地鐵車站火災(zāi)煙氣的蔓延與控制

1、地鐵車站火災(zāi)煙氣的蔓延與控制 【摘 要】采用 FDS 計算模擬了北京地鐵某典型車站不同火災(zāi)狀況下的三維煙氣流場, 結(jié)果顯示, 當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在離出口樓梯間較近的站廳時, 煙囪效應(yīng)對煙氣控制起確定性的作用, 并且此時不需要機械排煙。當(dāng)站臺中部發(fā)生火災(zāi)時, 惟獨機械排煙和擋煙裝置協(xié)作使用才可以有效地控制煙氣。重點對出口通道能否滿意人員疏散時溫度、風(fēng)速、能見度的要求舉行了分析。 【關(guān)鍵詞】地鐵車站; FDS 模擬; 煙囪效應(yīng); 煙氣控制 1 引言 在地鐵火災(zāi)事故中，造成人員極大傷亡的主要緣由在于火災(zāi)煙氣控制系統(tǒng)沒能有效地控制煙氣擴散以及沒能有效地組織人員疏散。我國規(guī)范雖然對地鐵煙控系統(tǒng)有要求，但煙控系統(tǒng)

2、的有效性和經(jīng)濟性很難估計，因此運用性能化設(shè)計的思想，借助火災(zāi)研究領(lǐng)域得到較好應(yīng)用的 FDS (Fire DynamicsSimulator)模擬地鐵車站的三維煙氣流場，對地鐵車站火災(zāi)煙氣的擴散狀況及煙氣控制系統(tǒng)對煙氣的控制效果舉行研究，提出性能化的地鐵煙控系統(tǒng)模式。 2 模型建立 2.1 幾何模型 本文針對北京地鐵某典型車站的結(jié)構(gòu)形式，如圖 1 所示：下層的島式站臺通過兩端的樓梯與上層兩端的站廳銜接，一端站廳有一個出口 B 通道通向室外地面，另一端站廳有兩個出口 A、C 通道通向室外地面。出口 A、B 的通道截面均為 4m×3m，出口 C 的通道截面為 5m×3m。囫圇車站

3、長 163m，寬 22.5m，中部站臺高 7.8m，兩端站廳高3m。 銜接站臺和站廳的兩個樓梯上方的頂棚下設(shè)有1.5m 高 L 型的擋煙裝置 SBW (Smoke BlockingWall)，并各有兩個 1m×1m 的機械排煙口 SEG(SmokeEvacuateGate)。 2.2 數(shù)學(xué)模型 采用美國國家標準局(NIST)建造與火災(zāi)研究試驗室(BFIL)開辟的火災(zāi)動態(tài)模擬軟件 FDS4.06 舉行數(shù)值計算,基本方程如下1： 繼續(xù)方程： 采用混合分數(shù)燃燒模型和大渦湍流模型 LES(LargeEddySimulation),設(shè)定火源為穩(wěn)定庚烷火，熱釋放功率 5MW。 采用 LES 模型

4、允許的最大網(wǎng)格尺寸為火災(zāi)特征直徑 的 1/101,由前面條件設(shè)定得 D*=5.3m，故網(wǎng)格尺寸取 0.5m，為提高模擬精確度，火源和風(fēng)機處局部加密取 0.3m，囫圇車站計算區(qū)域的總網(wǎng)格數(shù)為 82236 個。 2.3 邊界條件 三個出口連通外界大氣，外界 1 個標準大氣壓，溫度 20。每個機械排煙口風(fēng)量 55m3/s。因為隧道中部的區(qū)間風(fēng)機離車站較遠，風(fēng)阻較大，有關(guān)實測其對站臺風(fēng)速一般小于 1m/s2,故忽視其對車站火災(zāi)煙氣的影響，另外也沒有考慮外部風(fēng)和列車活塞風(fēng)的影響。 2.4 有效性驗證 將惟獨左端兩個排煙口排煙時現(xiàn)場實測的各截面上風(fēng)速平均值與同樣工況下的 FDS模擬結(jié)果比較，如圖2所示，二

5、者相吻合，因此用FDS在上述設(shè)定條件下可以較好的反映火災(zāi)煙氣流場的真切狀況。 3 無機械排煙的模擬結(jié)果與分析 圖 3 圖 7 中,左邊為溫度標尺，單位；右邊為速度標尺，單位 m/s。中間分離是站廳層 H=1.5m 高度處，車站 中 軸 Y=11m 截 面 上 的 t=60s、180s、360s 時的煙氣 粒 子 分 布 和 溫 度 場 (temp)，速度場(vel)。溫度場中的黑點是用來顯示煙氣運動狀況的煙氣跟蹤粒子。其中 1.5m 為人眼特征高度3。 地鐵設(shè)計規(guī)范中要求6min內(nèi)將人員撤離站臺，因此重點研究了360s時能否滿意疏散要求的狀況。 如圖 3 圖 5 所示，火源分離設(shè)在左、右站廳和

6、中部站臺，研究在沒有任何機械排煙的狀況下，由火焰浮力作用、膨脹力作用和煙囪效應(yīng)驅(qū)動下的煙氣擴散狀況。 3.1 左站廳著火無機械排煙 圖 3 中，火源處火焰浮力羽流上沖，因為逼近墻壁，空氣只能從沒有墻壁的方向卷吸進入羽流，致使火焰向左側(cè)墻壁偏斜4；因為內(nèi)外溫度差導(dǎo)致密度差引起煙囪效應(yīng)4，煙氣粒子沿著墻壁從左站廳的出口B 排出，沒有蔓延到站臺中部，同時因為火焰羽流上部的膨脹作用和下部的卷吸作用，形成車站上層的向右氣流和車站下層的向左氣流，并通過右站廳兩出口 A 和 C 補氣，形成保證人員向右疏散的新鮮氣流。出口 A、C 的溫度、風(fēng)速徹低可以滿意疏散要求。 3.2 右站廳著火無機械排煙 圖 4 中，

7、火源處火焰浮力羽流上沖，同樣因為逼近墻壁，火焰向右側(cè)墻壁偏斜；因為煙囪效應(yīng)，大部分煙氣粒子沿著墻壁從右站廳的出口通道面積較小的出口 A 排出，沒有蔓延到站臺中部，同樣因為膨脹作用和卷吸作用，形成車站上層的向左氣流和車站下層的向右氣流，并通過左站廳出口 B 補氣，形成保證人員向左疏散的新鮮氣流。出口 B 的溫度、風(fēng)速徹低可以滿意疏散要求。 3.3 中部站臺著火無機械排煙 圖 5 中，火源處火焰浮力羽流豎直上沖，遇到頂棚產(chǎn)生射流，同時因為火焰羽流上部的膨脹作用和下部的卷吸作用，形成車站上層的流向兩端的氣流和車站下層的流向中間的氣流，但下層氣流速度較小，因為煙囪效應(yīng)，熱煙氣向兩端擴散，留意到大部分煙

8、氣粒子向惟獨一個出口的左廳擴散，在到達兩端的樓梯處發(fā)生沉降彌散，籠罩兩端樓梯和站廳，結(jié)合 圖 8，左 右 出 口 的 疏 散 路 徑 上 都 不 能 達 到NFPA130 中規(guī)定的溫度不超過 60能見度不低于10m 的要求5，阻擋人員疏散。 4 機械排煙的模擬結(jié)果與分析 由前面分析知中部站臺著火為最危急的情形，需要進一步研究。如圖6圖7所示，火源仍設(shè)在中部站臺，分離研究排煙風(fēng)機單獨排煙時和加裝擋煙裝置協(xié)作排煙風(fēng)機排煙時，對火災(zāi)煙氣擴散的控制效果。 4.1 中部站臺著火有機械排煙無擋煙裝置 圖 6 中，煙氣向兩端樓梯和站廳擴散，在樓梯處被排煙風(fēng)機排出，但因為三個出口補風(fēng)形成的氣流擾亂了樓梯處的煙

9、氣而造成彌散，籠罩樓梯和站廳，影響人員平安疏散。 4.2 中部站臺著火有機械排煙有擋煙裝置 圖 7 中，煙氣向兩端樓梯和站廳擴散，因為樓梯上方擋煙裝置有效的蓄煙和防止氣流擾動，使煙氣很好地被排煙風(fēng)機排出。排煙的同時，需要由三個出口補風(fēng)，正巧形成了延疏散通道經(jīng)銜接站廳站臺的樓梯至站臺中部的空氣流，既阻擋了煙氣隨意擴散，又保證了人員能迎著新鮮空氣疏散。左右出口的疏散路徑上的溫度、風(fēng)速可以滿意疏散要求，可以看到右端樓梯處風(fēng)速將近 3m/s。 4.3 有、無機械排煙的能見度對照 圖 8 中，右邊為能見度標尺，單位 m，中間分離是中部站臺著火有、無機械排煙時站廳層 H=1.5m高度處、車站中軸 Y=11

10、m 截面上的 t=300s 的能見度?？梢钥吹綗o機械排煙時兩端樓梯處和站廳的能見度很小，而有機械排煙和擋煙裝置時兩端樓梯處和站廳的能見度將近 30m，徹低能夠保證人員平安疏散5。 5 結(jié)論 5.1 無機械排煙 當(dāng)左、右站廳著火時，因為煙囪效應(yīng)，不需要機械排煙，就可以保證人員從另一端站廳平安疏散。當(dāng)中部站臺著火時，沒有機械排煙，人員將無法平安疏散。 火場煙氣顯然的分為兩層，即上層熱氣流層和下層冷氣流層。 煙囪效應(yīng)在地鐵車站中比較復(fù)雜，其影響因素主要是火源的位置和出口通道的面積：首先所有或大部分的煙氣將從距離最近、最先到達的出口排出，此時位置是主要的影響因素; 倘若在位置上沒有優(yōu)勢，煙氣將從出口通道面積較小的出口排出，面積成為主要影響因素。 5.2 機械排煙 排煙風(fēng)機單獨排煙，因為擾動很大，煙氣還會蔓延至站廳。 擋煙裝置協(xié)作排煙風(fēng)機排煙，擋煙裝置將煙