空氣幕對城際鐵路地下車站火災(zāi)煙氣控制數(shù)值分析*

王明年，郭曉晗，于 麗，田 源

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國城際鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃日益完善，涌現(xiàn)出越來越多的城際鐵路地下車站(以下簡稱地下車站)，如天津于家堡站、深圳福田站等。地下車站為地下半封閉空間，與地面建筑相比，地下車站直通地面的疏散通道數(shù)量較少，煙氣生成量較大且難以消散[1]。地下車站較地鐵地下車站埋深大10～30 m，火災(zāi)規(guī)模大5～10 MW[2]，同時(shí)存在人員攜帶大件行李多等特點(diǎn)。因此，地下車站內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔鈱?yán)重地影響站內(nèi)疏散人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，空氣幕作為柔性阻斷，可有效隔絕高溫?zé)煔饴?，而且不影響人員正常疏散[3]，在高層建筑及地鐵車站中應(yīng)用廣泛，可考慮作為城際鐵路地下車站的控?zé)煷胧┻M(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者多采用模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對不同建筑物中空氣幕控?zé)熜ЧM(jìn)行了研究。在高層建筑領(lǐng)域中：Luo等[4-5]通過縮尺模型實(shí)驗(yàn)和FDS數(shù)值模擬明確了擋煙垂壁、單層、雙層空氣幕控?zé)熜Ч霸O(shè)計(jì)參數(shù)；趙賢等[6]利用FDS建立長廊型高層建筑模型，研究空氣幕射流角度、風(fēng)量、位置等參數(shù)。在地鐵車站領(lǐng)域中：陳靜等[7]利用FDS建立三維多層地鐵車站，論證站臺排煙和空氣幕應(yīng)聯(lián)合作用；張培紅等[8]以5層地鐵車站為研究對象，利用FDS研究了射流角度對送風(fēng)效果影響。在隧道、巷道領(lǐng)域中：Guo[9]等利用數(shù)值模擬方法雙噴空氣幕阻擋熱質(zhì)交換和CO擴(kuò)散，創(chuàng)造逃生通道進(jìn)行了研究；Wang等[10]通過對比模型實(shí)驗(yàn)與FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果，給出用于巷道避難所的最優(yōu)空氣幕形式及射流壓力。

綜上所述，目前空氣幕研究成果主要集中應(yīng)用于高層建筑、地鐵車站、巷道等建筑形式，因此，現(xiàn)有研究成果應(yīng)用于地下車站的合理性有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

基于此，以某典型城際鐵路地下車站島式站臺層為依托，建立全尺寸地下車站站臺層模型，采用三維火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，研究空氣幕設(shè)于站臺與軌行區(qū)間時(shí)對地下車站內(nèi)火災(zāi)高溫?zé)煔庀驑翘莺驼九_區(qū)域擴(kuò)散的控制效果，并對單吹式、吹吸式2種空氣幕的射流參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為城際鐵路地下車站防災(zāi)控?zé)熂夹g(shù)提供一定參考。

1 空氣幕原理及模型建立

1.1 空氣幕原理

空氣幕由風(fēng)幕機(jī)所送風(fēng)量經(jīng)一定寬度風(fēng)口噴出而形成，具有較高能量，衰減較慢。當(dāng)幕狀氣流動(dòng)能水平向分量不小于煙氣來流動(dòng)量時(shí)，空氣幕可有效阻隔煙氣。本文研究的空氣幕類型有2種，即單吹式空氣幕和吹吸式空氣幕，其幕狀氣流形成原理如圖1所示。單吹式空氣幕，采用自上向下的送風(fēng)方式，若射流速度過大，將撞擊壁面引發(fā)回流，進(jìn)而擾亂火災(zāi)原有流場。吹吸式空氣幕，在單吹式的基礎(chǔ)上增加了回風(fēng)口，將錐形狀態(tài)射流重新聚攏，減弱射流撞擊壁面后的回流現(xiàn)象，使空氣幕能量更充足、穩(wěn)定。

圖1 空氣幕原理示意Fig.1 Schematic diagram of air curtain principles

1.2 站臺層模型建立

城際鐵路地下車站為包含站臺層、站廳層的多層結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)研究著火列車?？空九_時(shí)煙氣擴(kuò)散規(guī)律。因此，參考某典型島式城際鐵路地下車站實(shí)際尺寸構(gòu)建站臺層三維模型，如圖2所示。站臺長度為220 m，寬度為11.5 m，著火列車為CRH3型，車廂尺寸為25.85 m×3.265 m×3.89 m，停靠于站臺右側(cè)到發(fā)線中部：考慮列車進(jìn)站時(shí)火災(zāi)已到達(dá)充分燃燒階段，火災(zāi)規(guī)模為15 MW，著火區(qū)域已蔓延1/4個(gè)車廂[11]，大小為6.206 m×3.265 m。軌行區(qū)斷面為4.5 m×6.85 m，軌行區(qū)頂部分設(shè)4個(gè)2.5 m×2 m排煙口，樓梯寬度為4 m，由于已建成的地下車站工程實(shí)例較少設(shè)置站臺門且出于最不利工況考慮，模型中不設(shè)置站臺門。依據(jù)《鐵路防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]等相關(guān)規(guī)范計(jì)算排煙量，根據(jù)公式(1)確定排煙風(fēng)速為3.5 m/s，燃燒開始后開啟排煙風(fēng)機(jī)，總排煙量為252 000 m3/h。

圖2 計(jì)算模型(單位:m)Fig.2 Calculation model (unit:m)

(1)

式中：m為排煙量，m3/s；n為排煙口個(gè)數(shù)；A為排煙口面積，m2。

空氣幕設(shè)于靠近著火列車一側(cè)站臺與軌行區(qū)之間，射流寬度為0.4 m。在數(shù)值模擬過程中，網(wǎng)格尺寸越小，結(jié)果越精確，消耗的計(jì)算資源更多，因此一般采用火源特征直徑D*確定網(wǎng)格大小，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為特征直徑的1/10時(shí)，結(jié)果較為精確，火源特征直徑計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Q為火災(zāi)熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

經(jīng)式(2)計(jì)算，網(wǎng)格尺寸選為0.5 m×0.3 m×0.2 m，樓梯處網(wǎng)格加密為0.3 m×0.3 m×0.2 m，網(wǎng)格數(shù)量約為103萬。

站臺和樓梯上均布置監(jiān)測點(diǎn)，高度為人眼特征高度即2 m，如圖3所示。站臺橫向布置5列監(jiān)測點(diǎn)，最靠近列車一列測點(diǎn)距站臺邊緣0.7 m，各列間距2.7 m；縱向布置27行監(jiān)測點(diǎn)，距火源中心點(diǎn)前后30 m范圍內(nèi)測點(diǎn)間距為5 m，超過此范圍測點(diǎn)間距為10 m；樓梯上測點(diǎn)位于踏步中間。根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]、美國NFPA130規(guī)范[14]關(guān)于人員疏散時(shí)間不得大于6 min的規(guī)定，數(shù)值模擬時(shí)長取6 min。

圖3 測點(diǎn)布置(單位:m)Fig.3 Layout of measuring points (unit: m)

1.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立數(shù)值模型的可靠性，采用數(shù)值模擬軟件FDS及邊界條件，對Hu等[15]研究的3 m/s空氣幕作用下隧道火災(zāi)煙氣分布模型試驗(yàn)開展數(shù)值模擬，通過對比360 s內(nèi)空氣幕左側(cè)、右側(cè)對應(yīng)測點(diǎn)溫度變化規(guī)律驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。原模型尺寸為3.6 m×0.6 m×0.66 m，火災(zāi)規(guī)模為2 kW，模型北側(cè)有一開孔，尺寸為0.2 m×0.42 m，空氣幕射流風(fēng)速為3 m/s?？諝饽蛔髠?cè)、右側(cè)對應(yīng)測點(diǎn)溫度變化規(guī)律如圖4所示，可見數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，說明運(yùn)用該數(shù)值模擬方法研究空氣幕對地下結(jié)構(gòu)火災(zāi)煙氣可見度和溫度分布規(guī)律具有較好的適用性。

圖4 空氣幕左側(cè)、右側(cè)對應(yīng)測點(diǎn)溫度變化規(guī)律Fig.4 Temperature variation of measuring points on left and right side of air curtain

2 單吹式空氣幕控?zé)熜Ч治?/h2>

單吹式空氣幕的控?zé)熜Ч饕缮淞魉俣?、射流角度控制，分別選擇5～15 m/s，0°～20°范圍進(jìn)行分析。共設(shè)計(jì)15種工況，如表1所示。依據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]選取人眼特征高度2 m處煙氣溫度不超過60 ℃、可見度不低于10 m作為保證人員安全的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 射流風(fēng)速對控?zé)熜Ч挠绊?/h3>

單吹式空氣幕在不同射流風(fēng)速下樓梯可見度、溫度分布規(guī)律如圖5～6所示。由圖5可知，布置單吹式空氣幕后，樓梯各測點(diǎn)位置處可見度均高于10 m，射流風(fēng)速9 m/s達(dá)到可見度分布臨界狀態(tài)。當(dāng)射流風(fēng)速<9 m/s時(shí)，可見度隨高度升高逐漸下降，最小值在12～15 m之間；當(dāng)射流風(fēng)速≥9m/s時(shí)，可見度隨測點(diǎn)高度升高逐漸增大至30 m，且隨射流風(fēng)速增大影響程度逐漸減小。

由圖6可知，射流風(fēng)速9 m/s時(shí)達(dá)到溫度分布臨界狀態(tài)。當(dāng)射流風(fēng)速<9 m/s時(shí)，溫度隨高度升高逐漸增

表1 單吹式空氣幕工況設(shè)置Table 1 Setting of single-blowing air curtain working conditions

圖5 樓梯處可見度分布規(guī)律Fig.5 Distribution of visibility at stairs

加，在5.15～7.35 m高度范圍部分測點(diǎn)溫度超過60 ℃，最大值在66～76 ℃之間；當(dāng)射流風(fēng)速≥9 m/s時(shí)溫度隨測點(diǎn)高度升高逐漸下降，整體低于60 ℃，且隨射流風(fēng)速增大影響程度逐漸減小。

圖6 樓梯處溫度分布規(guī)律Fig.6 Distribution of temperature at stairs

綜合樓梯處溫度和可見度分析，射流風(fēng)速<9 m/s時(shí)單吹式空氣幕不能有效阻隔煙氣沿樓梯向上蔓延并存在煙氣在樓梯口聚集的現(xiàn)象，難以保證人員沿樓梯疏散過程中的安全；射流風(fēng)速≥9 m/s時(shí)，可滿足安全要求。

單吹式空氣幕在不同射流風(fēng)速下站臺可見度、溫度分布規(guī)律如圖7～8所示。在所有射流風(fēng)速條件下，站臺可見度、溫度分布規(guī)律基本一致，距火源中心點(diǎn)前后50 m范圍內(nèi)可見度急劇降低，逼近或低于10 m，超出此范圍，可見度均為30 m。距火源中心點(diǎn)前后40 m范圍內(nèi)溫度急劇升高超過60 ℃，超出此范圍，溫度增長緩慢。因此，截取距火源點(diǎn)前后50，40 m范圍，分析射流風(fēng)速對站臺可見度、溫度影響。

圖7 站臺可見度分布規(guī)律(距火源中心點(diǎn)前后50 m)Fig.7 Distribution of visibility at platform (front and back 50 m from center of fire source)

由圖7可知，射流風(fēng)速為9 m/s時(shí)達(dá)到可見度分布臨界狀態(tài)，最小值在6～10 m之間。射流風(fēng)速<9 m/s時(shí)，可見度低于10 m區(qū)域?yàn)榫嗷鹪粗行狞c(diǎn)前后5 m范圍；射流風(fēng)速≥9 m/s時(shí)，僅火源中心點(diǎn)可見度低于10 m。

圖8 站臺溫度分布規(guī)律(距火源中心點(diǎn)前后40 m)Fig.8 Distribution of temperature at platform (front and back 40 m from center of fire source)

由圖8可知，射流風(fēng)速12 m/s時(shí)達(dá)到溫度分布臨界狀態(tài)，溫度最大值在130～220 ℃之間。射流風(fēng)速>12 m/s時(shí)溫度超過60 ℃區(qū)域在距火源中心點(diǎn)前20 m后15 m范圍內(nèi)波動(dòng)，最小達(dá)到距火源中心點(diǎn)前10 m后15 m范圍。

通過分析站臺溫度和可見度可知，調(diào)整單吹式空氣幕射流風(fēng)速并不能完全保證站臺絕對安全，但由于危險(xiǎn)區(qū)域距離人員疏散路徑較遠(yuǎn)，因此當(dāng)其長度基本不隨射流風(fēng)速變化時(shí)認(rèn)為站臺相對安全。綜合考慮射流風(fēng)速對樓梯、站臺區(qū)域的影響，認(rèn)為單吹式空氣幕射流風(fēng)速為12 m/s時(shí)防煙效果良好且趨于穩(wěn)定。

2.2 射流角度對控?zé)熜Ч挠绊?/h3>

當(dāng)射流風(fēng)速為15 m/s時(shí)，在不同射流角度下樓梯可見度均為30 m，不同射流角度下樓梯溫度分布規(guī)律，如圖9所示。溫度均低于40 ℃，最大值在20～37 ℃之間，隨射流角度增大，整體溫度逐漸降低，影響程度逐漸減小，證明射流角度變化不會(huì)引起樓梯處煙氣分布規(guī)律發(fā)生巨大變化。

圖9 樓梯處溫度分布規(guī)律Fig.9 Distribution of temperature at stairs

射流角度的變化不會(huì)影響采用單吹式空氣幕時(shí)站臺可見度、溫度分布規(guī)律，因此仍分別截取距火源中心點(diǎn)前后50，40 m范圍進(jìn)行分析。單吹式空氣幕在不同射流角度下站臺可見度、溫度分布規(guī)律如圖10，11所示。

圖10 站臺可見度分布規(guī)律(距火源中心點(diǎn)前后50m)Fig.10 Distribution of visibility at platform (front and back 50 m from center of fire source)

圖11 站臺溫度分布規(guī)律(距火源中心點(diǎn)前后40 m)Fig.11 Distribution of temperature at platform (front and back 40 m from center of fire source)

由圖10可知，射流角度為10°時(shí)達(dá)到可見度分布臨界狀態(tài)，可見度最小值在5～8 m之間，相差不大。當(dāng)射流角度<10°時(shí)，可見度低于10 m區(qū)域?yàn)榫嗷鹪粗行狞c(diǎn)前后5 m范圍；當(dāng)射流角度≥10°時(shí)，可見度低于10 m區(qū)域逐漸由累計(jì)7 m增大至累計(jì)15 m且向火源中心點(diǎn)后方偏移。

由圖11可知，射流角度為15°時(shí)達(dá)到溫度分布臨界狀態(tài)，最大值在187～276 ℃之間。當(dāng)射流角度<15°時(shí)，溫度超過60 ℃區(qū)域基本為距火源中心點(diǎn)前10 m后15 m范圍；當(dāng)射流角度≥15°時(shí)，隨射流角度逐漸增大，溫度超過60 ℃區(qū)域逐漸增大由累計(jì)24 m增大至累計(jì)31 m。

通過分析站臺溫度和可見度可知，在一定范圍內(nèi)調(diào)整單吹式空氣幕射流角度可以提高控?zé)熜Ч?，但射流角度過大時(shí)反而會(huì)加速煙氣擴(kuò)散。因此，在射流角度為15 m/s時(shí)，綜合考慮射流角度對樓梯、站臺區(qū)域的影響，認(rèn)為單吹式空氣幕射流角度為10°時(shí)防煙效果良好且趨于穩(wěn)定。

3 吹吸式空氣幕控?zé)熜Ч治?/h2>

吹吸式空氣幕的控?zé)熜Ч饕缮淞魉俣瓤刂?，同樣選取5～15 m/s范圍分析吹吸式空氣幕防煙效果受射流風(fēng)速的影響。因此，共設(shè)計(jì)11種工況，如表2所示。人員安全控制標(biāo)準(zhǔn)與上文一致。

吹吸式空氣幕在不同射流風(fēng)速下樓梯可見度、溫度規(guī)律如圖12～13所示。由圖12可知，布置吹吸式空氣幕后，樓梯可見度高于15 m，射流風(fēng)速8 m/s達(dá)到可見度分布臨界狀態(tài)。當(dāng)射流風(fēng)速≤8 m/s時(shí)，各測點(diǎn)位置處可見度隨高度升高逐漸降低，最小值在16～24 m之間；當(dāng)射流風(fēng)速>8 m/s時(shí)，可見度均為30 m。

表2 吹吸式空氣幕工況設(shè)置Table 2 Setting of blow-draw air curtain working conditions

圖12 樓梯處可見度分布規(guī)律Fig.12 Distribution of visibility at stairs

由圖13可知，射流風(fēng)速7 m/s時(shí)達(dá)到溫度分布臨界狀態(tài)。當(dāng)射流風(fēng)速<7 m/s時(shí)，溫度高度升高逐漸增加，在5.75～7.35 m高度范圍部分測點(diǎn)溫度超過60℃，最大值分別為64.0，62.4 ℃；當(dāng)射流風(fēng)速≥7 m/s時(shí)，溫度均低于60 ℃，高度對溫度變化影響逐漸減弱；射流風(fēng)速≥12 m/s后溫度基本為20～25 ℃間一定值。

圖13 樓梯處溫度分布規(guī)律Fig.13 Distribution of temperature at stairs

綜合樓梯處溫度和可見度分析，射流風(fēng)速<7 m/s時(shí)空氣幕不能有效阻隔煙氣沿樓梯向上蔓延并存在煙氣在樓梯口聚集的現(xiàn)象，難以保證人員沿樓梯疏散過程中的安全；射流風(fēng)速≥7 m/s時(shí)，可滿足安全要求。

吹吸式空氣幕在不同射流風(fēng)速下站臺可見度及溫度分布規(guī)律如圖14～15所示，站臺可見度、溫度規(guī)律與單吹式基本一致，但急劇變化區(qū)域均縮小為距火源中心點(diǎn)前后25 m范圍。因此，截取距火源中心點(diǎn)前后25 m范圍分析吹吸式空氣幕射流風(fēng)速對站臺可見度、溫度分布規(guī)律的影響。

圖14 站臺可見度分布規(guī)律(距火源中心點(diǎn)前后25 m)Fig.14 Distribution of visibility at platform (front and back 25 m from center of fire source)

圖15 站臺溫度分布規(guī)律(距火源中心點(diǎn)前后25 m)Fig.15 Distribution of temperature at platform (front and back 25 m from center of fire source)

由圖14可知，所有射流風(fēng)速下，可見度低于10 m區(qū)域均為火源中心點(diǎn)，隨射流風(fēng)速增大可見度低于10 m區(qū)域基本不變，可見度最小值在6～11 m之間。

由圖15可知，射流風(fēng)速8 m/s時(shí)達(dá)到溫度分布臨界狀態(tài)，溫度最大值在140～230 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)射流風(fēng)速≥8 m/s時(shí)，溫度超過60 ℃區(qū)域不超過距火源中心點(diǎn)前后10 m范圍，最小達(dá)到距火源中心點(diǎn)前后5 m范圍。

與單吹式空氣幕類似，調(diào)整吹吸式空氣幕射流風(fēng)速并不能完全保證站臺絕對安全，只能實(shí)現(xiàn)相對安全。綜合考慮射流風(fēng)速對樓梯、站臺區(qū)域的影響，認(rèn)為吹吸式空氣幕射流風(fēng)速為8 m/s時(shí)防煙效果良好且趨于穩(wěn)定。

4 單吹式、吹吸式空氣幕控?zé)熜Ч麑Ρ?/h2>

經(jīng)過上述分析，采用單吹式、吹吸式空氣幕雖然不能保證站臺絕對安全，但均可有效阻隔高溫?zé)煔庀驑翘萋?。分別選取控?zé)熜Ч嘟膯未凳?、吹吸式空氣幕工況進(jìn)行對比分析，如表3所示，控?zé)熜Ч嘟鼤r(shí)，吹吸式空氣幕射流風(fēng)速較小。采用單吹式、吹吸式空氣幕下站臺最小危險(xiǎn)區(qū)域，如表4所示，采用吹吸式空氣幕時(shí)站臺最小危險(xiǎn)區(qū)域較單吹式空氣幕小15 m。因此，認(rèn)為火災(zāi)情況下吹吸式空氣幕控?zé)熜Ч麅?yōu)于單吹式空氣幕，建議在城際鐵路地下車站中使用吹吸式空氣幕進(jìn)行防災(zāi)控?zé)熢O(shè)計(jì)。

表3 不同形式空氣幕控?zé)熜Ч麑Ρ萒able 3 Comparison of smoke control effect with different forms of air curtain

表4 極限狀態(tài)下不同形式空氣幕控?zé)熜Ч麑Ρ萒able 4 Comparison of smoke control effect with different forms of air curtain under limit state

5 結(jié)論

1)通過分析射流風(fēng)速5～15 m/s、射流角度0～20°共15種工況下站臺及樓梯處溫度與可見度分布規(guī)律，確定單吹式空氣幕射流風(fēng)速為12 m/s、射流角度為10°時(shí)防煙效果良好，可將站臺危險(xiǎn)區(qū)域控制在距火源點(diǎn)前20 m后15 m范圍。

2)通過分析射流風(fēng)速5～15 m/s共11種工況下站臺及樓梯處溫度與可見度分布規(guī)律，確定吹吸式空氣幕射流風(fēng)速為8 m/s時(shí)防煙效果良好，可將站臺危險(xiǎn)區(qū)域控制在距火源點(diǎn)前后10 m范圍。

3)對比單吹式、吹吸式空氣幕控?zé)熜Ч芍?，控?zé)熜Ч嘟鼤r(shí)吹吸式空氣幕射流風(fēng)速較單吹式小50%；射流風(fēng)速相近時(shí)吹吸式空氣幕所能實(shí)現(xiàn)的站臺最小危險(xiǎn)區(qū)域較單吹式小15 m。綜合以上2點(diǎn)，建議在城際鐵路地下車站中使用吹吸式空氣幕。