程 鑫，盧 平，余 陶

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

隨著城市快速發(fā)展，城市人口數(shù)量激增，導致城市交通堵塞情況越來越嚴重。地鐵具有運量大、不擁擠、正點準時、安全舒適等特點，極大地緩解了城市地面交通的壓力。

地鐵站是相對封閉的環(huán)境，當發(fā)生火災時，站內(nèi)供氧不足，易發(fā)生不充分燃燒，從而產(chǎn)生大量CO，NOx等有毒氣體[1]。近年來，越來越多的學者研究空氣幕在地鐵火災中的擋煙效果。吳振坤[2]通過數(shù)值模擬軟件FDS和全尺寸實驗對地鐵樓梯間空氣幕進行了研究，通過比對溫度、CO濃度、能見度的變化來研究其擋煙效果；黃仁武[3]通過數(shù)值模擬研究優(yōu)化空氣幕參數(shù)，并研究了空氣幕和排煙系統(tǒng)、補風系統(tǒng)相互作用下煙氣的控制效果；陳靜等[4]運用FDS研究了站廳送風和不同風速防煙空氣幕的擋煙效果，通過對比溫度、速度、能見度得到最佳的出口風速；陶浩文等[5]以廣州某地鐵站為例，研究了多火源情況下空氣幕參數(shù)對火災煙氣阻擋效果的影響；郭健翔等[6]通過FDS研究了空氣幕距擋煙垂壁及火源不同距離時的擋煙效果，得出最佳距離為0.5～1 m，火源位置對空氣幕擋煙性能影響不大；陶亮亮等[7]通過FDS研究了不同火源功率、空氣幕射流速度和射流角度下隧道內(nèi)縱向溫度、拱頂最高溫度及流場分布，得到了射流角度和射流風速對溫度影響的規(guī)律；王明年等[8]通過FDS建立全尺寸模型，研究了單吹式、吸吹式空氣幕在地下車站的擋煙效果。

上述研究多以地鐵站為對象，通過探討最佳風速來確定空氣幕的最佳參數(shù)設置，而未考慮臨界最小風速對空氣幕擋煙效果的影響，以及風速更大時不利于人員疏散且會造成不必要的能量損失。因此，本文以臨界最小風速為切入點，以合肥某地鐵站為研究對象，通過FDS數(shù)值模擬，研究地鐵站臺層起火時空氣幕的射流角度及射流風速對阻煙效果的影響，從而確定適宜的空氣幕參數(shù)設置范圍。

1 工程概況及模型的建立

1.1 工程概況

某地鐵站共有2層，長120 m，寬12 m，高12.5 m，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層(島式)，層高均為5 m。兩端設有控制室、衛(wèi)生間、辦公室等。站臺層兩端各有2個6.5 m×3 m出入口，站廳和站臺之間通過兩端的雙向樓梯以及中間的垂直電梯連接，樓梯寬度為5 m，樓梯側(cè)壁已封堵。

1.2 地鐵模型的建立

利用Pyrosim軟件建立1∶1地鐵站模型，地鐵站模型圖如圖1所示。其尺寸為120 m(長)×12 m(寬)×12.5 m(高)，火源設在站臺左側(cè)，距離風幕機10.5 m。風幕機設置在左側(cè)樓梯口的擋煙垂壁后0.5 m處，且擋煙垂壁下垂1.5 m。風幕機尺寸為5 m(長)×0.3 m(寬)×1 m(高)，底部為0.3 m×5 m的出風口。能見度切片及能見度測點、溫度測點位置如圖1(b)所示。

(a) 地鐵站全貌圖

模擬時，站廳的4個出入口為自然通風狀態(tài)，站臺屏蔽門及垂直電梯門為關閉狀態(tài)，設置初始環(huán)境溫度為20 ℃，壓力101.325 kPa，火源熱釋放速率設置為2 MW[2]。根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》(GB 50157—2013)，在地鐵站發(fā)生火災時，需在6 min內(nèi)將列車內(nèi)和站臺層的人員全部撤離站臺層，故將模擬時間設置為360 s，火源面積為1 m×1 m，火源為t2快速增長火，火災增長系數(shù)為0.046 89 kW/s2，到達最大熱釋放速率后穩(wěn)態(tài)燃燒直至360 s。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用火源特征直徑D*確定網(wǎng)格大小，根據(jù)文獻[9]的研究，選取網(wǎng)格尺寸為火源特征直徑的1/16～1/3，火源特征直徑計算公式：

(1)

式(1)中，Q為火源熱釋放速率(kW)；ρ∞為環(huán)境空氣密度，取ρ∞=1.2 kg/m3；Cp為空氣比熱容，取Cp=1 kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，取T∞=293 K；g為重力加速度，取g=9.81 m/s2。

因此，當Q=2 MW時，對應的網(wǎng)格范圍為0.08～0.42 m。網(wǎng)格越小，對計算機的硬件要求越高。綜合考慮，選定網(wǎng)格為0.25 m×0.25 m×0.25 m(網(wǎng)格數(shù)1 152 000個)。

1.4 模擬工況設置

空氣幕射流角度(α)為空氣幕的出風方向與空氣幕的豎直向下方向的夾角。設置空氣幕的射流寬度為0.3 m。在α=0°時，將射流風速設置為0～6 m/s，從而確定最小風速；再將射流風速設置為最小風速，調(diào)整α(0≤α≤30°，每次增加5°)，以確定適宜的射流角度。

2 模擬結果分析

通過觀察360 s時樓梯口的能見度及360 s內(nèi)的溫度變化，分析空氣幕阻煙效果?？紤]到人眼的特征高度為2 m，右側(cè)1 m處樓梯高度為0.45 m，故將熱電偶和能見度測點放置在空氣幕右側(cè)1 m、高2.5 m的位置，將能見度切片放置在空氣幕右側(cè)1 m處。

2.1 射流風速對擋煙效果的影響

該組模擬了當α=0°時，射流風速分別為0，2，3，4，5，6 m/s時，空氣幕的擋煙效果。α=0°時不同風速下樓梯口的能見度如圖2所示。

能見度/m

從圖2可以看出，當空氣幕未開啟(v=0 m/s)時，樓梯口上部能見度幾乎為0，中、下部位置能見度在12 m左右，由此可見煙氣通過擋煙垂壁后，主要從樓梯上部蔓延至站廳層，部分煙氣從樓梯中、下部蔓延至站廳層，導致站廳層存在大量煙氣，站廳層上部能見度在3 m左右；當開啟空氣幕(v=2 m/s)時，煙氣受風力干擾向下蔓延，煙氣從樓梯口的上、中部進入樓梯通道，上部能見度幾乎為0，下部能見度基本為30 m，站廳層上部能見度在7 m左右，明顯比未開啟空氣幕時好得多，可見空氣幕對煙氣的蔓延起到了阻礙作用；當v=3 m/s時，煙氣從樓梯口的上、中部蔓延至站廳層，上部能見度在4 m左右，中部大部分區(qū)域能見度為0，下部大部分區(qū)域能見度為30 m，站廳層中、下部能見度逐漸提高，中間能見度基本為30 m；當v=4 m/s時，煙氣受風力干擾向樓梯口中、下部蔓延，上部能見度在9 m左右，中、下部能見度幾乎為0；當v≥5 m/s時，樓梯口上部和中部的能見度基本在10 m左右，下部能見度幾乎為0，站廳層能見度基本大于15 m，可見進入站廳層的煙氣量變少。

α=0°時不同風速下樓梯口的能見度曲線如圖3所示。

圖3 α=0°時不同風速下樓梯口的能見度曲線

當v=0 m/s時，測點能見度約在125 s時出現(xiàn)下降，說明有煙氣進入樓梯，約在155 s時能見度開始快速下降,此時有大量煙氣進入樓梯通道，后能見度穩(wěn)定在7.5 m左右；當v=2 m/s時，煙氣延遲至150 s左右進入樓梯間，由于大量煙氣進入，能見度快速下降到3 m左右，后又快速上升，由于煙氣受風力干擾，能見度曲線一直處于上下起伏狀態(tài)，擋煙效果不佳；當v=3 m/s時，煙氣在175 s左右才進入樓梯間，由于測點處于樓梯中部位置，煙氣受風力干擾，上部煙氣向中部蔓延，能見度快速下降，后穩(wěn)定在2 m左右；當v=4 m/s時，約190 s時煙氣才進入樓梯間，煙氣主要從樓梯中、下部進入站廳層，能見度快速下降，后基本在7 m左右；當v=5 m/s時，約205 s時能見度開始下降，后總體在7.5 m左右，整體情況要優(yōu)于風速為4 m/s時；當風速為6 m/s時，約205 s時能見度出現(xiàn)下降，后能見度在9 m左右。

α=0°時不同風速下樓梯口的溫度如圖4所示。當空氣幕未開啟(v=0 m/s)時，在125 s左右，煙氣進入了樓梯間，大部分煙氣從樓梯口上部蔓延至站廳層，由于溫度測點處于站臺中部，故溫度并不高，溫度緩慢上升到26 ℃左右；當開啟空氣幕(v=2 m/s)時，煙氣延遲至150 s左右進入樓梯通道，受空氣幕影響，煙氣從樓梯口的上、中部進入樓梯通道，測點溫度最高上升到30 ℃，可見空氣幕有阻煙效果，但風速不足，阻煙效果較差；當v=3 m/s時，約在200 s前測點溫度緩慢上升，后大量煙氣進入，溫度快速上升，由于煙氣斷斷續(xù)續(xù)進入樓梯間，故溫度曲線上下起伏，后基本在35 ℃左右；當v=4 m/s時，測點溫度緩慢上升，后基本在27 ℃左右，部分煙氣進入樓梯，阻煙效果顯著提高；當v=5 m/s時，測點溫度緩慢上升，后穩(wěn)定在25 ℃左右；當v=6 m/s時，測點溫度緩慢上升，后穩(wěn)定在24 ℃左右，部分煙氣進入。由此可見，最小風速為4 m/s。

圖4 α=0°時不同風速下樓梯口的溫度

2.2 射流角度對擋煙效果的影響

該組模擬了當空氣幕射流寬度為0.3 m，空氣幕射流風速為4 m/s時，射流角度分別為0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°的擋煙效果。v=4 m/s時不同射流角度下樓梯口的能見度如圖5所示。

能見度/m

由圖5可知，當α=0°時，樓梯口上部能見度在9 m左右，中、下部能見度幾乎為0，部分煙氣進入樓梯；當α=5°時，樓梯口上、下部能見度在10 m左右，下部能見度在4 m左右，站廳層能見度顯著提高，但擋煙效果仍不佳；當α=10°時，樓梯口能見度大于15 m，站廳層能見度為30 m，僅有少量煙氣進入；當α=15°時，樓梯口及站廳層能見度為30 m，擋煙效果較好；當α=20°和25°時，樓梯口能見度基本為30 m，幾乎無煙氣進入；當α=30°時，樓梯口下部能見度明顯下降，進入的樓梯的煙氣越來越多。

v=4 m/s時不同射流角度下樓梯口的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 v=4 m/s時不同射流角度下樓梯口的溫度變化曲線

由圖6可知，當α=0°時，測點溫度一直在上升，最高大約在29 ℃，說明煙氣穿過風幕，不斷地進入樓梯通道；當α=5°時，在275 s前有少量煙氣進入，測點溫度緩慢上升到21.5 ℃左右，由于積蓄在擋煙垂壁前的煙氣越來越多，導致在275 s后部分煙氣穿過風幕，故測點溫度快速上升到25.5 ℃，后下降到24 ℃左右；當α=10°時，在255 s前溫度緩慢上升，之后有部分煙氣穿過風幕進入樓梯導致溫度快速上升,后穩(wěn)定在22.5 ℃左右；當α=15°和20°時，溫度緩慢上升后穩(wěn)定在21 ℃左右，說明僅有少量煙氣進入，擋煙效果較好；當α=25°時，約在290 s時上升到21.5 ℃，有少量煙氣進入樓梯，后由于進入樓梯的煙氣量變少溫度下降穩(wěn)定在21.3 ℃左右；當α=30°時，測點溫度緩慢上升后穩(wěn)定在21.8 ℃左右。

3 結論

為了空氣幕能有較好的阻煙效果，在空氣幕射流寬度為0.3 m時，宜將射流角度設置為15～25°，射流風速設置為4～6 m/s。射流角度過小時，在水平方向上風速太小不足以抵消煙氣的水平分量；當射流角度過大時，在豎直方向上的速度過小，不足以射到地面阻擋煙氣。在相同射流寬度條件下，射流風速越大，則所消耗的能量也就越多，造成能量損失且不利于人員的疏散，故風速適宜即可。