孟華寧 趙伶玲 鄧博譽(yù) 疏學(xué)明

1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2清華大學(xué)公共安全研究院

地鐵車(chē)站屬于地下狹長(zhǎng)空間建筑，與地面通過(guò)特定出口連通，通風(fēng)能力有限。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)大量熱量和高溫?zé)煔夥e聚在地鐵站內(nèi)，使得站內(nèi)人員易煙氣中毒和窒息，人員生命安全受到威脅[1-2]。在地鐵車(chē)站中主要采用機(jī)械排煙方式排除高溫?zé)煔猓ＷC人員生命安全[3]。排煙效率取決于排煙口排出的煙氣量，因此通常采取增大排煙功率來(lái)增加排煙量的措施。但是，在實(shí)際排煙過(guò)程中，選取較大排煙速率時(shí)，排煙口不僅排出煙氣，還會(huì)大量卷吸煙氣層下方的冷空氣，出現(xiàn)煙氣吸穿現(xiàn)象，使得機(jī)械排煙效率降低[4-5]。因此，開(kāi)展排煙口優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少煙氣吸穿影響的研究，可為機(jī)械排煙效率的提高，地鐵站防排煙的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

研究者們開(kāi)展了一系列關(guān)于排煙口優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。胡隆華[6]等在地下長(zhǎng)通道內(nèi)進(jìn)行了一組相對(duì)位置不同的補(bǔ)氣口 -排煙口排煙效果的全尺寸實(shí)驗(yàn)，提出了“ 遠(yuǎn)端補(bǔ)氣、近端排煙”的優(yōu)化方案。袁月明[7]研究了公路隧道集中排煙模式中排煙口間距及個(gè)數(shù)對(duì)煙氣吸穿的影響，發(fā)現(xiàn)在同一排煙速率下，排煙口間距越大，個(gè)數(shù)越多，越易發(fā)生吸穿。楊娟[8]等研究了隧道中側(cè)向排煙口排煙風(fēng)速對(duì)煙氣的影響，得出了適當(dāng)加大排煙風(fēng)速有利于加快排煙進(jìn)程，但是排煙風(fēng)速過(guò)大會(huì)造成煙氣吸穿現(xiàn)象的結(jié)論。向健宇[9]等對(duì)防護(hù)工程排煙口布置方式進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)排煙口開(kāi)在管道側(cè)面進(jìn)行側(cè)向排煙比管道底面排煙的效果更好。Cong等[10-12]提出了板-豎井耦合式排煙方法，研究表明通過(guò)在自然排煙豎井下方加裝排煙擋板，可以有效抑制煙氣吸穿和邊界層分離現(xiàn)象，提高機(jī)械排煙效率。排煙進(jìn)程受到煙囪效應(yīng)和堵塞效應(yīng)的共同控制，在自然排煙系統(tǒng)中排煙擋板的設(shè)置會(huì)影響排煙量。鐘委[11]研究了地鐵站內(nèi)底面排煙口設(shè)置排煙擋板對(duì)排煙量的影響，發(fā)現(xiàn)加裝煙氣擋板后不會(huì)減小機(jī)械排煙的排煙量，即在機(jī)械排煙系統(tǒng)中排煙量不受排煙擋板影響。綜上所述，排煙擋板的設(shè)置可強(qiáng)制改變煙氣層下方冷空氣的運(yùn)動(dòng)軌跡，避免和減少煙氣吸穿現(xiàn)象的發(fā)生。然而，目前對(duì)側(cè)向機(jī)械排煙口排煙擋板的研究較少。

鑒于上述分析，本文采用數(shù)值模擬的方法，以某雙層島式地鐵站為物理模型，針對(duì)側(cè)向機(jī)械排煙口設(shè)置排煙擋板對(duì)機(jī)械排煙效率的影響進(jìn)行了研究，分析了排煙擋板寬度和設(shè)置方式對(duì)煙氣層的影響，探討在設(shè)置不同排煙擋板情況下排煙口下方煙氣層吸穿現(xiàn)象的變化。通過(guò)分析排煙口處的流場(chǎng)分布，溫度場(chǎng)分布，C O濃度分布得出最佳排煙擋板的設(shè)置參數(shù)，研究成果可為地鐵防排煙系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文采用大渦數(shù)值模擬（LES）模型，基本控制方程包括質(zhì)量、動(dòng)量、組分質(zhì)量、能量守恒方程等[13]。

計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)的 Smagorinsky亞格子模型保證小尺度旋渦結(jié)構(gòu)的計(jì)算準(zhǔn)確性?；?Smagorinsky模型，流體動(dòng)力粘性系數(shù)為：

流體的導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)分別為：

在模擬過(guò)程中，Pr，Sc和C s的取值為 0.2，0.5 和0.2。

1.2 幾何模型

本文以某雙層島式地鐵站臺(tái)為原型建立模擬區(qū)域（圖1）。模擬區(qū)域長(zhǎng)、寬、高分別為112，12和4 m，以圖 1 中所示基點(diǎn)劃定坐標(biāo)軸 X 軸，Y 軸和 Z軸方向。在站臺(tái)右側(cè)頂部沿縱向分布一根長(zhǎng) 112 m，截面積為1.0×1 .0 m2的排煙管道，忽略端部效應(yīng)。排煙管道側(cè)面等距布置了 14 個(gè)排煙口，排煙口間距為 8 m，中心高度為 3.3 m，截面積為0.08（橫向）× 0 .06（縱向）m2，從距離站臺(tái)左端4 m處開(kāi)始布置，依次編號(hào)為#1至#14。

圖1 地鐵站臺(tái)三維模型圖

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]要求，站臺(tái)層每個(gè)防煙分區(qū)不能超過(guò)2000 m2，因此將整個(gè)站臺(tái)作為一個(gè)防煙分區(qū)，排煙量為60 m3/ (m2· h)。站臺(tái)通過(guò)兩個(gè)樓梯與上層連接進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。

1.3 模擬細(xì)節(jié)

本文采用 NIST開(kāi)發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件 FDS（Fire Dynamic Simulator）進(jìn)行數(shù)值模擬。在計(jì)算模型網(wǎng)格劃分時(shí)，為了保證網(wǎng)格的精確解析，本文在流動(dòng)和熱交換迅速的區(qū)域采用局部網(wǎng)格加密的網(wǎng)格劃分方法?；鹪醇芭艧熆诟浇鼌^(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.1 m，其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.2 m。

由于計(jì)算模型在站臺(tái)層未設(shè)置商業(yè)設(shè)施，且主體建筑多使用不燃材料，因此火災(zāi)荷載主要來(lái)自于乘客攜帶的行李物品。參考前人研究成果[15]，取火災(zāi)荷載為2 MW，火災(zāi)增長(zhǎng)速率按t2超快速增長(zhǎng)火設(shè)置。火源設(shè)置在站臺(tái)左側(cè)6 m處，燃燒區(qū)域面積為1.0×1 .0 m2。計(jì)算中，在排煙口處設(shè)置 CO 濃度測(cè)量裝置，在站臺(tái)頂棚設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。環(huán)境溫度為20℃，壓力為101 kPa，模擬時(shí)間為200 s。

1.4 計(jì)算工況

本文研究中排煙擋板設(shè)置在側(cè)向排煙口下沿，選取煙氣吸穿現(xiàn)象對(duì)排煙影響較大的排煙口設(shè)置排煙擋板，即 #6排煙口。由于空氣是由排煙口下沿被吸入排煙口，因此在本系統(tǒng)中排煙擋板寬度和角度是影響吸穿現(xiàn)象的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。本文重點(diǎn)分析這兩個(gè)因素對(duì)站臺(tái)火災(zāi)排煙進(jìn)程的影響。

具體工況設(shè)計(jì)為：保持排煙擋板長(zhǎng)度0.8 m、厚度0.2 m不變，分別改變寬度和角度，具體布置位置和尺寸示于圖2。其中，寬度w為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m，與水平面角度θ為0°、15°、30°、45°，共 21個(gè)工況。

圖2 站臺(tái)模型左視圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文首先對(duì)排煙擋板寬度和角度進(jìn)行研究，其次將排煙口處的壓力損失和CO體積濃度納入考慮來(lái)選擇最佳排煙擋板參數(shù)，最終通過(guò)比較站臺(tái)整體溫度分布驗(yàn)證了排煙擋板的有效性。

2.1 排煙擋板角度

排煙擋板的角度對(duì)于排煙口處的流場(chǎng)分布以及溫度場(chǎng)分布有著重要影響。本文計(jì)算所得不同排煙擋板角度和無(wú)排煙擋板時(shí)的排煙口溫度與速度分布，結(jié)果示于圖3。

圖3 不同排煙擋板角度的排煙口溫度和速度分布

圖3左列為溫度分布計(jì)算結(jié)果，圖中黑框表示排煙口的位置。由于煙氣相比于空氣溫度較高，因此溫度越高表示此處煙氣占比越大。從溫度分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)排煙擋板時(shí)（圖 3（a）），排煙口的左下方存在低于 22 ℃的低溫區(qū)域，說(shuō)明此處空氣占比大，發(fā)生了煙氣吸穿現(xiàn)象。然而，隨著排煙擋板角度的增大（圖3（b）（-e）），排煙口左下角低溫區(qū)域面積不斷減少，排煙口區(qū)域各等溫線逐漸下移，頂棚處溫度高溫區(qū)域面積不斷增加，說(shuō)明在排煙口處的溫度越來(lái)越高，空氣的占比降低。分析其原因，是由于排煙擋板角度增加，所以具有一定高度的煙氣才能夠進(jìn)入排煙口，而煙氣的溫度隨高度增加而增加。因此，隨著排煙擋板角度的增加，被排煙口排走的氣體中煙氣比例不斷增加。

圖3右列為速度分布計(jì)算結(jié)果，圖中左上角黑色正方形表示排煙風(fēng)道，白色長(zhǎng)方形表示排煙口所在位置，白色長(zhǎng)方形右下角的黑色長(zhǎng)方形表示排煙擋板。從圖3(a)中可知，無(wú)排煙擋板時(shí)，排煙口下方的空氣直接進(jìn)入排煙口。然而，隨著排煙擋板角度的增大（圖 3 (b)～(e)），進(jìn)入排煙口的氣體運(yùn)動(dòng)軌跡不斷改變，空氣被排煙擋板阻擋難以進(jìn)入排煙口。排煙口處氣體流速增大，當(dāng)θ=45°時(shí)流速比未設(shè)置排煙擋板時(shí)的流速增大約 2 m/s，這是因?yàn)檫M(jìn)入排煙口的氣體流通面積減少，所以流速增大。綜合不同排煙擋板角度時(shí)的排煙口溫度和速度分布可知，排煙擋板角度越大，能夠進(jìn)入排煙口的煙氣占比越大，有效排煙量越大。

2.2 排煙擋板寬度

排煙擋板的寬度影響阻擋空氣的范圍。本文在排煙擋板角度（θ=0°）一定的情況下，改變擋板寬度，研究寬度對(duì)煙氣吸穿的影響。

不同排煙擋板寬度時(shí)，排煙口溫度分布的計(jì)算結(jié)果示于圖4。從圖 4中可以發(fā)現(xiàn)，排煙口處等溫線分布呈山峰狀，低溫區(qū)域集中在排煙口左下角。隨著排煙擋板寬度的增加，排煙口左下角低溫區(qū)域的面積均有所減少。無(wú)排煙擋板時(shí)排煙口低于27℃的區(qū)域面積約占排煙口總面積的 26%，而在排煙擋板寬度為 0.8 m時(shí)，該面積占比減小至 17%，說(shuō)明在排煙口處溫度不升，空氣與煙氣的混合程度降低。這是由于排煙擋板寬度的增加可以阻斷排煙口下方空氣的豎直上升途徑，迫使排煙路徑以橫向?yàn)橹鳎丛黾涌諝膺M(jìn)入排煙口的流動(dòng)距離，降低排煙口處空氣的比例，使得排煙口排出煙氣的比例增加。因此，排煙擋板寬度的增加可以抑制煙氣吸穿現(xiàn)象。

圖4 不同排煙擋板寬度的排煙口溫度分布

2.3 排煙口處CO體積濃度

排煙口處的CO體積濃度可用來(lái)衡量機(jī)械排煙效率，即排煙口處CO 體積濃度越高，機(jī)械排煙效率越高。圖5所示為計(jì)算所得設(shè)置排煙擋板與未設(shè)置排煙擋板時(shí)側(cè)向排煙口處CO體積濃度比φ擋板/φ。從該圖可以看出，排煙擋板角度為0°和 15°時(shí)，隨著寬度增加，C O體積濃度比近似線性不斷增加。排煙擋板角度為30°和 45°時(shí)，隨著寬度增加，C O體積濃度比先升高后降低。分析其原因，是由于排煙擋板角度較低時(shí)，寬度越大，能夠阻擋的低溫空氣量越多，對(duì)煙氣吸穿效果抑制越明顯，C O體積濃度比高。而當(dāng)排煙擋板角度較高時(shí)，擋板寬度的過(guò)度增加反而會(huì)阻礙正常排煙過(guò)程，使得CO體積濃度比降低。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)排煙擋板角度為30°和 45°，排煙擋板寬度為0.6 m時(shí)，C O 體積濃度比最高，而寬度為 0.8和1 m時(shí)，C O體積濃度比反而降低。因此，排煙擋板寬度為0.6 m，角度為30°或45°時(shí)機(jī)械排煙效率較高，排煙效果較好。

圖5 側(cè)向排煙口CO體積濃度比

2.4 排煙口處壓力損失

排煙擋板的設(shè)置可以提高機(jī)械排煙效率，但是也會(huì)帶來(lái)額外的壓力損失。為分析壓力損失的影響，本文分析了排煙口處的壓強(qiáng)分布及變化。

未設(shè)置排煙擋板時(shí)排煙口處壓力損失為 4.23 Pa。本文將計(jì)算所得設(shè)置排煙擋板時(shí)的排煙口處的壓力損失相對(duì)于未設(shè)置排煙擋板時(shí)壓力損失的增加值 ΔP作為衡量壓力損失變化的參數(shù)，其結(jié)果示于圖6。

圖6 排煙口處壓力損失增加量

由圖6 可以看出，當(dāng) θ為 0°和 15°時(shí)，不同排煙擋板寬度的 ΔP保持大致不變，平均增加量分別為0.58 Pa 和 1.1 Pa。當(dāng) θ為 30°和 45°時(shí)，隨著排煙擋板寬度的增加，ΔP不斷增加，而排煙擋板角度為 45°時(shí)ΔP最大。這是由于角度較大時(shí)，排煙擋板寬度增加，使得煙氣流通面積減少，煙氣流速增加，致使排煙口處壓力損失增大。因此，考慮到排煙擋板帶來(lái)的壓力損失，排煙擋板寬度為 0.6 m，角度為30°時(shí)機(jī)械排煙的效果最佳。

2.5 排煙擋板對(duì)地鐵站臺(tái)整體影響

為驗(yàn)證排煙擋板對(duì)于輔助機(jī)械排煙、降低站臺(tái)溫度的有效性，本文在所有排煙口處加裝角度為 30°，寬度為0.6 m的排煙擋板，預(yù)測(cè)和分析站臺(tái)溫度場(chǎng)變化。計(jì)算所得站臺(tái)溫度場(chǎng)變化示于圖7。由圖7可以看出，與無(wú)排煙擋板相比，加裝排煙擋板時(shí)同等溫度范圍煙氣分布區(qū)域變小，40 ℃以上區(qū)域面積降低了 8.3%，蔓延距離減少約12 m，煙氣的蔓延得到了有效控制。這說(shuō)明排煙擋板的設(shè)置可以抑制煙氣吸穿，提高機(jī)械排煙的排煙量，有效控制火場(chǎng)溫度，有助于人員逃生和后續(xù)安全救援。

圖7 站臺(tái)溫度場(chǎng)變化圖

3 結(jié)論

本文提出了在島式地鐵站臺(tái)的側(cè)式排煙口加裝排煙擋板的措施來(lái)阻止煙氣吸穿現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而提高機(jī)械排煙效率。針對(duì)排煙擋板的寬度和安裝角度進(jìn)行了一系列全尺寸火災(zāi)數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1）在側(cè)向排煙口外設(shè)置排煙擋板可以有效防止煙氣吸穿現(xiàn)象的發(fā)生，使排煙口處流場(chǎng)更加穩(wěn)定，穩(wěn)定排煙過(guò)程，提高機(jī)械排煙效率。

2）排煙擋板具有一定角度可以有效提高機(jī)械排煙效率，排煙擋板角度越大，機(jī)械排煙效率越高，但是壓力損失也越大。排煙擋板寬度一定時(shí)，排煙擋板角度為45°時(shí)，排煙口排出的氣體CO體積濃度最大，機(jī)械排煙效率最高。

3）排煙擋板寬度越大，抑制煙氣吸穿效果越好，但當(dāng)排煙擋板角度較大時(shí)，較大的擋板寬度反而阻礙了正常排煙過(guò)程。綜合考慮機(jī)械排煙效果和壓力損失，排煙擋板角度為 30°，排煙擋板寬度為0.6 m 時(shí)有效排煙量最高，機(jī)械排煙效率高。