排煙口對(duì)地鐵隧道火災(zāi)機(jī)械排煙效果影響研究

江荷 朱常琳 李勝濤 鄧信青

1 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院2 西安建筑科技大學(xué)陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

地鐵火災(zāi)自地鐵在誕生之日起就時(shí)有發(fā)生，火災(zāi)事故約占地鐵事故總數(shù)的 57%，一旦發(fā)生，很容易演變?yōu)槿后w死亡和群體傷害，造成嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。研究表明，在這些火災(zāi)中 85%以上的人員傷亡都是由火災(zāi)煙氣引起的[1]。地鐵火災(zāi)具有:煙氣濃度高，氧氣濃度低，排煙排熱差，火災(zāi)救災(zāi)困難及人員疏散困難等特點(diǎn)。而這些特點(diǎn)同時(shí)也是火災(zāi)煙氣控制的難點(diǎn)。如何控制好火災(zāi)煙氣，減少救災(zāi)困難，降低疏散難度，已成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。同時(shí)，我國現(xiàn)有規(guī)范，如《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]、《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[3]等都對(duì)建筑中的煙氣控制方法做出了詳細(xì)的規(guī)定，但對(duì)排煙口面積、長寬比等參數(shù)未進(jìn)行明確規(guī)定，在實(shí)際工程中任意性較大，因此研究排煙口對(duì)排煙效果的影響對(duì)于制定排煙措施和確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)具有一定指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文使用消防火災(zāi)煙氣模擬軟件 Pyrosim 進(jìn)行建模，PyroSim 用于建立火災(zāi)模擬并準(zhǔn)確預(yù)測和分析火災(zāi)中的煙霧運(yùn)動(dòng)，溫度和有毒氣體濃度。該軟件可以建模并導(dǎo)入 FDS（Fire Dynamics Simulator）軟件，該軟件是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于火災(zāi)模擬的軟件。它具有很強(qiáng)的針對(duì)性，可以獲得詳細(xì)的物理量的時(shí)空分布，并能清晰地反映火災(zāi)現(xiàn)象。選取某地鐵區(qū)間隧道為原型，模型隧道長 150 m，斷面尺寸為 6.4 m×4.8 m，地鐵列車單節(jié)車廂幾何尺寸為20 m×3 m×3.8 m，每節(jié)車廂8 扇門，高 2 m，寬 1.5 m。6 輛編組，長 120 m，列車距隧道底部0.4 m。如圖1 所示。

圖1 隧道物理模型圖

1.2 火源設(shè)置

目前，國內(nèi)大部分地鐵車輛都是由新型不燃或阻燃材料組成。列車上的火災(zāi)是由乘客行李的燃燒和乘客艙內(nèi)部材料的局部燃燒造成的[4]。香港新機(jī)場線地鐵列車熱釋放速率已降至5 MW。此外，北京的地鐵火災(zāi)熱釋放速率現(xiàn)在也按照5 MW 計(jì)算[5]。因此，該模擬火源的熱釋放率設(shè)定為5 MW。根據(jù)t2超快速火焰設(shè)定火焰增長，熱釋放率峰值時(shí)間為163 s。

1.3 網(wǎng)格尺寸

網(wǎng)格密度對(duì)數(shù)值模擬有重要影響。網(wǎng)格越細(xì)，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，但模擬時(shí)間會(huì)增加。FDS（Fire Dynamics Simulator）指導(dǎo)手冊(cè)中給出了確定網(wǎng)格的具體公式[6]：

式中：D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放率，kW；ρ∞為大氣環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)網(wǎng)格采用0.1D*時(shí)，模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。在本文中，熱釋放率Q為5 MW，并且通過計(jì)算獲得火源特征直徑D*=2 m。網(wǎng)格尺寸d定為0.2 m×0.2 m×0.2 m。總網(wǎng)格數(shù)為576000 個(gè)。

1.4 計(jì)算模型

FDS 軟件用于數(shù)值模擬，湍流模型為大渦模型，燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)模型，輻射模型是近似非散射灰體。采用有限體積法對(duì)輻射傳輸方程進(jìn)行了分析和求解。模擬使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模擬計(jì)算時(shí)間為450 s。

1.5 初始條件和邊界條件

1）隧道內(nèi)的環(huán)境溫度為20 ℃，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa。

2）火災(zāi)發(fā)生在列車內(nèi)部，假設(shè)列車不宜繼續(xù)行駛至下一站，在隧道中部緊急停車，打開所有車門，并通過安全疏散平臺(tái)疏散人員。

3）對(duì)煙氣流動(dòng)的分析沒有考慮人員在隧道中運(yùn)動(dòng)的影響。

4）隧道一側(cè)的端口設(shè)置為對(duì)外部環(huán)境開放，隧道的另一側(cè)設(shè)置為速度邊界條件。隧道主體材質(zhì)為混凝土。考慮到地鐵列車原型主要使用不燃材料制造，故將模型設(shè)置為惰性障礙物。

2 人員安全疏散標(biāo)準(zhǔn)

2.1 人眼特征高度層

一般公共場合發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通常以人的平均身高1.7 m 作為人眼特征高度[7]。在實(shí)際隧道工程中，隧道內(nèi)通常有一個(gè)疏散平臺(tái)，高度為 1 m，期望的結(jié)果是能將危險(xiǎn)區(qū)域控制在人員頭部以上位置。因此，本研究將人眼特征高度設(shè)置為2.75 m。

2.2 人眼特征高度層安全標(biāo)準(zhǔn)

1）2.75 m 高度層溫度不應(yīng)超過60 ℃[8]。

2）2.75 m 高度層CO 體積分?jǐn)?shù)不超過250 ppm[9]。

3）標(biāo)準(zhǔn)NFPA130 建議火災(zāi)逃生區(qū)域內(nèi)的煙氣能見度不應(yīng)小于10 m。

2.3 頂棚高度層安全標(biāo)準(zhǔn)

研究表明，當(dāng)人暴露于輻射熱大于2.5 kW/m2中時(shí)，人體只能忍受極短的時(shí)間，并且熱輻射將對(duì)人體造成致命傷害。經(jīng)過計(jì)算，對(duì)應(yīng)于2.5 kW/m2的輻射熱量的煙氣溫度在180～200 ℃范圍內(nèi)[10]，因此，符合人員安全逃生要求的頂棚溫度安全限值確定為180 ℃。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 排煙口面積對(duì)排煙效果的影響

3.1.1 設(shè)計(jì)工況

地鐵隧道發(fā)生火災(zāi)，煙氣從排煙口排出，排煙口面積能直接影響隧道內(nèi)的排煙質(zhì)量。有研究[11]表明排煙口面積過小可能會(huì)出現(xiàn)煙氣逃逸現(xiàn)象，排煙口面積過大則會(huì)出現(xiàn)頂棚溫度過高現(xiàn)象，如今，投入使用的地鐵隧道設(shè)計(jì)中排煙口面積為 4 m2比較普遍，但是《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中并未明確規(guī)定，因此有必要針對(duì)不同排煙口面積進(jìn)行數(shù)值模擬研究?，F(xiàn)設(shè)置3 種工況，見表1。

表1 不同排煙口面積模擬工況

3.1.2 人眼特征高度層和頂棚溫度分析

由圖2、圖 3 分別為排煙口面積為4 m2時(shí)距火源不同位置處的人眼特征高度溫度、頂棚溫度隨時(shí)間變化的曲線，從圖2、圖 3 可以看出距離火源不同位置的溫度變化趨勢比較一致。距火源較近的位置，溫度上升較快，且除距火源 0 m 處人眼特征高度層溫度和頂棚溫度在250 s 左右達(dá)到波峰，其它位置均在 360 s 左右人眼特征高度層溫度、頂棚溫度達(dá)到峰值。同時(shí)，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，當(dāng)車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，要求人員在 360 s 內(nèi)完成安全疏散。綜合考慮，火災(zāi)工況溫度數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)取火災(zāi)發(fā)生后360 s。

圖2 距火源不同位置處的人眼特征高度溫度隨時(shí)間變化的曲線

圖3 距火源不同位置處的頂棚溫度隨時(shí)間變化的曲線

圖4 為t=360 s 時(shí)不同排煙口面積人眼特征高度層溫度分布。從圖 4 中可以看出，在排煙口面積分別為2.25 m2、4 m2、6.25 m2時(shí)溫度變化趨勢基本相同，火源附近溫度較高，距火源距離增大，溫度降低，且都能滿足人員疏散安全標(biāo)準(zhǔn)。但仍能明顯看出排煙口面積為6.25 m2時(shí)整體溫度高于另外兩工況。圖 5 為t=360 s時(shí)不同排煙口面積頂棚溫度分布。從圖5 中可以看出排煙口面積為 6.25 m2時(shí)仍存在整體溫度高于其他兩種工況的情況，排煙口面積為 2.25 m2和 4 m2時(shí)頂棚溫度基本相似，都能滿足人員疏散標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同排煙口面積人眼特征高度層溫度分布

圖5 不同排煙口面積頂棚溫度分布

3.1.3 人眼特征高度層CO 濃度分析

在火災(zāi)中，CO 是易引起人窒息死亡的燃燒產(chǎn)物之一，必須對(duì)其進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測，本次研究主要對(duì)人眼特征高度層 CO 濃度分布進(jìn)行分析。圖 6 為t=360 s 時(shí)不同排煙口面積人眼特征高度層 CO 濃度分布，明顯可以看出排煙口為 6.25 m2時(shí)各測點(diǎn)CO 濃度均較高，在火源附近 10 m 區(qū)域排煙口面積為2.25 m2比排煙口面積為6.25 m2CO 濃度更高。

圖6 不同排煙口面積人眼特征高度層CO 濃度分布

3.1.4 人眼特征高度層能見度分析

圖7 為不同排煙口面積人眼特征高度層能見度分布云圖，從圖7 中可以看出，越靠近火源能見度越低，排煙口面積為6.25 m2時(shí)人眼高度層能見度最低，排煙口面積為4 m2能見度次之，排煙口面積為2.25 m2時(shí)人眼高度層能見度相對(duì)最高，但總體來看，三種工況火源附近能見度約為10～20 m，均能達(dá)到人員疏散安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 不同排煙口面積人眼特征高度層能見度分布云圖

綜上所述，相比排煙口面積為 6.25 m2和 2.25 m2，排煙口面積為4 m2時(shí)更利于人員進(jìn)行疏散。

3.2 排煙口長寬比對(duì)排煙效果的影響

3.2.1 設(shè)計(jì)工況

在排煙口面積一定的情況下，不同的長寬比有不同的排煙效果?，F(xiàn)設(shè)置3 種工況，見表2。各工況排煙口長寬比示意圖見圖8。

表2 不同排煙口長寬比模擬工況

圖8 各工況排煙口長寬比示意圖

3.2.2 人眼特征高度層和頂棚溫度分析

圖9 為不同排煙口長寬比人眼特征高度層溫度分布，排煙口長寬比為4:1 時(shí)火源附近溫度高于其他兩種工況，排煙口長寬比1:1 和1:4 時(shí)溫度變化趨勢基本一致，甚至在離火源前后 10 m 處測點(diǎn)溫度相同，但是在火源發(fā)生點(diǎn)排煙口長寬比為1:1 時(shí)明顯較低。圖 10為不同排煙口長寬比頂棚溫度分布，從圖 10 中可以看出，三種工況頂棚的溫度變化趨勢存在高度的一致性，但是可以看出排煙口長寬比為 1:4 時(shí)各測點(diǎn)數(shù)據(jù)均為最低。

圖9 不同排煙口長寬比人眼特征高度層溫度分布

圖10 不同排煙口長寬比頂棚溫度分布

3.2.3 人眼特征高度層CO 濃度分析

圖11 為不同排煙口長寬比人眼特征高度層 CO濃度分布，可以看出排煙口長寬比1:1 時(shí)變化趨勢更加平緩，能一直保持在較低水平，并且在火源附近也沒有出現(xiàn)濃度相對(duì)較高的情況。

圖11 不同排煙口長寬比人眼特征高度層CO 濃度分布

3.2.4 人眼特征高度層能見度分析

圖12 為不同排煙口長寬比人眼特征高度層能見度分布云圖，從圖12 中可以看出排煙口長寬比為4:1和1:4 時(shí)能見度變化趨勢基本一致，排煙口長寬比為1:1 時(shí)能見度20 m 以上的區(qū)域明顯更大，更有利于人員疏散。

圖12 不同排煙口長寬比人眼特征高度層能見度分布云圖

綜上所述，相比排煙口長寬比 4:1 和 1:4，排煙口長寬比為1:1 更利于人員進(jìn)行疏散。

3.4 模型合理化分析

文獻(xiàn)[12]建立了地鐵區(qū)間隧道模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，比例為 1:10，研究了火源強(qiáng)度為 5 MW 時(shí)，車廂中部著火且?？吭谒淼乐虚g時(shí)，半橫向通風(fēng)排煙的排煙效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人眼特征高度層溫度和頂棚溫度分布趨勢呈兩邊對(duì)稱，在火源處達(dá)到峰值，在 20 m 范圍內(nèi)溫度變化較快，20 m 以外溫度變化相對(duì)較為平緩。這一變化趨勢和數(shù)值模擬相似，從而驗(yàn)證了所建模型的合理性。

4 結(jié)論

本文采用FDS 建立全尺寸地鐵隧道模型，并研究了火源強(qiáng)度為 5MW 的單線矩形區(qū)間隧道，列車中部著火且?？吭谒淼乐胁繒r(shí)排煙口面積、排煙口長寬比對(duì)隧道排煙效果的影響，得出結(jié)論：

1）地鐵中部發(fā)生火災(zāi)并?？吭谒淼乐胁繒r(shí)，采用半橫向排煙模式，隧道內(nèi)人眼特征高度層溫度，CO 濃度，能見度以及頂棚溫度是對(duì)稱分布的，通過研究排煙口各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排煙效果的影響，分析出更利于人員疏散的工況。

2）排煙口長寬比不變的情況下，排煙口面積為4 m2和排煙口面積為 2.25 m2各項(xiàng)參數(shù)具有較高相似度，但排煙口面積為4 m2時(shí)人眼特征高度層 CO 高濃度區(qū)域小于排煙口面積為2.25 m2。

3）在排煙口面積不變的情況下，排煙口長寬比1:1時(shí)頂棚溫度高于長寬比 1:4，但均滿足人員安全疏散標(biāo)準(zhǔn)，且排煙口長寬比 1:1 時(shí)人眼特征高度層 CO 濃度和能見度兩方面具有明顯優(yōu)勢。