地鐵站臺火災(zāi)頂棚煙溫的分布特征與預(yù)測

張迎新， 武 璇， 李日軍

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

地鐵是現(xiàn)代城市中人們出行迅捷的交通工具，因地鐵站處于受限空間環(huán)境，通風(fēng)和疏散不便，一旦發(fā)生火災(zāi)易造成重大事故，給社會經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失[1]。2003年，大邱地鐵火災(zāi)分別造成死亡198人，傷147人；2017年，香港地鐵尖沙咀站發(fā)生火災(zāi)，致18人受傷[2]。據(jù)報道，火災(zāi)事件中大約80%的受害者死于有毒的熱煙，煙霧和高溫是火災(zāi)發(fā)生時不可避免的兩種危害。為此，研究人員針對站臺火災(zāi)展開廣泛研究。陳俊灃等[3]釆用1∶10的實(shí)驗?zāi)Ｐ?，研究了車站?nèi)站廳及站臺危險位置發(fā)生火災(zāi)時的優(yōu)化排煙方案。張雷等[4]用FDS分析了噴淋和排煙系統(tǒng)作用下地鐵站臺的火災(zāi)煙氣流動和排煙控制。Cong等[5]通過實(shí)驗和仿真研究了列車火災(zāi)位置對地鐵隧道頂下最大煙氣溫度的影響。Chen等[6]建立了不同密封比下隧道洞口頂下氣體溫度的變化和修正模型。陳奕岑[7]等用FDS模擬了地鐵樞紐站換乘口火災(zāi),并在Alpert公式基礎(chǔ)上,提出了一種包含弗勞德數(shù)和經(jīng)驗常數(shù)的預(yù)測公式。結(jié)果表明,該公式相比于已有的經(jīng)驗公式有著更高的預(yù)測準(zhǔn)確度。鐘委等[8]通過室內(nèi)實(shí)驗研究了水平霧幕對地鐵車站頂棚射流火焰、煙氣沉降抑制的作用效果。結(jié)果表明，施加水平霧幕對頂棚射流火焰具有顯著的抑制作用，煙氣出現(xiàn)分層現(xiàn)象,且煙氣最高溫度、煙氣出口速度均小于施加豎向霧幕。Zhang等[9]在1∶10模型中進(jìn)行了不同放熱率、縱向通風(fēng)速度和火源間距的實(shí)驗，考慮雙火源條件下的頂棚最高溫度。Liu等[10]通過全尺寸實(shí)驗?zāi)M研究了站內(nèi)頂棚溫度和煙氣層厚度。

上述研究成果大多針對隧道和站臺火災(zāi)頂棚最高和垂直溫度建立了預(yù)測模型，對地鐵火災(zāi)機(jī)理和發(fā)展規(guī)律起到了良好的推進(jìn)作用。由于站臺火災(zāi)存在復(fù)雜性和緊迫性的特點(diǎn)，火災(zāi)位置和站臺形狀導(dǎo)致站臺煙氣層的下降和斷面溫度場的不均勻，Alpert和Ji的經(jīng)典型對溫度的預(yù)測結(jié)果存在偏差。因此，基于火災(zāi)位置(站臺端部、樓梯背端、樓梯口處和站臺中部)和火源功率的站臺頂棚縱向溫度的預(yù)測，其結(jié)果會更加準(zhǔn)確、適用性更廣。由此，筆者利用Froude相似準(zhǔn)則建立了1∶10小尺寸火災(zāi)實(shí)驗，共設(shè)置8種工況下的站臺火災(zāi)，同時采用Pyrosim建立了地鐵小尺寸模型數(shù)值模擬，將實(shí)驗與模擬數(shù)據(jù)比較，吻合良好，以此證明模擬的有效性。同時，建立了全尺寸站臺數(shù)值模型，針對4種不同火源位置、4種不同火源功率的16種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了隨縱向距離變化站臺頂棚下煙溫的分布規(guī)律，得到了縱向分布無量綱峰值溫度(ΔTmax,D)/ΔTmax)的預(yù)測公式。這些研究為人員逃生提供條件，對地鐵火災(zāi)時煙氣的控制和高溫預(yù)防具有實(shí)際意義。

1 小尺寸火災(zāi)實(shí)驗

1.1 相似性準(zhǔn)則

地鐵站臺火災(zāi)小尺寸實(shí)驗主要采用Froude相似準(zhǔn)則。由于火災(zāi)煙氣羽流在狹長空間流動過程中主要受慣性力和浮力作用，因此，在用Froude模擬方法進(jìn)行模擬時，必須保證模型和原型的Froude數(shù)相等[2，6]。在常壓環(huán)境下進(jìn)行的火災(zāi)模擬實(shí)驗，煙氣主要受浮力驅(qū)動。因此，首先要保證模型實(shí)驗中無量綱數(shù)不變[9]，即：

(1)

考慮Froude數(shù)守恒，建立了縮尺模型與全尺模型的時間t，幾何尺寸x、火源強(qiáng)度Q、煙霧溫度T之間的相似關(guān)系。

時間：

(2)

幾何尺寸：

(3)

火源強(qiáng)度：

(4)

溫度：

TM=TF

，

(5)

式中：g——重力加速度；

v——特征速度;

l——特征長度;

F、M——全尺度參數(shù)和模型尺度參數(shù)。

1.2 實(shí)驗設(shè)置

根據(jù)Froude相似準(zhǔn)則，采用1∶10比例建立部分縮尺寸地鐵站臺模型。由于模型長度過長，且站臺為對稱幾何結(jié)構(gòu)，僅考慮火源位于站臺左側(cè)的情況，只建立左半部分模型。實(shí)驗設(shè)計中模型尺寸為7 000 mm×1 100 mm×600 mm，如圖1所示。為便于觀察煙氣發(fā)展傳播規(guī)律，實(shí)驗臺采用防火玻璃制作，實(shí)驗臺左端封閉，右端上半部分敞開，來模擬站臺端部火災(zāi)，兩端敞開模擬站臺中部火災(zāi)。

為監(jiān)測火災(zāi)時站臺模型空間內(nèi)的溫度場分布，對實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行熱電偶布置，共布置熱電偶19個，水平布置13個，布置高度距頂棚10 mm，間距500 mm。每個火源點(diǎn)處垂直布置3個，間距100 mm。用于監(jiān)測站臺火災(zāi)時空間溫度分布情況，如圖1所示。

圖1 縮尺寸地鐵站臺模型Fig. 1 A miniaturized model of a subway platform

實(shí)驗中采用超快速火——池火，采用柴油作為火源。實(shí)驗設(shè)計了半徑為8、9、10、11 cm，高度50 mm的圓形油盤。油盤是用2 mm厚的鋼板制成的。熱釋放率為

ΔH——柴油燃燒熱，取42 MJ/kg；

χ——燃燒效率，取0.8 m。

根據(jù)英國Building Research Establish報告中統(tǒng)計人員聚集公共場所火災(zāi)規(guī)模為2.0～2.5 MW，換乘站人員流動量大，大部分乘客攜帶行李等可燃物，考慮到人為縱火及其他爆炸物等，選取熱釋放功率Q為2.0～5.0 MW的火源[10]。通過相似性計算，對應(yīng)模型火源功率Qt約分別為6.32、9.49、12.65、15.81 kW?；鹪次恢貌捎枚瞬亢椭胁炕馂?zāi)，具有代表性，實(shí)驗時間為180 s。對8種火工況站臺火災(zāi)進(jìn)行小尺寸實(shí)驗，分析實(shí)驗結(jié)果。設(shè)置實(shí)驗工況如表1所示。

表1 小尺寸實(shí)驗工況設(shè)置

1.3 結(jié)果分析

為了研究距火源距離對縱向煙溫的影響，繪制了不同火災(zāi)位置(端部、中部)下頂棚縱 向溫度的變化曲線，如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)D表示從監(jiān)測點(diǎn)到火源的距離。如圖2a所示，火源位于端部時，頂棚溫度隨著與火源距離的增加，溫度增長逐漸降低，最高溫度出現(xiàn)在火源正上方。如圖2b所示，火源位于中部時，頂棚縱向煙溫分布呈對稱性，由于本實(shí)驗考慮了良好的通風(fēng)條件，可以認(rèn)為縱向天花板溫度分布是對稱的。端部火災(zāi)頂棚最高溫度高于中部火災(zāi)28～39 ℃，這是由于火災(zāi)位于端部時沒有位于中部時通風(fēng)好。

圖2 火災(zāi)縱向溫度分布Fig. 2 Longitudinal fire temperature distribution of fire

圖3為中部火源正上方頂棚的溫度隨時間的變化，4種不同火源功率下，火源正上方頂棚溫度0 ～ 10 s內(nèi)迅速上升至最高溫度，分別為185.6、304.1、368.6、480.7 ℃，10 s后溫度趨于平穩(wěn)，并且隨著火源強(qiáng)度的增大，頂棚最高溫度越高，煙氣縱向流動速率越快。根據(jù)小尺寸火災(zāi)端部的溫度測試，火源附近的煙霧有穩(wěn)定的分層。不同火源功率下，端部4個垂直熱電偶溫度如圖4所示?？梢钥闯?，離火源越近溫度越高。由于較低的熱電偶直接受到火焰的影響，所以在較低的點(diǎn)測得的溫度要高于頂棚溫度。中間高度的溫度梯度變化較大，這是由于距離火源的距離以及煙障對煙氣的阻隔作用造成的。

圖3 中部火災(zāi)頂棚溫度隨時間變化Fig. 3 change of temperature of central fire ceiling with time

圖4 不同火源功率下端部火災(zāi)垂直溫度分布Fig. 4 Vertical temperature distribution of left fire under different fire tower

2 FDS數(shù)值模擬驗證

2.1 參數(shù)設(shè)置

FDS采用大渦模擬(LES)技術(shù)，部分計算采用傅里葉變換(FFTs)的泊松求解器，一般采用均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格方案對數(shù)值模擬結(jié)果有著決定性作用，網(wǎng)格的范圍確定了計算區(qū)域，。網(wǎng)格尺寸在應(yīng)用中為特征火焰直徑的1/8～1/12，特征火焰直徑D*采用式(6)計算[11]，即

(6)

ρ∞——空氣密度，取1.2 kg/m3；

CP——空氣比熱，取1 kJ/(kg· K)；

T∞——環(huán)境空氣溫度，取293 K；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

在應(yīng)用中網(wǎng)格尺寸通常取D*的1/10，可接受的網(wǎng)格大小是由火源功率決定的[12]。小尺寸模型中，火源功率為6.32～15.81 kW時，特征火焰直徑為0.126 ～ 0.183 m，網(wǎng)格尺寸為0.01 ～ 0.02 m，結(jié)果差異不顯著，網(wǎng)格越小計算時間大幅增加，因此，選取網(wǎng)格尺寸為0.02 m。尺寸模型中，火源功率為2.0～4.0 MW時，特征火焰直徑為0.125～ 0.250 m，選取網(wǎng)格尺寸為0.20 m。

地鐵模型的頂棚、側(cè)壁、底板設(shè)置為1.0 m厚混凝土材料，火源是通過將燃料的物理參數(shù)設(shè)置到FDS中來確定的，能夠最大限度地自由燃燒，這種設(shè)計方法比采用等放熱率的設(shè)計火更接近實(shí)際火災(zāi)?；鹪吹娜紵娣e和測溫點(diǎn)的布置可以通過參數(shù)直接設(shè)置。兩個樓梯口均在無初始風(fēng)速的情況下開啟，屬于自然通風(fēng)條件。環(huán)境溫度為293 K，環(huán)境壓力為101.32 kPa。

2.2 小尺寸模型模擬驗證

FDS在地鐵火災(zāi)環(huán)境數(shù)值模擬中的可行性已有實(shí)驗和理論廣泛驗證。建立1∶10實(shí)驗設(shè)計相對應(yīng)的數(shù)值模型。該模型與小尺寸實(shí)驗臺尺寸、火源位置、工況設(shè)置與監(jiān)測點(diǎn)一致。監(jiān)測縱向頂棚溫度和火源點(diǎn)處垂直溫度的變化，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖5、6所示，端部和中部火災(zāi)煙氣溫度與實(shí)驗數(shù)據(jù)吻合較好，證明了FDS全尺寸地鐵站臺火災(zāi)數(shù)值模擬的正確性和可靠性[13]。

圖5 端部火災(zāi)仿真與實(shí)驗結(jié)果的比較Fig. 5 Comparison of left fire simulation and experimental results

縱向頂棚溫度仿真與模擬結(jié)果如圖5、6所示。當(dāng)火源距離為0 ～1 m時，端部火災(zāi)位于一端封閉處，煙氣累積導(dǎo)致溫度偏高，中部火災(zāi)兩側(cè)通風(fēng)，最高溫度比端部火災(zāi)低26.8 ～ 52.4℃。在火源距離大于1 m時，主要由于熱輻射導(dǎo)致溫度升高，煙氣層處于穩(wěn)定階段，誤差小于7.2%。端部及中部的溫度誤差均小于10%，在允許的誤差范圍內(nèi)，故認(rèn)為所采用的數(shù)值模擬的方法是適用的。

圖6 中部火災(zāi)仿真與實(shí)驗結(jié)果的比較Fig. 6 Comparison of simulation and experimental results of fire in central area

3 全尺寸數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬設(shè)置

根據(jù)地鐵站臺原尺寸建立數(shù)值模型，車站主建筑面積114 15.94 m2。站臺公共面積1 424 m2，計算長度140 m，寬11 m，屏蔽門沿線路方向長度135.68 m。站廳公共區(qū)域面積為1 311 m2，長110 m，兩端各設(shè)有樓扶梯一組，樓扶梯一側(cè)設(shè)有防火卷簾。中間設(shè)有支柱，尺寸為1.0 m×0.9 m，房間、走道采用防火墻，站廳、站臺樓梯口四周設(shè)有擋煙垂壁。站廳公共區(qū)和站臺分別設(shè)置一個防煙分區(qū)，站廳公共區(qū)排煙量為7.886×104m3/h，站臺區(qū)排煙量為8.544×104m3/h。地鐵站臺模擬三維示意圖如圖7所示。

圖7 火災(zāi)模擬三維示意Fig. 7 Three-dimensional sketch of fire simulation model

由于站臺為對稱幾何結(jié)構(gòu)，僅考慮火源位于站臺左側(cè)的情況?；鹪碅、B、C、D距站臺左端位置分別為15、30、45、60 m，尺寸設(shè)置為1.0 m×1.0 m×0.1m，共設(shè)置16個工況模擬，如表2所示。s為火源距占臺左端距離。沿站臺頂棚下0.1 m設(shè)置一系列縱向熱電偶，間隔1.0 m。環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，壓力為101.325 kPa。為實(shí)現(xiàn)煙流的足夠穩(wěn)定狀態(tài)，將模擬時間設(shè)置為300 s。

表2 全尺寸實(shí)驗工況設(shè)置

3.2 頂棚下縱向煙溫分布特征

站臺內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生后會產(chǎn)生大量熱量和煙氣，熱量在煙氣中進(jìn)行熱傳遞，與外界產(chǎn)生溫度差形成熱浮力，煙氣受到熱浮力作用向上流動形成煙氣羽流[14]，到達(dá)站臺頂部，然后在頂棚下縱向蔓延。在運(yùn)輸過程中，煙氣與冷空氣相互作用，同時，大量的熱量會向墻體和冷環(huán)境散發(fā)。這些因素的綜合作用導(dǎo)致氣溫逐漸下降。在站臺火災(zāi)中，溫度變化受縱向距離的影響，通過研究不同火源位置和功率時頂棚下縱向煙氣溫度衰減規(guī)律，為疏散時煙氣高溫給人員帶來的傷害提供有效幫助。

圖8為Q=4 MW時不同火災(zāi)位置下站臺頂棚下的縱向煙溫分布，x軸是站臺縱向距離。火源A、B、D的峰值溫度分別為565、376、385 ℃，火源C的兩峰值溫度為335.6和364.9 ℃。如圖8所示，最高峰值溫度位于火源A處，因為火源A緊靠左側(cè)設(shè)備房，燃燒時產(chǎn)生的煙氣不斷積累強(qiáng)化，不同于B、C、D產(chǎn)生的煙氣能向兩端擴(kuò)散，從而使得A頂棚下的溫度峰值最大。當(dāng)火源位于C處時，出現(xiàn)兩個峰值溫度，這是由于C點(diǎn)距離樓梯口非常近，燃燒產(chǎn)生的煙霧一部分向上羽流形成最大的峰值溫度，另小一部分順著樓梯蔓延在樓梯口處的頂棚下形成較小的峰值溫度?；鹪碈、D峰值溫度略小于D，因為C、D距樓梯處通風(fēng)口較近，自然通風(fēng)下煙氣量略有減少。

圖8 Q=4 MW時頂棚下縱向煙溫分布Fig. 8 Distribution of longitudinal smoke temperature under ceiling when Q=4 MW

在火源功率Q分別為2、3、4、5 MW時，距火源縱向距離對站臺頂棚下煙氣溫度的影響如圖9所示。圖中D為距火源縱向距離，m；D=x-x0，x為測點(diǎn)位置，m；x0為火源位置，m。

圖9 隨縱向距離增加頂棚下煙氣溫度變化Fig. 9 Flue gas temperature variation under ceiling with increasing longitudinal distance

由圖9可知，隨著與火源距離的增加，站臺頂棚下煙氣溫度均呈指數(shù)衰減規(guī)律。距火源縱向距離小于5 m內(nèi)，頂棚下溫度衰減幅度最大；與火源距離5～30 m時溫度變化減緩；當(dāng)距離大于35 m時，頂棚下煙氣溫度基本保持在40～70 ℃之間。造成這一現(xiàn)象的主要原因是近火源處煙氣濃厚，溫度場變化明顯，當(dāng)距離足夠大時，煙氣量較少，分層較為穩(wěn)定。熱釋放速率越大，最高溫度分布差距越大，最大溫度差在Q=4 MW時為ΔTmax-ΔTmin=200.76 ℃。在放熱速率較小的情況下，距火源距離對最高溫度的影響也減小，最小溫差在Q=2 MW時為40.54 ℃。

3.3 頂棚煙溫預(yù)測模型

為研究火災(zāi)時頂棚最高溫度預(yù)測模型，引入幾種經(jīng)典模型并與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，Alpert對無約束水平天花板進(jìn)行了研究，提出了頂棚最高溫度的預(yù)測公式，常用來研究地鐵車站的頂棚最高溫度。

(7)

式中：ΔTmax——頂棚最高溫度，K；

Q——熱釋放速率，kW；

H——火源與頂棚的距離，m。

Ji針對地鐵車站火災(zāi)中壁端對頂棚最高溫度的影響進(jìn)行了小規(guī)模實(shí)驗和理論分析。在Alpert預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的最高溫度預(yù)測模型[15]。

(8)

將式(8)除以式(7)可得

(9)

式中，ΔTmax,d——火源距端壁距離為d的頂棚最高溫度，K。

2008年，Hu基于連續(xù)性和能量守恒方程，建立了預(yù)測煙層縱向溫度分布的模型，即

，

(10)

(11)

式中：ΔTmax,dl——距火源垂直距離最大溫升，K；

dl——距火源垂直距離，m；

λ——熱損失系數(shù)；

A——煙層與隧道邊界的接觸面面積，m2；

K——衰減系數(shù)。

FDS模擬中工況3最高溫度為565 ℃，Alpert模型和Ji模型計算的頂棚下最高溫度分別為682.43、696.94 ℃。可以看出，F(xiàn)DS的模擬結(jié)果低于預(yù)測結(jié)果，因為站臺空間較大，通風(fēng)良好，煙氣層積聚相對較少。上述模型在工程實(shí)際應(yīng)用中容易存在加大誤差，因此，根據(jù)上述模型建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，可以得到站臺火災(zāi)時，距火源縱向距離對頂棚溫度遵循的規(guī)律模型，再根據(jù)模擬數(shù)據(jù)擬合得到的預(yù)測公式具有更高的可行性。

(12)

式中：ΔTmax,D——距火源縱向距離為d的頂棚最高溫度，K；

ΔTmax——頂棚最高溫度，K；

D——距火源縱向距離，m；

L——站臺長度的一半；

a、k、b——系數(shù)。

圖10所示為站臺頂棚下無量綱峰值溫度與無量綱距離。記無量綱峰值溫度η=ΔTmax,D/ΔTmax，λ=D/L?；鹪碅熱釋放功率Q為2 MW用A-2 MW的形式表示，由圖10可以看出，隨著無量綱距離的增加，無量綱峰值溫度單調(diào)減小，而不受放熱速率的影響，但隨著D/L的增加，差異逐漸不明顯。相關(guān)系數(shù)R2分別為0.96、0.91，站臺頂棚下的最大煙溫可表示為

圖10 擬合曲線Fig. 10 Fitting curve

(13)

圖11 縱向溫升模擬值與預(yù)測值的比較Fig. 11 Comparison of simulated and predicted longitudinal temperature rise

4 結(jié) 論

(1)與隧道火災(zāi)相比，站臺火災(zāi)頂棚下的煙溫相對較低，受火源位置影響相對較小，因為站臺空間較大，通風(fēng)良好。站臺頂棚下出現(xiàn)幾個峰值溫度取決于火源的位置，當(dāng)火源位于站臺樓梯口處時，煙氣一部分順樓梯蔓延在頂棚下積聚，才出現(xiàn)雙峰值溫度，其他位置均為單峰值溫度。而火源位于站臺端壁附近時，煙氣流動相對較慢，溫度與其余火源處相比較高，最高溫差達(dá)200.76 ℃，最小溫差40.54 ℃。

(2)考慮一般狹長封閉空間的隧道溫度分布與本研究得到的結(jié)果不一致，建立了地鐵站臺頂棚下縱向煙氣溫度分布的無量綱峰值溫度(ΔTmax,D/ΔTmax)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。在?shù)值模擬結(jié)果中，無量綱峰值溫度(ΔTmax,D/ΔTmax)隨無量綱距離(D/L)的增加呈指數(shù)衰減，而最大煙氣溫度仍位于火源的正上方，根據(jù)模擬數(shù)值和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合可得預(yù)測公式。