杨帆
长沙市轨道交通集团有限公司 长沙 410000
摘 要:中庭式地铁车站在火灾工况下的排烟模式设计是地铁车站设计中的难题。本文针对中庭式地铁车站站台火灾情况，采用大涡模拟的方法进行三维数值模拟，分别研究了两种火源位置下的烟气流动规律、不同排烟模式下的烟尘浓度分布以及CO浓度随时间的变化。结果表明：当火灾发生在站台中庭位置时，烟气受热浮力驱动直接扩散至站厅层并向四周蔓延，关闭站台层送风系统可以延缓烟气扩散到出入口的时间并抑制烟气层下降速度；而当火灾发生在站台廊道位置时，开启站厅层送风系统可有效提高站台烟气层高度并且阻止烟气蔓延至站厅层。
关键词:中庭式地铁车站；站台火灾；FDS；数值模拟；排烟模式
Abstract Smoke extraction mode in fire accidents is always a challenge during design of atrium metro stations. In this paper, according to the situation of atrium metro station platform fire, Large Eddy Simulation was performed to study smoke movement pattern, dust concentration distribution in different smoke extraction mode and how the concentration of the co changes with time under two different fire locations. The results show that if the platform atrium is on fire, buoyancy driven smoke spreads to the subway hall directly and then spread around, it will delay the time for the smoke spreading to passageway and slow the descending of smoke layer to close the air supply system of the platform layer. When fire takes place at platform corridors, operating the air supply system can raise smoke layer height and prevent the smoke spreading to the subway hall.
Keywords atrium metro station, platform fire accident, FDS, numerical simulation, smoke extraction mode
1 引言
随着我国经济的高速发展，地铁日渐成为城市中不可或缺的现代化交通工具；然而随着地铁的大规模建设，地铁火灾、水灾、毒物泄露等事故时有发生，而其中火灾事故约占地铁事故总数的57%，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，如1995年阿塞拜疆首都巴库的地铁火灾造成300多人丧生，200多人受伤；2003年韩国大邱市地铁纵火事件导致198人死亡，147人受伤。火灾中烟气不仅给人员的逃离造成障碍，引起人们的恐慌，同时也是造成人员伤亡的主要原因。统计结果表明，在火灾中80%以上的丧生者是死于烟气的影响，这其中的大部分是由于吸入了烟尘而昏迷最终致死[1]。因此研究火灾中烟气的流动特性及排烟模式等具有重要的意义。
目前，国内外已经对于地铁车站火灾时的烟气扩散控制问题开展了大量的研究，Jae Seong Roh等利用CFD模拟方法对地铁车站列车火灾的烟气流动进行了研究[2]，文献[3]优化分析了多层地铁车站中间层起火时的排烟模式，文献[4]对岛式地铁车站列车火灾进行了数值模拟并与实体燃烧实验的结果对比，但对于中庭式地铁车站火灾的烟气流动规律和烟气控制问题涉及甚少。由于地铁火灾实体试验费用较高，不易进行；模型实验又难以针对地铁站台建立整体模型，大多是针对某个局部进行部分模拟[5]，因此，本文借助于美国国家标准与技术研究所（NIST）研究开发的模拟火灾中烟气运动和传热过程的计算流体动力学软件FDS对国内某典型中庭式地铁车站火灾发生在站台中庭位置和廊道位置时的烟气流动规律以及不同排烟模式的排烟效果进行了数值模拟研究，为此类车站排烟方案的制定提供有价值的建议。
2 模拟结果与分析
本文中主要根据烟气层高度和CO浓度来判断不同排烟模式下车站是否安全，当实际的烟气层高度高于安全高度时认为是安全的，Hs可按下式进行计算[6]：
Hs=1.6+0.1H (1)
式中：Hs-烟气层安全高度，m；
H-排烟空间的建筑高度，m。
文中站厅和站台的安全高度Hs均为2米。
2.1 站台层中庭位置发生火灾时不同排烟模式对烟气扩散的影响
图1为站台中庭位置发生火灾时没有机械排烟情况下烟气的流动情况，从图中可以看出：受浮升力的影响，烟气首先从站台层扩散至站厅层的锥形顶棚处；在起火后200s时，烟气充满顶棚且有少量烟气从顶棚溢出，并向站厅层公共区水平蔓延；到起火后360s时，烟气已经蔓延至出入口处，此时烟气层高度有明显的下降，并且出现分层现象；至起火后600s，烟气已经充满了整个站厅层，只有少量通过中庭扩散至站台层。从自然填充情况下的烟气流动情况可以看出，虽然火灾发生在站台层，但是由于烟气通过中庭直接扩散至站厅层，所以需要开启站厅层排烟系统进行排烟。
对于站台层中庭位置发生火灾时，本文研究对比了两种不同排烟模式的排烟效果。模式1：启动站厅层排烟设备，通过出入口向站厅层自然补风；模式2：启动站厅层排烟设备，开启站台层送风机组向站厅层补风。图2为两种不同机械排烟模式下烟气的流动情况，相比较于自然填充情况，两种机械排烟模式下的烟气层高度都明显高于前者，并且没有烟气扩散至站台层，这说明两种排烟模式都能够有效的排除烟气。对比1， 2两种排烟模式的排烟效果，可以看出虽然两种排烟模式下的烟气层高度都维持在安全高度以上，但是至起火后360s时，模式1与模式2相比，其烟气的水平蔓延速度较慢，当模式1的烟气还未扩散至出入口处时，模式2的烟气已经扩散至出入口处且其烟气层开始下降，到起火后600s时，模式1下的烟气虽已蔓延至出入口处，但其在出入口处的烟气层高度明显要高于模式2下的烟气层高度，这是因为不开启站台送风，而利用出入口补风可以增大出入口风速。排烟模式1一方面可以对烟气向出入口扩散形成一定阻力，延缓烟气蔓延到出入口的时间，并且降低烟气层下降的速度；另一方面能够使人员感受到新风的方向从而顺利朝正确方向逃生。
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2.2 站台层廊道位置发生火灾时不同排烟模式对烟气扩散的影响
图5为站台廊道位置发生火灾时没有机械排烟情况下烟气的蔓延情况，从图中可以看出，烟气首先在站台层蔓延，起火后200s时，由于挡烟垂壁的影响，烟气从起火侧扩散到站台的另一侧，并且有部分烟气没过挡烟垂壁后通过中庭扩散至站厅层；到起火后360s，站台层已经被烟气充满，烟尘浓度较之200s时也有所增加，站厅层无论在水平方向还是在竖直方向上烟气都扩散至更大的范围；至起火后600s时，烟气已充满整个站厅，并且站台层的烟尘浓度进一步升高。
为了把烟气控制在起火层内，不让烟气蔓延至站厅层，并且使站台层的烟气层高度维持在安全高度以上，本文研究了两种机械排烟模式的排烟效果。模式3：启动站台层排烟设备，并且打开屏蔽门轨顶排热风口进行辅助排烟，从出入口自然补风；模式4：启动站台层排烟设备，并且打开屏蔽门轨顶排热风口进行辅助排烟，开启站厅送风系统进行机械补风。站台每侧的轨顶排热风口的排烟量为50m3/s。图6为两种排烟模式下烟尘浓度场的变化情况。从图中可以看出，随着时间的变化，两种排烟模式下的烟气都没有扩散至站厅层，但是在站台层起火位置一侧，模式3下的烟气层高度要低于安全高度从而危及人身安全，而模式4下站台层起火侧的烟气层高度则满足安全高度的要求，并且在模式4下烟气蔓延至站台未起火侧的时间长于模式3，烟气层厚度和烟尘浓度也低于模式3。
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图 6两种不同排烟模式下烟尘浓度分布随时间的变化：
模式3：（a）（c）（e），模式4：（b）（d）（f）
模拟时，对楼梯口处的CO浓度进行监测，由图7可知，在排烟模式3下，会有部分CO气体进入到楼梯口处，而楼梯是站台层人员逃向出入口的唯一通道，这会对人员的疏散造成不利影响，而在排烟模式4下，楼梯口处的CO浓度几乎为零，为乘客的人身安全提供了有利条件。地铁规范中规定，当站台发生火灾时，应保证站厅到站台的楼梯和扶梯口处具有不小于1.5m/s的向下气流，图8为两种排烟模式下的楼梯口处风速随时间的变化，可以看出开启站厅层送风系统可以满足规范要求。
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图 7 楼梯口处CO浓度的变化 图 8 楼体口处向下气流的变化
3 结论
本文以某典型中庭式地铁车站为对象，采用计算流体力学软件FDS，分别对站台层中庭位置火灾和站台层廊道位置火灾就行了数值模拟研究，分析了不同排烟模式下烟尘的浓度分布和CO浓度随时间的变化。发现当中庭位置起火时，烟气由于热浮力驱动直接上升至站厅层并向四周蔓延，只有少量烟气扩散至站台层，启动站厅层排烟设备进行排烟，在火灾发生后的10min内，烟气不会因为站台不送风而扩散到站台层从而影响人员的逃生。不开启站台送风，利用出入口补风可以增大出入口风速，这样不仅可使人员感受到新风的方向，而且有效的降低了烟气扩散至出入口的时间和烟气层厚度。而当站台廊道位置发生火灾时，烟气撞击到站台顶棚后迅速扩散并蔓延至站台另一端，起火后200s时烟气没过挡烟垂壁，蔓延到站厅，启动站台层排烟系统并开启站厅层送风系统能有效地阻止烟气进入站厅，降低了楼梯口处的CO浓度，并且使楼梯处的向下风速满足规范要求，可以为人员逃生创造更有利的条件。
参考文献
[1] 霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].第2版.安徽：中国科学技术大学出版社，2009:86
[2] Jae Seong Roh, et al. CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2009, 24: 447-453
[3] 纪杰，钟委，张英，霍然.典型多层地铁车站中间层起火时的通风模式优化分析[J].中国铁道科学，2010，31（2）：131-136
[4] 那艳玲，黄桂兴，涂光备，于松波.地铁车站火灾的烟气流动状况研究[J].暖通空调，2006，36（6）：24-28
[5] 李炎锋，李俊梅.建筑火灾安全技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：84
[6]钟茂华，史聪灵，邓云峰.地铁浅埋岛式站台列车火灾烟气蔓延的数值模拟研究[J].中国安全科学学报，2005，15（11）：10-15