地鐵站火災(zāi)煙氣運動及控制方法研究

孫鵬飛

(徐州市消防救援支隊，江蘇 徐州 221000)

0 引言

地鐵建設(shè)是緩解城市交通壓力、節(jié)約城市土地資源的有效手段，但同時也給消防工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。地鐵站屬于人員密集場所，可燃物種類多、隨機(jī)因素復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散難度大，依據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，在遇到事故時人員在6 min內(nèi)要全部疏散到安全區(qū)域，這就要求地鐵站防火設(shè)計需要盡可能地減緩煙氣下降的速度，以保證人員安全疏散。本文主要針對屏蔽門及扶梯開口處的風(fēng)速對火災(zāi)煙氣的影響進(jìn)行研究。

1 研究方法

目前，F(xiàn)DS軟件是研究火災(zāi)煙氣的重要手段，是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)的防火實驗室開發(fā)，已經(jīng)得到了國內(nèi)外許多全尺寸火災(zāi)實驗的驗證。FDS是基于場模擬的計算軟件，場模擬利用偏微分方程求解狀態(tài)參數(shù)的空間分布和隨時間的變化，模擬將研究區(qū)域劃分為若干個控制體，分別對其進(jìn)行微分方程組的迭代求解，可較精確地預(yù)計出火災(zāi)發(fā)生時的火場壓力、溫度、速度與煙流流動等火災(zāi)物理數(shù)據(jù)。

為了使研究成果直觀表述，采用PyroSim軟件進(jìn)行建模，該軟件可以直接導(dǎo)入DXF文件來創(chuàng)建3D模型，模型建立完成后可以直接在Pyrosim軟件界面上運行FDS，使用方便。

2 典型火災(zāi)場景設(shè)定

本文假定火災(zāi)發(fā)生在某車站站臺層，選取的火災(zāi)形式為站臺行李火災(zāi)，出于安全考慮，假設(shè)發(fā)生火災(zāi)時2個行李箱同時著火，最大火源功率為721 kW。火源位于站臺層2部電動扶梯開口之間，如圖1所示。為了對地鐵站站臺火災(zāi)的煙氣蔓延進(jìn)行研究，本文共設(shè)計了3個計算場景，如表1所示，排煙量根據(jù)上一節(jié)的計算確定為1.2×105m3/h，共18個排煙口，站廳層自然補(bǔ)風(fēng)。

圖1 層中部火源位置示意圖

表1 臺中部火災(zāi)模擬場景及參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析與研究

通過FDS模擬計算上述火災(zāi)場景下煙氣層高度、豎向溫度分布及扶梯口處風(fēng)速可以直接判斷人員的疏散條件是否可靠，具體分析如下。

3.1 煙氣層高度影響分析

圖2為各場景煙氣層高度隨時間的變化曲線，可以看出，發(fā)生火災(zāi)初期煙氣層迅速下降，無論屏蔽門是否開啟，煙氣層下降速率基本相同。隨著火源的持續(xù)燃燒，火災(zāi)場景1中，即站臺屏蔽門均關(guān)閉時，煙氣層高度下降至離地面3 m左右；火災(zāi)場景2中，即開啟一側(cè)屏蔽門時，站臺的煙氣層高度下降至離地面3.3 m左右；火災(zāi)場景3中，即站臺屏蔽門均開啟時，煙氣層下降至離地面3.5 m左右?？梢姡_啟站臺屏蔽門可以有效降低站臺火災(zāi)時煙氣層的厚度。此外，從圖2可以看出，屏蔽門開啟越多，煙氣層高度的波動越大，這是由于開啟屏蔽門后，隧道和軌頂排煙系統(tǒng)開啟后引起煙氣層界面的擾動，在一定程度上破壞了煙氣層的層化現(xiàn)象，但總的來講，開啟屏蔽門可以有效降低煙氣層的厚度。

圖2 站臺中部火災(zāi)屏蔽門開啟數(shù)量對煙氣層高度的影響

3.2 豎向溫度分布影響分析

圖3為煙氣層穩(wěn)定時各場景火源正上方的煙氣溫度分布曲線，觀察可得起變化規(guī)律基本一致，均為隨著距地面高度的增加，煙氣溫度逐漸降低。在距地面0.5 m時，火源上方的煙氣溫度，即火羽流溫度，火災(zāi)場景2的最高，火災(zāi)場景3最低?？梢姡九_發(fā)生火災(zāi)時，打開一側(cè)屏蔽門會使火羽流的溫度升高，說明火源燃燒更加充分；當(dāng)打開兩側(cè)屏蔽門時，火羽流溫度比不打開屏蔽門低很多，對人員疏散更有利。

圖3 火源正上方豎向煙氣溫度分布

3.3 扶梯口處風(fēng)速影響分析

模擬時間內(nèi)，各場景扶梯口處風(fēng)速變化曲線如圖4所示，F(xiàn)T1開口處的風(fēng)速均向下，說明站廳到站臺一直有向下的風(fēng)速阻止煙氣向站廳蔓延，同時，可以發(fā)現(xiàn)開啟屏蔽門數(shù)量越多，穩(wěn)定階段扶梯口風(fēng)速越??；FT2開口處的風(fēng)速，在火災(zāi)初期階段均向下，由于其靠近火源位置，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣溫度逐漸升高，扶梯口的風(fēng)速逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏?，火?zāi)場景1在45 s時風(fēng)速變向，火災(zāi)場景2在96 s時風(fēng)速變向，火災(zāi)場景3在152 s時風(fēng)速變向，風(fēng)速變向后，可能會攜帶站臺火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣蔓延到站廳，影響人員的安全疏散；FT3開口同樣靠近火源位置，火災(zāi)場景1和2也會出現(xiàn)風(fēng)速變向的現(xiàn)象，但是當(dāng)同時打開兩側(cè)屏蔽門時，樓梯口風(fēng)速一直向下，對安全疏散有利；FT4開口處風(fēng)速一直向下，但開啟屏蔽門后會減小風(fēng)速的大小。因此，當(dāng)站臺著火時，靠近火源位置的扶梯開口處的風(fēng)速會改變方向，可能會攜帶煙氣向站廳蔓延，但開啟屏蔽門后，會增加變向的時間，開啟數(shù)量越多，風(fēng)速變向所需時間越長，對人員疏散越有利；遠(yuǎn)離火源位置的扶梯開口處形成的風(fēng)速一直向下，開啟屏蔽門后，會減小風(fēng)速的大小，屏蔽門開啟越多，向下的風(fēng)速越小。但通過煙氣蔓延過程分析可以看出，雖然扶梯口處向下的風(fēng)速變小，但煙氣層蔓延到站廳層的時間卻變長，因此開啟屏蔽門后可減小控制煙氣向站廳蔓延的臨界風(fēng)速。

圖4 屏蔽門開啟數(shù)量對扶梯口風(fēng)速的影響

4 結(jié)論

本文通過應(yīng)用FDS模擬屏蔽門開啟數(shù)量對機(jī)械排煙效果的影響表明，當(dāng)火源位于站臺中部時，開啟站臺屏蔽門后，降低了扶梯開口處向下的空氣流速，但是依然能延長煙氣向站廳蔓延的時間，還能有效降低煙氣層高度；但當(dāng)僅開啟一側(cè)屏蔽門時，由于造成站臺氣流不平衡，火源上方的煙氣發(fā)生了一定的傾斜，造成火災(zāi)煙氣在站臺一側(cè)聚集，從而導(dǎo)致該側(cè)的頂棚煙氣溫度和豎向煙氣溫度比不打開屏蔽門時還高；而開啟兩側(cè)屏蔽門時，就不會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，屏蔽門均關(guān)閉時，既能降低頂棚煙氣溫度，又能降低豎向煙氣溫度，排煙效果較好，對人員疏散有利。