崔奇杰1，鄭文科，何 峰1，蔡偉華，姜益強(qiáng)

(1．中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 廣東分公司，廣東 深圳 518000；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

改革開(kāi)放四十年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，城市化率已從改革開(kāi)放初的20%飛速增長(zhǎng)至目前的60%，同時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量也實(shí)現(xiàn)了迅猛增長(zhǎng)，到2018年已達(dá)3.27億輛，伴隨而來(lái)的交通擁堵已經(jīng)成為大中型城市亟需解決的難題。相對(duì)于汽車(chē)，公交等地面出行方式，地鐵可以大大緩解交通擁堵，越發(fā)受到人們的重視。地鐵地下車(chē)站人流密集，不易疏散，如果發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔鈺?huì)影響乘客的疏散安全，很容易造成人員傷亡，因此地鐵車(chē)站需要采取有效的防排煙措施，保障地鐵車(chē)站的人員安全。

目前國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)地鐵車(chē)站的防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)做了很多研究。Zigh[1]對(duì)發(fā)生火災(zāi)后，地鐵站內(nèi)的溫度與煙氣分布情況開(kāi)展模擬研究，并對(duì)比了不同的湍流模型對(duì)于計(jì)算效果的影響，發(fā)現(xiàn)k-e模型能夠較好地仿真真實(shí)的氣流組織。J.S. Roh[2]對(duì)火災(zāi)蔓延和人流疏散進(jìn)行模擬，分析了防排煙系統(tǒng)對(duì)于火災(zāi)煙氣蔓延的影響，發(fā)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的布置能有效阻止火災(zāi)蔓延并有利于人流疏散。W.H.Park[3]采用FDS軟件仿真了火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣在不同排煙系統(tǒng)下的擴(kuò)散情況，并給出了最優(yōu)的排煙方案。Sanchenz[4]使用FLUENT軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)回風(fēng)，站臺(tái)下排風(fēng)以及頂?shù)琅棚L(fēng)等在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的氣流組織情況開(kāi)展研究，對(duì)比在典型通風(fēng)形式下的煙氣蔓延效果，并對(duì)地鐵站的環(huán)控系統(tǒng)給出了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

梁暉[5]等總結(jié)前人的研究成果，提出綜合利用隧道通風(fēng)系統(tǒng)與機(jī)械排煙系統(tǒng)進(jìn)行排煙的模式可以實(shí)現(xiàn)站臺(tái)煙氣有效排除。顧正洪[6]研究發(fā)現(xiàn)設(shè)置擋煙垂壁是防排煙設(shè)計(jì)中的有效方式，可以阻擋煙氣，有利于人員疏散，但是對(duì)臨界通風(fēng)速度有一定影響。孟娜[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬的方法探究了在站臺(tái)與站廳處設(shè)置擋煙垂壁對(duì)于火災(zāi)煙氣的影響，并研究了不同煙氣控制系統(tǒng)對(duì)于煙氣擴(kuò)散的影響，同時(shí)提出了較優(yōu)的控制模式。

紀(jì)杰[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)多層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟起火層與上下層送風(fēng)系統(tǒng)，有利提升排煙效果。鐘茂華[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用防煙分區(qū)的辦法有利于控制煙氣的擴(kuò)散，并且在每個(gè)防煙分區(qū)應(yīng)當(dāng)采取全排煙的通風(fēng)方式。田向亮[10]等設(shè)計(jì)了地鐵換乘車(chē)站的全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了地鐵機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)可以有效引導(dǎo)煙氣流動(dòng)，抑制其擴(kuò)散，并建議在設(shè)計(jì)地鐵站時(shí)，充分考察自然風(fēng)壓與機(jī)械排煙與通風(fēng)風(fēng)壓對(duì)于煙氣蔓延的影響?；@杰[11]和李建[12]分別對(duì)排煙的吸穿現(xiàn)象以及排煙口形式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)二者對(duì)于地鐵站的排煙效率有一定影響。

盡管前人已經(jīng)對(duì)地鐵車(chē)站的通風(fēng)排煙系統(tǒng)對(duì)煙氣氣流組織和控制措施的影響等進(jìn)行了較多的研究，但由于《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》 GB51298-2018的施行對(duì)地鐵站臺(tái)排煙模式產(chǎn)生了較大影響，以往開(kāi)站臺(tái)門(mén)輔助站臺(tái)公共區(qū)排煙的模式不再被允許，地鐵站站臺(tái)公共區(qū)需要采用新的排煙模式。

目前工程設(shè)計(jì)中推薦采用的替代方案是利用隧道排熱風(fēng)機(jī)接風(fēng)管至公共區(qū)進(jìn)行輔助排煙。本文采用數(shù)值模擬的方法針對(duì)此方案對(duì)車(chē)站進(jìn)行了研究。首先驗(yàn)證站臺(tái)公共區(qū)火災(zāi)時(shí)這種排煙方案能否滿(mǎn)足站廳站臺(tái)樓扶梯口部氣流速度的規(guī)范要求。其后對(duì)輔助排煙口的不同位置的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，探究排煙口的位置分布對(duì)火災(zāi)時(shí)樓扶梯口部風(fēng)速影響的具體規(guī)律。最終的結(jié)果可為實(shí)際工程中站臺(tái)輔助排煙風(fēng)管與排煙口的布置提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

本文以某6A車(chē)站為參照，建立了簡(jiǎn)化的二層車(chē)站模型。車(chē)站為島式車(chē)站，整體模型如圖1所示。站廳層有三個(gè)氣流入口，對(duì)應(yīng)實(shí)際由地面進(jìn)入站廳的三個(gè)出入口。站臺(tái)層通過(guò)4部樓扶梯與站廳層進(jìn)行連接。站臺(tái)層在人員活動(dòng)區(qū)上方設(shè)置有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)口，包括24個(gè)大系統(tǒng)排風(fēng)兼排煙口，兩側(cè)布置有與隧道排熱風(fēng)機(jī)連接的8個(gè)排煙口。排熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為40 m3/s，全壓650 Pa。整個(gè)車(chē)站模型的三維尺寸為180×19.55×8.15 m。截面1為豎直方向上經(jīng)過(guò)4個(gè)樓梯出口的豎切面，截面2為水平方向上距排煙口0.1 m的橫切面。

圖1 地鐵模型整體示意圖

為減小樓扶梯口部截面積，考慮用防火玻璃對(duì)樓扶梯側(cè)面進(jìn)行封堵，且在樓扶梯口部上方設(shè)置擋煙垂壁。

1.2 物理模型與網(wǎng)格

模型前處理軟件采用 ICEM。由于車(chē)站模型為幾何尺寸巨大，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致的網(wǎng)格數(shù)目較多，不利于計(jì)算，且模型平面相接處網(wǎng)格質(zhì)量較差。為保證計(jì)算精度與速度，因此本研究采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型圖

1.3 模型設(shè)置

本文模擬的是地鐵車(chē)站內(nèi)復(fù)雜的氣流組織形式，考慮到排風(fēng)口與排煙風(fēng)機(jī)處氣體流速較快，處于湍流狀態(tài)，湍流模型采用k-ε模型?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)良好的魯棒性，近壁面處理方式選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。車(chē)站A、B、C三個(gè)出入口設(shè)置為壓力入口邊界條件。排風(fēng)口與排煙口設(shè)置為速度出口邊界條件。數(shù)值離散格式及計(jì)算方法簡(jiǎn)述如下：壓力梯度設(shè)置為PRESTO!格式，其他梯度項(xiàng)都設(shè)置為二階迎風(fēng)離散格式；控制方程組采用PISO算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，迭代13 000步，殘差值控制到10-4。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為確保計(jì)算精度，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性分析驗(yàn)證。建立網(wǎng)格數(shù)分別為224826、515440、831754的車(chē)站模型，對(duì)排煙速度為6.944 m/s、排風(fēng)速度為5.74 m/s條件下的工況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)為515440與831754的模型在截面1與2上的速度云圖分布更加接近，綜合考慮計(jì)算要求，最終選擇網(wǎng)格數(shù)目為515440的模型進(jìn)行模擬。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)目模型截面1與截面2速度分布云圖

2 模擬分析及討論

2.1 僅開(kāi)啟站臺(tái)公共區(qū)排煙風(fēng)機(jī)工況

首先考慮在站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，僅開(kāi)啟站臺(tái)公共區(qū)機(jī)械排煙系統(tǒng)的方案。此種情況下，僅開(kāi)啟公共區(qū)排煙風(fēng)機(jī)對(duì)站臺(tái)進(jìn)行排煙，空氣在負(fù)壓作用下通過(guò)車(chē)站三個(gè)出入口自然補(bǔ)入。對(duì)火災(zāi)工況下的地鐵站內(nèi)進(jìn)行氣流組織仿真，從左到右分別為1號(hào)至4號(hào)樓扶梯口。由圖4可知，4個(gè)樓扶梯口的平面速度分布不均勻。1至3號(hào)樓扶梯口垂直平面在兩側(cè)有高速區(qū)，中間偏上部區(qū)域則為明顯的低速區(qū)。4號(hào)樓扶梯口右側(cè)流速較高，左側(cè)有一定的低速區(qū)。各個(gè)出口平面的空氣分布流速不同與樓扶梯所在位置以及結(jié)構(gòu)有很大的相關(guān)性。同時(shí)可以看到2號(hào)樓扶梯出口出現(xiàn)速度最大值。

圖4 僅開(kāi)啟站臺(tái)公共區(qū)排煙風(fēng)機(jī)模式下不同樓梯入口的速度云圖

表1為正常工況下各樓扶梯口的氣流速度。由表1可知2號(hào)樓扶梯口與其他樓扶梯口平均速度有較大差異。樓扶梯口2至4號(hào)的總風(fēng)量接近。但是出口面1,3和4的平均風(fēng)速遠(yuǎn)小于1.5 m/s，證明僅啟動(dòng)公共區(qū)排煙系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018中排煙時(shí)站廳到站臺(tái)的樓扶梯口向下氣流不小于1.5 m/s的要求[13]，需要加大站臺(tái)排煙量，以滿(mǎn)足發(fā)生火災(zāi)時(shí)各樓扶梯口對(duì)于隔絕煙氣的需要。

表1正常工況下各樓扶梯口的氣流速度分布情況

樓扶梯口名稱(chēng)樓扶梯口1樓扶梯口2樓扶梯口3樓扶梯口4出口寬度/m3.82.84.74.1口部面積10.267.5612.6911.07口部面平均流速/m·s-10.831.520.911.02口部流量/m3·s-18.5211.4911.4511.934

2.2 隧道排熱風(fēng)機(jī)接風(fēng)管至公共區(qū)輔助排煙工況

考慮用排熱風(fēng)機(jī)接排煙管至站臺(tái)輔助排煙，根據(jù)實(shí)際工程中輔助排煙風(fēng)管可能設(shè)置的位置，設(shè)置三種排煙口設(shè)置方案，如圖5所示。對(duì)火災(zāi)工況下輔助排煙風(fēng)管上三種排煙口位置方案的氣流組織開(kāi)展仿真研究。以方案 A為例，各樓扶梯口的速度分布云圖如圖6所示，可知各樓扶梯口速度分布情況均體現(xiàn)為上部風(fēng)速較小，下部風(fēng)速較大，但具體分布情況有顯著不同。而且2號(hào)樓扶梯口平面出口風(fēng)速最大，局部最大風(fēng)速可達(dá)6 m/s以上。對(duì)三種不同排煙口布置方案條件下樓扶梯口風(fēng)速取平均，如表2所示。可知三種方案條件下，各樓扶梯口的向下氣流速度均大于1.5 m/s，能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 三種方案的排煙口分布形式

圖6 排熱風(fēng)機(jī)連接輔助排煙管形式下不同樓梯入口的速度云圖

表2不同排煙風(fēng)口位置方案各樓扶梯口的速度分布情況

樓扶梯口名稱(chēng)樓扶梯口1樓扶梯口2樓扶梯口3樓扶梯口4方案A口部平均流速/m·s-12.414.902.993.21方案A口部流量/m3·s-124.7337.0437.9435.53方案B口部平均流速/m·s-12.674.912.503.39方案B口部流量/m3·s-127.437.1131.7337.53方案C口部平均流速/m·s-12.965.442.662.73方案C口部流量/m3·s-130.9839.4933.7630.22

3 結(jié)論

本文建立了地鐵車(chē)站仿真模型，針對(duì)《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB51298-2018施行后地鐵站臺(tái)火災(zāi)工況下無(wú)法開(kāi)啟站臺(tái)門(mén)輔助排煙的情況，考慮用隧道排熱風(fēng)機(jī)接風(fēng)管至公共區(qū)進(jìn)行輔助排煙，并設(shè)計(jì)了不同的排煙口位置方案，對(duì)地鐵站內(nèi)的氣流組織進(jìn)行研究，分析輔助排煙口位置對(duì)地鐵火災(zāi)工況下站廳站臺(tái)樓扶梯口部氣流速度的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同以及樓梯布置位置的影響，地鐵站內(nèi)各樓扶梯口的風(fēng)速各不相同，各出口平面速度分布并不均勻。

(2)利用隧道排熱風(fēng)機(jī)輔助站臺(tái)公共區(qū)排煙時(shí)，各個(gè)方案下各樓扶梯口部空氣流速都可以達(dá)到規(guī)范大于1.5 m/s的要求，2號(hào)樓扶梯口始終擁有最大風(fēng)速。

(3)對(duì)比三種輔助排煙口布置形式，方案B中各樓扶梯口風(fēng)速的最小值大于方案A，最大值小于方案C，因此方案B可作為隧道排熱風(fēng)機(jī)連接輔助排煙風(fēng)管上排煙口布置的優(yōu)選方案。