售票机的不同位置对地铁车站火灾烟气特性影响的CFD模拟＊

郦翀宇,韩 新,2,丛北华,2

(1.同济大学上海防灾减灾研究所,上海 200092;2.同济安泰工程防灾研发中心,上海 200032)

0 引言

社会经济的发展进步使人们的生活水平得到不断改善,对交通基础设施的需求也越来越高,国内外许多大中城市纷纷修建轨道交通。地铁在人们生产生活中发挥越来越重要作用的同时,其安全性便成为人们关注的焦点,而地铁车站的消防安全更是成为重中之重。尽管地铁车站火灾发生的概率较低,但一旦发生火灾事故,极易导致大量人员伤亡和财产损失,并造成极为恶劣的社会影响。

火灾发生时所产生的烟气、高温、缺氧是地铁车站火灾造成人员伤亡和财产损失的主要原因。此外,火源离疏散出口过近,使得附近温度较高,烟气浓度过大,从而导致疏散出口不可使用也是一个重要因素。因此,地铁车站空间的合理布局显得尤为重要。目前,对于地铁车站火灾烟气特性的研究,主要集中在通风方式以及排烟口布置等方面,对售票机火灾烟气特性的研究还比较少。为了分析售票机空间布局对火灾烟气特性的影响,并为实际工程提供可参考的依据,本文以某城市在建的地铁站站厅层为研究对象,基于FDS数值模拟方法,较为详细分析了售票机在不同位置情况下,距离疏散出口最近的售票机起火场景对温度、烟气浓度、能见度等火灾特性影响,并在此基础上,提出地铁车站售票机和疏散处口之间较为合理的距离。

1 物理模型

1.1 软件简介

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美国国家技术标准局(NIST National Institute of Standards and Technology)建筑火灾实验室(Building and Fire Research Laboratory)开发的基于场模拟的火灾模拟软件[1],该软件采用先进的大涡模拟技术,得到众多实例验证,在火灾安全工程领域应用广泛[2]。场模拟也称物理模拟,是基于火灾过程的质量、动量、能量和化学反应诸方面基本方程的一种高层次的复杂模拟[3]。

Pyrosim是在FDS的基础上发展起来的前处理软件,友好的可视化操作界面使得用户可以轻松的完成建模、边界条件设置、火源设置和燃烧材料设置等。在Pyrosim中完成建模后直接导出FDS文件,通过FDS模拟计算,得出温度、烟气浓度、能见度等烟气特性数据。

1.2 几何条件及火灾场景的设定

本文研究对象是某城市实际在建地铁车站站厅层,位于地下一层,面积5 948 m2,层高4 m,排烟系统采用自然排烟方式。由于考虑售票机的布置方位对火灾烟气特性的影响,因而假定离疏散出口最近的一台售票机起火,即将火源设置在离疏散出口最近的售票机处。本文按照售票机(火源中心)和疏散出口中心B之间距离分别为d=12 m、15 m、18 m、21 m四个火灾场景,其物理模型及火源位置如图1所示。

图1 某地铁车站站厅层物理模型及售票机火源位置示意图

由于火灾早期的发展与时间的平方成正比关系,因此通常称之为t2火灾,即Qf=αt2。在消防安全工程学中,这一计算方法常用于性能化防火设计中的火灾场景设计。美国消防协会标准NFPA 204M《排烟标准(Standard of Smoke and Heat Venting)》(2002年)中根据α的值定义了四种标准t2火灾,即慢速火、中速火、快速火和超快速火。根据对本文计算对象内可燃物——售票机的分析,设定火灾增长系数可取为快速火,α=0.047 kW/s2。

火灾在经历了早期的发展之后,将进入完全燃烧阶段,在这个阶段火灾的热释放速率将达到最大。对完全燃烧和后期衰减过程,一般假设水系统有效控火条件下最大热释放速率保持不变。分析售票机火源特性,保守的取火灾热释放速率峰值为2 MW,对应达到该最大热释放速率峰值的时间为206 s,火灾场景模拟时间为20 min(1 200 s)。

1.3 测点布置

按照地铁车站站厅层外形尺寸及内部布置情况建立数值计算模型,为更好的获取计算结果,在疏散出口与站厅层连接处距地面2 m高的水平面上从左往右依次布置A、B、C三个测温点,另外每个测温点处同时进行烟气浓度、能见度的测量,如图1所示。

2 FDS模拟结果与分析

通过对以上售票机中心与疏散出口中心距离分别为12 m、15 m、18 m、21 m四种工况的模拟计算,得出售票机在不同位置下地铁车站的烟气特性。本文截取900 s时各工况的温度、烟气浓度分布及可见度图,如图2,图3,图4所示。可以直观的看出售票机的位置对地铁车站站厅层火灾特性有一定的影响,虽然整个地铁车站站厅层温度、烟气浓度都尚未达到人体所能承受的最大限度,但从图中可以明显的看出,起火售票机距离疏散出口越近,在疏散出口附近的温度越高,烟气浓度越大,极大的影响了疏散出口的正常使用。对于可见度,在900 s时,整个站厅层的可见度大部分已低于10 m,在疏散出口附近同样是随着售票机与疏散出口距离的减少而降低,对人员安全疏散产生了隐患。

图2 900 s时各售票机火灾工况的温度示意图

图3 900 s时各售票机火灾工况的CO2浓度示意图

图4 900 s时各售票机火灾工况的可见度示意图

为更好的表达售票机和疏散出口距离与地铁车站烟气特性的关系,使得计算结果数据化,在疏散出口附近布置了A、B、C三个测点同时测量温度和烟气浓度,得出数据如图5所示。

图5 B测点温度、烟气浓度

从以上数据分析也可以得出和地铁车站温度场,烟气分布图和可见度图中相同的结论,即随着售票机和疏散出口距离越近,疏散出口附近的温度越高,烟气浓度越大,对安全疏散影响越大。从B测点温度和烟气浓度表中还可以看出,当售票机和疏散出口距离不小于15 m时,对疏散出口的影响将相对减弱。因此,根据上述分析,本文提出售票机与疏散出口之间的距离应该大于等于15 m为宜,以免售票机离疏散出口过近并因为线路故障起火而影响疏散出口的安全使用,造成人员伤亡和经济损失。

3 结论

本文以某城市实际在建地铁车站站厅层为研究对象,假定离疏散出口最近的售票机因线路故障起火,采用FDS软件对不同售票机位置情况下火灾特性进行模拟计算,考察不同售票机位置对地铁车站站厅层烟气特性的影响,通过分析图表和数据,得出以下结论:

(1)地铁车站的空间布局对火灾烟气特性影响较大,售票机是地铁车站中的必须设备,容易出现故障而起火,它的摆放位置合理与否将对人员安全疏散产生重大影响,因而在实际工程中需对售票机的布局经过数据论证后得出合理的布置方案。

(2)售票机离疏散出口越近,售票机起火后在疏散出口处的温度越高,烟气浓度越大,能见度越低,影响疏散出口的正常使用,对人员安全疏散产生隐患。

(3)模拟结果表明,当售票机和疏散出口之间的距离大于等于15 m后,离疏散出口最近的售票机起火对疏散出口处的烟气特性影响不大,相应位置的温度和烟气浓度变化也不是很大,因此,售票机和疏散出口处的距离以不小于15 m为宜。

[1] Kevin B McGrattan,Howard R Baum,Ronald G Rehm,et al.Fire Dynamics Simulator(Version 3)-Technical Reference Guide[C]//Technical Report NISTIR 6783,national Institute of Stands and Technology Gaithersburg,MD 20899,June 1997.

[2] D Madrzykowski,R L Verrori.Simulation of the dynamics of the Fire at 3144 Cherry Road NE,Washington,DC May 30,1999[C]//Technical Report NISTIR6510,National Institute of Standards and Technology Gaithersburg,MD 20899,April2000.

[3] 丛北华,廖光煊,韦亚星.计算机模拟在火灾科学与工程研究中的应用[J].防灾减灾工程学报,2003,23(2):63-69.

[4] 赵声萍,郑洁,仝庆贵,等.火源释热速率的实验研究[J].消防技术与产品信息,2002(12):35-38.