地鐵站臺火災(zāi)空氣幕阻煙的模擬研究

程 鑫，盧 平，余 陶

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著城市快速發(fā)展，城市人口數(shù)量激增，導(dǎo)致城市交通堵塞情況越來越嚴重。地鐵具有運量大、不擁擠、正點準時、安全舒適等特點，極大地緩解了城市地面交通的壓力。

地鐵站是相對封閉的環(huán)境，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，站內(nèi)供氧不足，易發(fā)生不充分燃燒，從而產(chǎn)生大量CO，NOx等有毒氣體[1]。近年來，越來越多的學(xué)者研究空氣幕在地鐵火災(zāi)中的擋煙效果。吳振坤[2]通過數(shù)值模擬軟件FDS和全尺寸實驗對地鐵樓梯間空氣幕進行了研究，通過比對溫度、CO濃度、能見度的變化來研究其擋煙效果；黃仁武[3]通過數(shù)值模擬研究優(yōu)化空氣幕參數(shù)，并研究了空氣幕和排煙系統(tǒng)、補風(fēng)系統(tǒng)相互作用下煙氣的控制效果；陳靜等[4]運用FDS研究了站廳送風(fēng)和不同風(fēng)速防煙空氣幕的擋煙效果，通過對比溫度、速度、能見度得到最佳的出口風(fēng)速；陶浩文等[5]以廣州某地鐵站為例，研究了多火源情況下空氣幕參數(shù)對火災(zāi)煙氣阻擋效果的影響；郭健翔等[6]通過FDS研究了空氣幕距擋煙垂壁及火源不同距離時的擋煙效果，得出最佳距離為0.5～1 m，火源位置對空氣幕擋煙性能影響不大；陶亮亮等[7]通過FDS研究了不同火源功率、空氣幕射流速度和射流角度下隧道內(nèi)縱向溫度、拱頂最高溫度及流場分布，得到了射流角度和射流風(fēng)速對溫度影響的規(guī)律；王明年等[8]通過FDS建立全尺寸模型，研究了單吹式、吸吹式空氣幕在地下車站的擋煙效果。

上述研究多以地鐵站為對象，通過探討最佳風(fēng)速來確定空氣幕的最佳參數(shù)設(shè)置，而未考慮臨界最小風(fēng)速對空氣幕擋煙效果的影響，以及風(fēng)速更大時不利于人員疏散且會造成不必要的能量損失。因此，本文以臨界最小風(fēng)速為切入點，以合肥某地鐵站為研究對象，通過FDS數(shù)值模擬，研究地鐵站臺層起火時空氣幕的射流角度及射流風(fēng)速對阻煙效果的影響，從而確定適宜的空氣幕參數(shù)設(shè)置范圍。

1 工程概況及模型的建立

1.1 工程概況

某地鐵站共有2層，長120 m，寬12 m，高12.5 m，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層(島式)，層高均為5 m。兩端設(shè)有控制室、衛(wèi)生間、辦公室等。站臺層兩端各有2個6.5 m×3 m出入口，站廳和站臺之間通過兩端的雙向樓梯以及中間的垂直電梯連接，樓梯寬度為5 m，樓梯側(cè)壁已封堵。

1.2 地鐵模型的建立

利用Pyrosim軟件建立1∶1地鐵站模型，地鐵站模型圖如圖1所示。其尺寸為120 m(長)×12 m(寬)×12.5 m(高)，火源設(shè)在站臺左側(cè)，距離風(fēng)幕機10.5 m。風(fēng)幕機設(shè)置在左側(cè)樓梯口的擋煙垂壁后0.5 m處，且擋煙垂壁下垂1.5 m。風(fēng)幕機尺寸為5 m(長)×0.3 m(寬)×1 m(高)，底部為0.3 m×5 m的出風(fēng)口。能見度切片及能見度測點、溫度測點位置如圖1(b)所示。

(a) 地鐵站全貌圖

模擬時，站廳的4個出入口為自然通風(fēng)狀態(tài)，站臺屏蔽門及垂直電梯門為關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)置初始環(huán)境溫度為20 ℃，壓力101.325 kPa，火源熱釋放速率設(shè)置為2 MW[2]。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)，在地鐵站發(fā)生火災(zāi)時，需在6 min內(nèi)將列車內(nèi)和站臺層的人員全部撤離站臺層，故將模擬時間設(shè)置為360 s，火源面積為1 m×1 m，火源為t2快速增長火，火災(zāi)增長系數(shù)為0.046 89 kW/s2，到達最大熱釋放速率后穩(wěn)態(tài)燃燒直至360 s。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用火源特征直徑D*確定網(wǎng)格大小，根據(jù)文獻[9]的研究，選取網(wǎng)格尺寸為火源特征直徑的1/16～1/3，火源特征直徑計算公式：

(1)

式(1)中，Q為火源熱釋放速率(kW)；ρ∞為環(huán)境空氣密度，取ρ∞=1.2 kg/m3；Cp為空氣比熱容，取Cp=1 kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，取T∞=293 K；g為重力加速度，取g=9.81 m/s2。

因此，當(dāng)Q=2 MW時，對應(yīng)的網(wǎng)格范圍為0.08～0.42 m。網(wǎng)格越小，對計算機的硬件要求越高。綜合考慮，選定網(wǎng)格為0.25 m×0.25 m×0.25 m(網(wǎng)格數(shù)1 152 000個)。

1.4 模擬工況設(shè)置

空氣幕射流角度(α)為空氣幕的出風(fēng)方向與空氣幕的豎直向下方向的夾角。設(shè)置空氣幕的射流寬度為0.3 m。在α=0°時，將射流風(fēng)速設(shè)置為0～6 m/s，從而確定最小風(fēng)速；再將射流風(fēng)速設(shè)置為最小風(fēng)速，調(diào)整α(0≤α≤30°，每次增加5°)，以確定適宜的射流角度。

2 模擬結(jié)果分析

通過觀察360 s時樓梯口的能見度及360 s內(nèi)的溫度變化，分析空氣幕阻煙效果?？紤]到人眼的特征高度為2 m，右側(cè)1 m處樓梯高度為0.45 m，故將熱電偶和能見度測點放置在空氣幕右側(cè)1 m、高2.5 m的位置，將能見度切片放置在空氣幕右側(cè)1 m處。

2.1 射流風(fēng)速對擋煙效果的影響

該組模擬了當(dāng)α=0°時，射流風(fēng)速分別為0，2，3，4，5，6 m/s時，空氣幕的擋煙效果。α=0°時不同風(fēng)速下樓梯口的能見度如圖2所示。

能見度/m

從圖2可以看出，當(dāng)空氣幕未開啟(v=0 m/s)時，樓梯口上部能見度幾乎為0，中、下部位置能見度在12 m左右，由此可見煙氣通過擋煙垂壁后，主要從樓梯上部蔓延至站廳層，部分煙氣從樓梯中、下部蔓延至站廳層，導(dǎo)致站廳層存在大量煙氣，站廳層上部能見度在3 m左右；當(dāng)開啟空氣幕(v=2 m/s)時，煙氣受風(fēng)力干擾向下蔓延，煙氣從樓梯口的上、中部進入樓梯通道，上部能見度幾乎為0，下部能見度基本為30 m，站廳層上部能見度在7 m左右，明顯比未開啟空氣幕時好得多，可見空氣幕對煙氣的蔓延起到了阻礙作用；當(dāng)v=3 m/s時，煙氣從樓梯口的上、中部蔓延至站廳層，上部能見度在4 m左右，中部大部分區(qū)域能見度為0，下部大部分區(qū)域能見度為30 m，站廳層中、下部能見度逐漸提高，中間能見度基本為30 m；當(dāng)v=4 m/s時，煙氣受風(fēng)力干擾向樓梯口中、下部蔓延，上部能見度在9 m左右，中、下部能見度幾乎為0；當(dāng)v≥5 m/s時，樓梯口上部和中部的能見度基本在10 m左右，下部能見度幾乎為0，站廳層能見度基本大于15 m，可見進入站廳層的煙氣量變少。

α=0°時不同風(fēng)速下樓梯口的能見度曲線如圖3所示。

圖3 α=0°時不同風(fēng)速下樓梯口的能見度曲線

當(dāng)v=0 m/s時，測點能見度約在125 s時出現(xiàn)下降，說明有煙氣進入樓梯，約在155 s時能見度開始快速下降,此時有大量煙氣進入樓梯通道，后能見度穩(wěn)定在7.5 m左右；當(dāng)v=2 m/s時，煙氣延遲至150 s左右進入樓梯間，由于大量煙氣進入，能見度快速下降到3 m左右，后又快速上升，由于煙氣受風(fēng)力干擾，能見度曲線一直處于上下起伏狀態(tài)，擋煙效果不佳；當(dāng)v=3 m/s時，煙氣在175 s左右才進入樓梯間，由于測點處于樓梯中部位置，煙氣受風(fēng)力干擾，上部煙氣向中部蔓延，能見度快速下降，后穩(wěn)定在2 m左右；當(dāng)v=4 m/s時，約190 s時煙氣才進入樓梯間，煙氣主要從樓梯中、下部進入站廳層，能見度快速下降，后基本在7 m左右；當(dāng)v=5 m/s時，約205 s時能見度開始下降，后總體在7.5 m左右，整體情況要優(yōu)于風(fēng)速為4 m/s時；當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時，約205 s時能見度出現(xiàn)下降，后能見度在9 m左右。

α=0°時不同風(fēng)速下樓梯口的溫度如圖4所示。當(dāng)空氣幕未開啟(v=0 m/s)時，在125 s左右，煙氣進入了樓梯間，大部分煙氣從樓梯口上部蔓延至站廳層，由于溫度測點處于站臺中部，故溫度并不高，溫度緩慢上升到26 ℃左右；當(dāng)開啟空氣幕(v=2 m/s)時，煙氣延遲至150 s左右進入樓梯通道，受空氣幕影響，煙氣從樓梯口的上、中部進入樓梯通道，測點溫度最高上升到30 ℃，可見空氣幕有阻煙效果，但風(fēng)速不足，阻煙效果較差；當(dāng)v=3 m/s時，約在200 s前測點溫度緩慢上升，后大量煙氣進入，溫度快速上升，由于煙氣斷斷續(xù)續(xù)進入樓梯間，故溫度曲線上下起伏，后基本在35 ℃左右；當(dāng)v=4 m/s時，測點溫度緩慢上升，后基本在27 ℃左右，部分煙氣進入樓梯，阻煙效果顯著提高；當(dāng)v=5 m/s時，測點溫度緩慢上升，后穩(wěn)定在25 ℃左右；當(dāng)v=6 m/s時，測點溫度緩慢上升，后穩(wěn)定在24 ℃左右，部分煙氣進入。由此可見，最小風(fēng)速為4 m/s。

圖4 α=0°時不同風(fēng)速下樓梯口的溫度

2.2 射流角度對擋煙效果的影響

該組模擬了當(dāng)空氣幕射流寬度為0.3 m，空氣幕射流風(fēng)速為4 m/s時，射流角度分別為0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°的擋煙效果。v=4 m/s時不同射流角度下樓梯口的能見度如圖5所示。

能見度/m

由圖5可知，當(dāng)α=0°時，樓梯口上部能見度在9 m左右，中、下部能見度幾乎為0，部分煙氣進入樓梯；當(dāng)α=5°時，樓梯口上、下部能見度在10 m左右，下部能見度在4 m左右，站廳層能見度顯著提高，但擋煙效果仍不佳；當(dāng)α=10°時，樓梯口能見度大于15 m，站廳層能見度為30 m，僅有少量煙氣進入；當(dāng)α=15°時，樓梯口及站廳層能見度為30 m，擋煙效果較好；當(dāng)α=20°和25°時，樓梯口能見度基本為30 m，幾乎無煙氣進入；當(dāng)α=30°時，樓梯口下部能見度明顯下降，進入的樓梯的煙氣越來越多。

v=4 m/s時不同射流角度下樓梯口的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 v=4 m/s時不同射流角度下樓梯口的溫度變化曲線

由圖6可知，當(dāng)α=0°時，測點溫度一直在上升，最高大約在29 ℃，說明煙氣穿過風(fēng)幕，不斷地進入樓梯通道；當(dāng)α=5°時，在275 s前有少量煙氣進入，測點溫度緩慢上升到21.5 ℃左右，由于積蓄在擋煙垂壁前的煙氣越來越多，導(dǎo)致在275 s后部分煙氣穿過風(fēng)幕，故測點溫度快速上升到25.5 ℃，后下降到24 ℃左右；當(dāng)α=10°時，在255 s前溫度緩慢上升，之后有部分煙氣穿過風(fēng)幕進入樓梯導(dǎo)致溫度快速上升,后穩(wěn)定在22.5 ℃左右；當(dāng)α=15°和20°時，溫度緩慢上升后穩(wěn)定在21 ℃左右，說明僅有少量煙氣進入，擋煙效果較好；當(dāng)α=25°時，約在290 s時上升到21.5 ℃，有少量煙氣進入樓梯，后由于進入樓梯的煙氣量變少溫度下降穩(wěn)定在21.3 ℃左右；當(dāng)α=30°時，測點溫度緩慢上升后穩(wěn)定在21.8 ℃左右。

3 結(jié)論

為了空氣幕能有較好的阻煙效果，在空氣幕射流寬度為0.3 m時，宜將射流角度設(shè)置為15～25°，射流風(fēng)速設(shè)置為4～6 m/s。射流角度過小時，在水平方向上風(fēng)速太小不足以抵消煙氣的水平分量；當(dāng)射流角度過大時，在豎直方向上的速度過小，不足以射到地面阻擋煙氣。在相同射流寬度條件下，射流風(fēng)速越大，則所消耗的能量也就越多，造成能量損失且不利于人員的疏散，故風(fēng)速適宜即可。