籃 杰,范樂樂,余偉之,王 艷,王 健,張 帥

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司城地院暖通所, 武漢 430063； 2.中原工學(xué)院能源與環(huán)境專業(yè),鄭州 450000； 3.鄭州市軌道交通有限公司, 鄭州 450000)

由于地鐵具有速度快、能耗低、運量大等優(yōu)點，現(xiàn)已成為緩解城市交通壓力的主要措施之一[1-3]。但是地鐵車站是一個內(nèi)部相對密閉、狹長的地下空間，發(fā)生火災(zāi)時，人員僅能通過較少的出入口安全疏散至室外，且火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量也難以排除，故發(fā)生火災(zāi)時人員的疏散及救援難度大。因此地鐵火災(zāi)成為地鐵安全運營所面臨的重要問題。相關(guān)研究表明：地鐵發(fā)生火災(zāi)時，均會產(chǎn)生大量有毒煙氣，70% 以上的人員因為吸入過多有毒煙氣而導(dǎo)致昏迷、死亡[4-7]。因此越來越多學(xué)者致力于地鐵內(nèi)部排煙方案的研究。

以鄭州某地鐵車站為研究對象，針對站廳層公共區(qū)設(shè)計了不同的排煙工況，利用 FDS軟件對不同的排煙工況進行數(shù)值模擬。通過比較不同排煙工況下站廳層人眼特征高度[8]處溫度、能見度、CO濃度數(shù)據(jù)，找出站廳層公共區(qū)最佳的排煙方案，為地鐵建設(shè)及消防安全提供參考。

1 模型建立及工況設(shè)計

1.1 物理模型(圖1)

該地鐵站站廳層公共區(qū)長101.2 m，寬18.7 m，高4.8 m；設(shè)4個寬度均為6.6 m，高度均為3.8 m的出入口；采用鏤空格柵吊頂。

如圖1所示，以站廳層公共區(qū)左下角為坐標原點，建立1∶1的物理模型，其中x軸平行于站廳層長度方向，y軸平行于站廳層寬度方向，z軸平行于站廳層高度方向。站廳層公共區(qū)長度方向上，以x=51.6 m為面兩側(cè)對稱，寬度方向上，以y=9.35 m為面兩側(cè)對稱。這兩個面將站廳層公共區(qū)劃分為4個區(qū)域：A、B、C、D。4個區(qū)域A、B、C、D內(nèi)各設(shè)置1根金屬排煙管(寬度為1.25 m，高度為0.50 m，底高程為4.20 m)和金屬送風(fēng)管，以及FAS、BAS、通信等電纜橋架。為穩(wěn)固起見，在站廳層公共區(qū)長度方向上每隔9 m設(shè)置1根1.2 m×0.8 m(長×寬)的柱子，共計12根。頂板下方設(shè)置下翻梁，其中x∈(0，10.6 m)∩y∈(8.95，9.35 m)及x∈(93.2，103.2 m)∩y∈(8.95，9.35 m)區(qū)域結(jié)構(gòu)梁下翻0.3 m，x∈(10.6 m，93.2 m)∩y∈(8.95，9.35 m)區(qū)域結(jié)構(gòu)梁下翻1.2 m。同時，x∈(51.5，51.6 m)∩y∈(0，18.7 m)區(qū)域設(shè)置擋煙垂壁，擋煙垂壁底高程為2.9 m。

該地鐵車站站廳層公共區(qū)面積為1 888.9 m2，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)第28.4.10條[9]規(guī)定，計算得出站廳層的總排煙量為1.13×105m3/h?？紤]0.2的漏風(fēng)系數(shù)，則每根排煙管的排風(fēng)量為3.4×104m3/h。

圖1 地鐵車站站廳層公共區(qū)物理模型

1.2 火源設(shè)置

因該地鐵車站站廳層公共區(qū)內(nèi)裝修主要采用不燃材料，且該車站未設(shè)置商業(yè)開發(fā)，因此站廳層公共區(qū)的主要火災(zāi)荷載為乘客隨身攜帶的行李物品。對于行李物品引發(fā)的火災(zāi)，結(jié)合相關(guān)文獻[10-12]，火源熱釋放速率設(shè)定為3 MW。

將火源位置設(shè)定在排煙系統(tǒng)的最不利點，即排煙管末端且距排煙風(fēng)口最遠處?；鹪创笮? m×2 m，中心坐標為(46.6，8.25，0.6) m。

火源熱釋放速率可用下式表達[13]

Q=αt2

(1)

式中Q——火源熱釋放速率，kW；

α——火源熱釋放速率的增長系數(shù)，按NFPA 中的超快速增長火考慮[14]，火災(zāi)增長系數(shù)α=0.187 8 kW/s2；

t——時間，s。

由火源熱釋放速率為3 MW，計算可得火源功率約在126.4 s時達到峰值后保持穩(wěn)定燃燒。

1.3 系統(tǒng)工況設(shè)定

根據(jù)研究目標，設(shè)定如下5個站廳層公共區(qū)排煙工況。

工況Ⅰ：排煙管上開設(shè)下排煙口，每根排煙管上設(shè)置6個500 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為8 m；著火1 min后，開啟排煙風(fēng)機，依靠出入口自然補風(fēng)，下文簡稱為下排煙口。

工況Ⅱ：排煙管上開設(shè)側(cè)排煙口，每根排煙管上設(shè)置6個500 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為8 m；著火1 min后，開啟排煙風(fēng)機，依靠出入口自然補風(fēng)，下文簡稱為側(cè)排煙口。

工況Ⅲ：排煙管上開設(shè)頂排煙口，每根排煙管上設(shè)置6個500 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為8 m；著火1 min后，開啟排煙風(fēng)機，依靠出入口自然補風(fēng)，下文簡稱為頂排煙口。

工況Ⅳ：排煙管上開設(shè)側(cè)排煙口，每根排煙管上設(shè)置3個1 000 mm×400 mm的排煙口，兩排煙口間距為16 m；著火1 min后，開啟排煙風(fēng)機，依靠出入口自然補風(fēng)，下文簡稱為3個側(cè)排煙口。

工況Ⅴ：排煙管上開設(shè)側(cè)排煙口，每根排煙管上設(shè)置12個400 mm×250 mm的排煙口，兩排煙口間距為4 m；著火1 min后，開啟排煙風(fēng)機，依靠出入口自然補風(fēng)，下文簡稱為“12個側(cè)排煙口”。

1.4 基本假設(shè)

為方便利用FDS軟件對不同排煙工況進行數(shù)值模擬分析，進行以下假設(shè)：(1)火災(zāi)發(fā)生之后，煙氣在站廳層公共區(qū)內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；(2)站廳層公共區(qū)室內(nèi)及墻體溫度默認為20 ℃；(3)忽略車站內(nèi)照明及其他設(shè)備對火災(zāi)的影響。

2 數(shù)值模擬計算理論及方法

2.1 FDS火災(zāi)模擬軟件理論基礎(chǔ)

本文采用的FDS數(shù)值模擬軟件是由美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)研發(fā)的一款主要用于火災(zāi)中熱量傳遞及煙氣流動的計算流體力學(xué)模擬程序，該模擬軟件采用計算流體力學(xué)方法來求解一組熱驅(qū)動力作用下的低速流動Navier-Stokes方程(粘性流體方程)，重點關(guān)注火災(zāi)中熱量傳遞及煙氣流動過程。FDS軟件通過將計算空間離散成為多個三維長方體計算單元，通過將每個計算單元內(nèi)氣體的溫度、密度、壓力、速度及組分濃度等用質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程的偏微分方程進行有限差分求解，來模擬預(yù)測火災(zāi)中煙氣的產(chǎn)生及分布。FDS軟件處理湍流流動有以下兩種方法，即直接模擬(DNS)方法和大渦模擬(LES)方法。直接模擬(DNS)方法是通過直接求解控制方程以得到模擬計算結(jié)果，其計算量過大；大渦模擬(LES)方法是在流場的大尺度結(jié)構(gòu)與小尺度結(jié)構(gòu)之中選取一個濾波寬度對控制方程進行濾波，進而把所需的變量分為大尺度量和小尺度量，計算量相對較小。本文采用大渦模擬(LES)方法進行數(shù)值求解，模擬求解之后即可獲取相關(guān)測點處溫度、能見度、CO濃度、CO2等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)。

控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程

(2)

動量守恒方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

組分守恒方程：

(5)

式中u——速度矢量；

Yi——第i種組分的質(zhì)量分數(shù)；

Di——第i種組分的擴散系數(shù)；

qw——熱通量矢量；

ρ——密度；

P——壓力；

2.2 網(wǎng)格劃分

在 FDS 數(shù)值模擬計算過程中，網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果有重要影響，網(wǎng)格劃分的越精細，模擬結(jié)果就越準確，但同時也會增加模擬過程的時間。FDS指導(dǎo)手冊[15]中用于確定網(wǎng)格的公式如下

(6)

(7)

式中D*——火源特征直徑，m；

Q——火源熱釋放速率，kW；

ρ——空氣密度，1.2 kg/m3；

cp—空氣比熱容，1.014 kJ/(kg·K)；

T——環(huán)境溫度，293 K；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

δx——網(wǎng)格尺寸，m。

根據(jù)式(6)、式(7)，火源的熱釋放速率Q=3 MW時，計算得到火源的特征直徑為 1.485 m，取D*/δx=10，則對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸為0.148 5 m。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 人員安全疏散時間指標

地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時，人員能否安全疏散至室外涉及到兩個重要的時間參數(shù)，即：安全疏散所需時間和安全疏散可用時間，為了人員能夠安全疏散，則必須滿足安全疏散可用時間>安全疏散所需時間。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)中規(guī)定：當?shù)罔F車站火災(zāi)發(fā)生時，安全疏散所需時間不應(yīng)小于6 min。

對于地鐵車站站廳火災(zāi)，考慮安全的同時為了方便分析，分析過程中取人眼特征高度為1.8 m[8]。參考前人研究成果，地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時，人員安全疏散環(huán)境的評價指標如下：人眼特征高度1.8 m處溫度≤60 ℃，CO濃度<250×10-6，能見度>10 m[16-17]。為了人員安全疏散，必須滿足以上所有條件。

3.2 下排煙口、側(cè)排煙口、頂排煙口排煙工況的對比分析

從圖2～圖4可以看出：(1)工況Ⅰ～工況Ⅲ中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下溫度均不超過60 ℃；(2)60 s時，工況Ⅰ～工況Ⅲ三種排煙工況下，溫度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅲ中溫度高于60 ℃的區(qū)域明顯比工況Ⅰ中的少；(3)在6 min內(nèi)，工況Ⅱ和工況Ⅲ的溫度分布狀況差別不大。

圖2 工況Ⅰ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

圖3 工況Ⅱ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

圖4 工況Ⅲ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

從圖5～圖7中可以看出：(1)工況Ⅰ～工況Ⅲ中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下能見度均超過10 m；(2)60 s時，工況Ⅰ～工況Ⅲ三種排煙工況下能見度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅲ中能見度低于10 m的區(qū)域明顯比工況Ⅰ中的少；(3)工況Ⅱ和工況Ⅲ的能見度分布差別不大。

圖5 工況Ⅰ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

圖6 工況Ⅱ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

圖7 工況Ⅲ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

從圖8～圖10可以看出：(1)工況Ⅰ～工況Ⅲ中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下CO濃度均不超過250×10-6；(2)隨著時間的推移，工況Ⅰ～工況Ⅲ三種排煙工況下，CO濃度分布差別不大。

圖8 工況Ⅰ中站廳縱向截面不同時刻CO濃度高于250×10-6區(qū)域云圖

圖9 工況Ⅱ中站廳縱向截面不同時刻CO濃度高于250×10-6區(qū)域云圖

圖10 工況Ⅲ中站廳縱向截面不同時刻CO濃度高于250×10-6區(qū)域云圖

結(jié)合圖2～圖10可知：(1)下排煙口、側(cè)排煙口、頂排煙口中，在6 min的疏散時間內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均能滿足人員的疏散要求；(2)側(cè)排煙口、頂排煙口比下排煙口的排煙效果要好；(3)側(cè)排煙口和頂排煙口的排煙效果基本相同。

分析認為：據(jù)鐘委等人的研究成果[18]，排煙口在臨界高度下方時，隨著排煙口高度的提升，機械排煙系統(tǒng)的排煙效率不斷提高；當排煙口在臨界高度上方時，隨著排煙口的提升，機械排煙效率基本不變。同時據(jù)Hinckley等的相關(guān)研究[19-20]，經(jīng)計算得知，本文側(cè)排煙口、頂排煙口在臨界高度上方，而下排煙口在臨界高度下方。故側(cè)排煙口、頂排煙口比下排煙口的排煙效果好，頂排煙口和側(cè)排煙口的排煙效率基本相同。鑒于排煙管頂部開排煙口不便于檢修，故推薦采用側(cè)排煙口。

3.3 6個側(cè)排煙口、3個側(cè)排煙口、12個側(cè)排煙口排煙工況的對比分析

由圖3、圖11、圖12可以看出：(1)工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下溫度均不超過60 ℃；(2)60 s時，工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況下，溫度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅳ中溫度高于60 ℃的區(qū)域明顯比工況Ⅴ中的少；(3)工況Ⅱ和工況Ⅳ的溫度分布差別不大。

圖11 工況Ⅳ中站廳縱向截面不同時刻溫度高于60 ℃區(qū)域云圖

由圖6、圖13、圖14可以看出：(1)工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況中，在6 min內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域1.8 m高度以下能見度均超過10 m；(2)60 s時，工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況下能見度分布相同；隨著時間推移，工況Ⅱ、工況Ⅳ中能見度低于10 m的區(qū)域明顯比工況Ⅴ中的少；(3)工況Ⅱ和工況Ⅳ的能見度分布差別不大。

圖13 工況Ⅳ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

圖14 工況Ⅴ中站廳縱向截面不同時刻能見度低于10 m區(qū)域云圖

結(jié)合圖3、圖6、圖11～圖14可知：(1)工況Ⅱ、工況Ⅳ、工況Ⅴ三種排煙工況中，在6 min的疏散時間內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均能滿足人員的疏散要求；(2)6個側(cè)排煙口、3個側(cè)排煙口比12個側(cè)排煙口的排煙效果要好；(3)6個側(cè)排煙口和3個側(cè)排煙口的排煙效果基本相同。

分析認為：由于著火點位于站廳層公共區(qū)中部，煙氣自著火點上升至頂板后沿著頂板逐漸擴散至站廳層端部，故而在煙氣上升至頂板后，越早的將其排除，煙氣擴散的就越少，越有利于人員的疏散。為了盡早地排除煙氣，站廳層公共區(qū)中部的排煙口總面積就顯得格外重要。而3個側(cè)排煙口和6個側(cè)排煙口在站廳層中部的排煙口總面積比12個側(cè)排煙口要大，3個側(cè)排煙口和6個側(cè)排煙口在站廳層中部的排煙口總面積基本相當。故3個側(cè)排煙口和6個側(cè)排煙口相對12個側(cè)排煙口，能夠更快的排除站廳層中部的煙氣；且3個側(cè)排煙口和6個側(cè)排煙口的排煙效率基本相當。

4 結(jié)論

模擬分析結(jié)果如下。

(1)工況Ⅰ～工況Ⅴ中，在6 min的疏散時間內(nèi)，除了著火點周圍3 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均能滿足人員的安全疏散要求。

(2)側(cè)排煙口、頂排煙口比下排煙口的排煙效果好，側(cè)排煙口和頂排煙口的排煙效果基本相同，鑒于排煙管頂部開排煙口不便于檢修，故推薦采用側(cè)排煙口。

(3)6個側(cè)排煙口、3個側(cè)排煙口比12個側(cè)排煙口的排煙效果好，6個側(cè)排煙口與3個側(cè)排煙口的排煙效果基本相同。

鑒于鄭州市軌道交通1號線二期工程，采用3個側(cè)排煙口的排煙方案，顯著地提高了站廳層公共區(qū)的排煙效果，進一步驗證了本文研究成果的正確性與可行性。