professor; Evaluation Center of Occupational Safety and Health, Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054, China.

Research on Fire Smoke Migration of Elevated Metro Station under Environmental Wind

JIAHaijiang,CHENLiang,GUOChunmei，GAOShushan,ZHAOMing,WUFanggu

Public area of elevated metro station is a special opening space, and take natural smoke exhaust design. Effectiveness of natural smoke exhaust is affected by many factors, such as smoke outlet location, area and surrounding wind. In order to explore the influence of surrounding wind to smoke migration characteristics during the fire of high-priced subway station, the theory of smoke movement under the environmental wind is analyzed. Through setting different fire location, wind velocity, and wind direction, multi-group fire numerical model is built. The results show that the environmental wind speed has a great influence on the effect of natural smoke. If the wind speed is within the effective wind speed threshold is conducive to flue gas emissions and organization, the ambient wind speed is less than the critical wind speed will produce flue gas upstream, is not conducive to flue gas emissions. If the ambient wind speed is greater than the effective wind speed threshold is not conducive to flue gas flow management.

elevated metro station； environmental wind； fire； natural smoke exhaust; smoke migration

2095-3852(2017)04-0391-06

A

2017-03-21.

賈海江(1986-)，男，北京人，北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所職業(yè)安全衛(wèi)生評(píng)價(jià)中心助理研究員，主要研究方向?yàn)榘踩u(píng)價(jià)、安全管理與應(yīng)急管理.

建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金項(xiàng)目(BSBE2014-01).

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.004