地鐵站臺火災(zāi)中排煙口對煙氣排放及人員疏散影響的數(shù)值模擬研究

摘要：地鐵站臺作為人員密集區(qū)域，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒產(chǎn)生的煙氣和熱量會在短時間內(nèi)大量積聚，難以迅速排出，對人員疏散構(gòu)成嚴(yán)重威脅。采用PyroSim軟件，分析了浙江省金華市某地鐵站臺火災(zāi)煙氣蔓延過程中能見度、溫度場及CO濃度等關(guān)鍵參數(shù)，研究了不同排煙口數(shù)量和列車門開啟狀態(tài)工況對火災(zāi)煙氣流動和人員疏散的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，僅開啟火源附近4個排煙口時，排煙效果最佳，最有利于人員疏散，在火災(zāi)熱釋放速率為1000kW的情況下，開啟4個排煙口時，疏散允許時間約為240s。此外，相比列車不開門和僅開單邊門的工況，開啟兩邊列車門能夠有效提高火災(zāi)現(xiàn)場的能見度，延長站臺內(nèi)人員疏散允許時間。

關(guān)鍵詞：地鐵火災(zāi)；火災(zāi)煙氣；排煙口；數(shù)值模擬

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0001-03

0 引言

地鐵具有運量大、速度快、安全、舒適等特點，已逐漸成為城市立體交通網(wǎng)絡(luò)的核心動脈。地鐵站臺區(qū)域空間狹長且相對封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于燃燒產(chǎn)生的煙氣及熱量難以在短時間內(nèi)排出，將對人民群眾生命安全造成巨大危害。因此，研究地鐵火災(zāi)中煙氣的發(fā)展規(guī)律和對人員的疏散影響十分必要[1]?；馂?zāi)分析的傳統(tǒng)研究方法包括實驗研究和理論研究[2]，隨著計算機模擬能力的增強，計算流體力學(xué)（CFD）憑借其研究成本低和流場信息豐富的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在地鐵火災(zāi)研究領(lǐng)域[3]。本文以浙江省金華市某地鐵站臺為研究對象，采用PyroSim軟件對不同排煙條件下的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律開展數(shù)值模擬，為地鐵火災(zāi)中人員逃生提供理論依據(jù)。

1 地鐵站臺概況

項目研究對象是浙江省金華市某地鐵站臺，站臺排煙口布局在站臺的南側(cè)頂部，一共有8個。每個排煙口的尺寸和風(fēng)量分別為800mm×630mm和9908m3/h。8個排風(fēng)口互相串聯(lián)為兩個獨立系統(tǒng)，左右兩側(cè)各4個，每側(cè)均有排煙管連通4個排風(fēng)口，排煙管截面尺寸為1300mm×850mm。左側(cè)4個排煙口具有回排風(fēng)的作用，作為回排風(fēng)口使用時，單個回排風(fēng)量為3 912m3/h。

2 數(shù)值模型的建立

2.1" 地鐵站臺模型

根據(jù)站臺布置信息，在PyroSim軟件中搭建站臺模型，見圖1。通過敏感性分析，綜合考慮計算精確度和所需時間成本，本文采用并行網(wǎng)格進行計算，火源附近采用小網(wǎng)格（邊長0.125m），距火源較近的區(qū)域采用中網(wǎng)格（邊長0.25m），距火源較遠(yuǎn)的區(qū)域采用大網(wǎng)格（邊長0.5m）。最終將整個地鐵站臺層分為七組并行網(wǎng)格，網(wǎng)格設(shè)置具體信息見表1、圖1。

表1" 網(wǎng)格劃分詳情

名稱 Mesh01 Mesh02 Mesh03 Mesh04 Mesh05 Mesh06 Mesh07

網(wǎng)格邊長

尺寸/m 0.25 0.125 0.125 0.125 0.125 0.25 0.5

圖1" 站臺層網(wǎng)格分布圖

根據(jù)地鐵火災(zāi)燃燒特點，選擇t2超快速火，該非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的熱釋放速率增長函數(shù)為

Q=at2 （1）

式中：Q——火源熱釋放速率，kW；

a——火災(zāi)發(fā)展系數(shù)，表征火災(zāi)蔓延的快慢，kW/s2；

t——火災(zāi)的發(fā)展時間，s。

基于表2選擇此次火災(zāi)發(fā)展系數(shù)為0.19，火源的熱釋放速率設(shè)置為1000kW（考慮較大規(guī)模火災(zāi)）。根據(jù)公式1，計算可得，在起火73s后火源熱釋放速率達(dá)到設(shè)定值（1000kW）。初始環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，所有地鐵站臺內(nèi)的固體表面光滑絕熱，模擬火災(zāi)時間為15min。

表2" 火災(zāi)增長系數(shù)

火災(zāi)增長

類型 a/（kW/s2） 起火場所舉例 可燃材料示例

慢速 0.003 垃圾簍

中速 0.012 公寓 木棉制品/電視機

快速 0.047 賓館、養(yǎng)老院 塑料泡沫/堆積的木板

超快速 0.19 購物中心、娛樂場所 液體甲醇/軟墊座椅沙發(fā)

2.2" 模擬工況表

綜合排煙口開啟數(shù)量和列車門開啟狀態(tài)兩種因素的影響，共設(shè)置表3的5組模擬工況。其中排煙口開啟數(shù)量為4時，僅開啟距火源較近的4個排煙口。排煙口開啟數(shù)量為8時，開啟站臺所有8個排煙口。

表3" 工況表

工況序號 排煙口開啟數(shù)量 列車門開啟狀態(tài)

1 0 不開門

2 4 不開門

3 8 不開門

4 8 僅開一邊門

5 8 兩邊門都開

3 人員安全疏散評價標(biāo)準(zhǔn)

本文參考世界道路協(xié)會（PIARC）發(fā)布的《Fireand SmokeControlinRoadTunnels》報告、《深中通道沉管隧道通風(fēng)、消防及防災(zāi)救援關(guān)鍵技術(shù)研究》報告等資料，選取人眼特征高度2m處的溫度、能見度及CO濃度作為判斷人員安全疏散狀況的指標(biāo)，相關(guān)臨界值見表4[4-5]。當(dāng)超出表中各臨界值時，人員安全疏散會產(chǎn)生熱傷害、視線受阻和呼吸不適等影響。

表4" 火災(zāi)人員疏散影響因素臨界值

指標(biāo) 空氣溫度/℃ 能見度/m CO體積分?jǐn)?shù)/%

臨界值 60 10 0.022 5

4 模擬結(jié)果分析

4.1" 排煙口數(shù)量的影響

通過對比工況1、2、3，分析排煙口數(shù)量對地鐵站臺火災(zāi)煙氣排煙和人員疏散的影響規(guī)律?；馂?zāi)發(fā)生240s后，站臺內(nèi)煙氣蔓延程度見圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)不開啟排煙口時，煙氣迅速蔓延至整個站臺。當(dāng)開啟火源附近的4個排煙口時，煙氣僅覆蓋站臺的中部和右側(cè)區(qū)域，未完全蔓延至左側(cè)。但當(dāng)開啟所有的8個排煙口時，由于新增排煙口處的氣流卷吸作用，與開啟4個排煙口的工況相比，煙氣覆蓋范圍反而增加。圖3為同一時刻（火災(zāi)發(fā)生240s）人眼高度2m處的煙氣能見度切面分布云圖，以10m能見度為臨界值，可以發(fā)現(xiàn)開啟4個排煙口時，人員能夠安全疏散的區(qū)域范圍最大，開啟8個排煙口時次之，不開啟排煙口時最小。對于1000kW的火災(zāi)規(guī)模，開啟4個排煙口時的疏散允許時間最長，站臺內(nèi)人員在240s內(nèi)必須完全疏散至安全區(qū)域。

a" 不開啟排煙口（工況1）

b" 開啟4個排煙口（工況2）

c" 開啟8個排煙口（工況3）

圖2" 不同排煙口開啟數(shù)量下煙氣蔓延模擬結(jié)果圖（t=240s）

圖3" 不同排煙口開啟數(shù)量下煙氣能見度模擬結(jié)果圖（t=240s）

圖4為火災(zāi)發(fā)生240s后不同排煙口開啟數(shù)量下人眼高度2m處的CO濃度切面分布云圖，可見火源附近1m范圍外CO濃度值均在0.0225%臨界值以下。

圖4" 不同排煙口開啟數(shù)量下煙氣CO濃度模擬結(jié)果圖（t=240s）

4.2" 列車門開啟狀態(tài)的影響

通過對比工況3、4、5，分析列車門開啟狀態(tài)對地鐵站臺火災(zāi)煙氣排煙和人員疏散的影響規(guī)律?；馂?zāi)發(fā)生240s后，站臺內(nèi)煙氣的蔓延程度見圖5。可以發(fā)現(xiàn)列車門全部關(guān)閉時，煙氣未擴散至站臺層外部，蔓延至第十五號門附近。當(dāng)僅開啟單邊列車門時，已有部分煙氣開始擴散到站臺層外部，蔓延至設(shè)備間附近。當(dāng)開啟全部列車門時，相較于僅開啟單邊列車門，煙氣向站臺層外擴散的范圍明顯增大，煙氣蔓延至設(shè)備間附近。

圖6為同一時刻（火災(zāi)發(fā)生240s）人眼高度2m處的煙氣能見度切面分布云圖，以10m能見度為臨界值，可以發(fā)現(xiàn)列車門全部開啟時，站臺內(nèi)左側(cè)、中部和右側(cè)的3座疏散樓梯均滿足能見度疏散條件，僅開啟一邊列車門時中部和右側(cè)的2座疏散樓梯滿足能見度疏散條件，列車門全部關(guān)閉時無疏散樓梯滿足能見度疏散條件。因此，列車門開啟狀態(tài)下火場煙氣能見度和火場環(huán)境得到顯著改善，疏散允許時間增加。

a" 列車門全部關(guān)閉（工況3）

b" 僅開啟一邊列車門（工況4）

c" 列車門全部開啟（工況5）

圖5" 不同列車門開啟情況下煙氣模擬結(jié)果圖（t=240s）

圖6" 不同列車門開啟情況下煙氣能見度模擬結(jié)果圖（t=240s）

5 結(jié)論

本文以浙江省金華市某地鐵站臺為對象，運用PyroSim軟件進行各個場景火災(zāi)數(shù)值模擬，深入探究了排煙口數(shù)量和列車門開啟狀態(tài)對火災(zāi)煙氣流動與人員疏散的影響，得出的主要結(jié)論如下：①排煙口開啟數(shù)量對地鐵站臺層的煙氣蔓延范圍、煙氣溫度和能見度均有顯著影響，相同火源功率和列車開門狀態(tài)下，僅開啟火源附近4個排煙口時排煙效果最佳，疏散允許時間最長，開啟全部8個排煙口次之，不開啟排煙口最差。對于1000kW的火災(zāi)規(guī)模，開啟4個排煙口時的疏散允許時間約為240s。②列車門開啟狀態(tài)對火災(zāi)煙氣的蔓延和人員疏散具有顯著影響，相比列車門不開和僅開單邊門情況，開啟兩邊門能夠更有效地排放煙氣和熱量，提高火場能見度和降低溫度，站臺內(nèi)人員疏散允許時間得以增加。

參考文獻

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