全高安全门地铁车站火灾时烟气流动特性的模型实验

杨英霞，陈 超，许 磊，康国青

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

全高安全门地铁车站火灾时烟气流动特性的模型实验

杨英霞，陈 超，许 磊，康国青

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

搭建了安装全高安全门系统的双层岛式地铁车站1∶8模型实验台，通过比例模型实验，重点研究了轨道区一端发生火灾，烟气在站台轨道区以及站台公共区的流动特性．结果表明，在火灾的增长阶段，如果机械排烟系统不开启，轨道区烟气会通过全高安全门顶端空隙扩散到站台公共区，并阻断距火源较近的楼梯口的疏散通道；当机械排烟系统开启时，烟气向站台公共区的扩散速度得到明显控制，但由于站台轨顶各排烟口排烟特性的不均匀性，远离排烟风机的火源附近，烟气通过全高安全门顶端空隙扩散到了站台公共区．如果能使各排烟口排风量均匀，则将提高控制烟气向站台公共区扩散的效果．

双层岛式地铁车站；全高安全门；站台轨道区火灾；烟气流动；模型实验

为了保证乘客的候车安全、提高乘客的候车环境质量，同时从空调节能的角度考虑，地铁车站站台屏蔽门和安全门逐渐被采用．对于安装了屏蔽门的地铁车站，屏蔽门将站台公共区和轨道区完全隔开，当地铁列车或站台发生火灾时，屏蔽门的开启将对烟气流动产生影响，国内外学者对此开展了相关研究[1-4].对于安装了安全门的地铁车站，站台公共区和轨道区部分隔开，目前国内外关于安全门对地铁车站火灾时烟气流动特性影响的研究鲜见报道．

为此，笔者采用模型实验的研究方法，以安装了全高安全门(高度2.5,m左右)系统的北京某新建双层岛式地铁车站为研究对象，重点研究轨道区地铁列车发生火灾时，全高安全门对车站内烟气扩散和沉降的影响规律，以及对机械排烟系统排烟性能的影响．

1 地铁车站火灾模型实验

1.1 模型实验台

搭建的全高安全门系统的双层岛式地铁车站模型实验台如图1所示．图2为模型实验台结构示意．模型实验台外围护结构采用双钢板制作，内夹高性能保温材料；安全门采用有机玻璃制作；站台层与站厅层采用聚苯乙烯板(厚度0.01,m)隔开．

图1 模型实验台示意Fig.1 Scale model of subway station

图2 模型实验台结构示意 (单位：cm)Fig.2 Structure of the scale model station (unit：cm)

根据现行设计方法，对于采用了全高安全门的地铁车站，在轨道区顶部设置排烟口(图2(a))，站台公共区火灾时，利用全高安全门顶端的空隙，排走烟气．轨道区火灾时，烟气直接经排烟口排除，利用全高安全门顶端的空隙补充新风，抑制烟气向站台公共区的扩散．

1.2 实验方案

考虑实验台的耐温性能以及地铁火灾的规模等因素，实验的火源采用电加热器(见图3)与发烟物质结合的方法．电加热器功率可以3档调节(6.9,kW、8.5,kW和16,kW)，电加热器从冷态到达稳定发热功率需要几分钟的预热时间；发烟物质采用影视烟饼(锯末、硫磺为其主要成分)，受热时将产生大量的乳白色烟气．本实验重点研究火灾发生的增长阶段(见图4)．实验时，点燃烟饼并同时开启电加热器，烟饼燃烧结束，加热停止．火源位于轨道区上行列车的尾部(见图5)．

图3 电加热器Fig.3 Electrical heater

图4 完整火灾模型曲线Fig.4 Full curve of fire model

机械排烟量的取值，是根据《地铁设计规范》[5]，即“站台火灾时的排烟量，应根据一个防烟分区的建筑面积按照1,m3/(m2·min)计算．”具体的实验方案见表1．表中test,4是根据站台建筑面积的设计排烟量，test,5是设计排烟量的1.2倍．

图5 站台公共区及轨道区温度测点布置 (单位：cm)Fig.5 Temperature measure points in platform and track area (unit：cm)

表1 实验方案Tab.1 Experiment scheme

1.3 数据采集系统

1) 温度

各温度测点布置如图5所示．即在站台中部和着火侧轨道区布置若干个T型热电偶．热电偶沿高度方向，距站台地面的距离分别为0.15,m、0.20,m、0.25,m,和0.35,m；数据采集周期为5,s．

2) 烟气层高度

采用热电偶法判断烟气层高度，热电偶出现温升时表明烟气填充到该高度位置[6]．

3) 排烟风机排风量

采用数字式交流变频调制器可对风机进行无级调速控制，可通过安装在送、排风管上的调节阀装置调节排烟口风门开度，以调节系统风量．排烟风机位于站台3、4出口侧．

1.4 模型与原型的相似性

根据相似理论，相似必须针对同一物理现象，地铁车站火灾的模型实验即满足这一要求．在此基础上，要实现两物理现象的相似，还必须满足几何相似、运动相似、力相似、热相似，以及初始条件与边界条件相似，在满足这些相似条件的前提下，原型和模型的对应参数大小成比例且方向相同，由各参数组成的同名无因次准则数相等，这样才能保证模型的实验结果可以推广到原型[7]．

地铁火灾时决定性准则为弗诺德数Fr与雷诺数Re．但实际上这2个准则数是很难同时满足的．地铁火灾时，由于火源对流换热(或机械排烟)的影响，烟气流动一般处于紊流状态，可以认为烟气进入了流动自模区，只需模型和原型的Fr相等，即可实现模型和原型相似．

式中：g为重力加速度，m/s2；l为特征长度，m；u为速度，m/s．

因此，作为地铁火灾烟气流动控制的相似模型研究，选用弗诺德模型律．根据得出各参数模型和原型的相似关系如下．

式中：t 为温度，℃；Q为火源热释放速率，kW；V为排烟体积流量，m3/s；τ为时间，s；脚标m和r分别代表模型和原型．

考虑到模型实验结果的科学性及经济性，参考美国NFPA推荐的几何比例尺取值，模型实验采用1∶8的几何比例尺．

2 模型实验结果及原型应用

2.1 自然排烟时的烟气流动特性

2.1.1 轨道区

1)烟气层高度

根据测试断面(点)烟气温度是否开始持续上升，判断烟气是否到达该断面(点)．图6所示的是test3时，轨道区各测点烟气温度的变化．可见，随着燃烧时间的延长，轨道区热电偶树TG1～TG5各测点(图6(a)～(c))烟气温度呈不断上升趋势，表征对应条件下对应测点的烟气量在增加；随着距离火源位置的变化，远离测点的烟气温度呈递减趋势，表征对应条件下对应测点的烟气量在减少．

当火灾发生后第180,s(原型508,s)时(图6(c))，TG1、TG2、TG3测点组中，距站台地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度的烟气温度比120,s(原型338,s)时有了较大幅度的上升，而在距站台地面0.15,m(原型1.2,m)和2.0,m(原型1.6,m)高度的烟气温度上升幅度仍然很小，说明120,s(原型338,s)之后烟气仍然主要积聚在距站台地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置．

由实验结果可知，距地面位置越近，烟气的温度越低，说明烟气层不断向下沉降．这样在烟气层界面上，存在一个与空气层之间 “掺混过渡层”，该区域接近环境空气温度，也属于“烟气层”，使得采用热电偶法判断的烟气层高度偏高．

2)烟气前锋扩散速度

图7为test,1～test,3时，轨道区距离站台地面0.35,m(原型2.8,m)处烟气前锋扩散到测试点位置的时间．可见，距离火源位置越远，烟气前锋到达的时间也越长，烟气扩散速度越小．原因是当机械排烟系统停止运行时，烟气的流动是受热浮升力驱动的自然流动．烟气距离火源水平距离越远，沿途卷吸周围的空气量也越多，导致烟气温度降低、密度增加；随着烟气与空气密度差的减小，浮升力也就越小，导致烟气前锋扩散速度减小．随着火源热释放速率的增加，烟气温度及浮升力也将增加，导致烟气的扩散速度增加．test,3的烟气扩散速度为0.05～0.15,m/s(原型0.14～0.42,m/s)，明显大于test,1和test,2．

根据图7实验结果，距离火源位置越远，温度开始升高需要的时间越长，说明烟气到达该位置的时间越长，烟气的扩散速度越来越慢．但当烟气温度较低时，烟气层界面与空气层之间的温差较小，使得采用热电偶法判断烟气前锋存在一定的误差．

图6 不同时刻站台轨道区烟气温度的变化Fig.6 Temperature change with time in track area

图7 站台轨道区烟气前锋扩散距离随时间的变化Fig.7 Change of smoke spread distance with time in track area

2.1.2 站台公共区烟气层高度

图8所示的是test,3时站台公共区各测点烟气温度随时间的变化．可见，随着燃烧时间的延长，公共区热电偶树T1～T6各测点烟气温度呈不断上升趋势，说明烟气通过全高安全门顶端空隙扩散到了站台公共区，并且烟气在站台顶棚下聚集．随着距离火源位置的变化，距离越远测点的烟气温度呈递减趋势，表征对应条件下对应测点的烟气量在减少．

当火灾发生后第180,s(原型508,s)时(图8(,c))，T,1～T,5测点组中，距站台地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度时，烟气温度比120,s(原型338,s)时有了较大幅度的上升，而在距站台地面0.15,m(原型1.2,m)和0.20,m(原型1.6,m)高度的烟气温度上升幅度仍然很小，说明120,s之后烟气仍然主要聚集在距站台地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置．

由上述分析可知，当站台轨道区发生火灾(模型实验火源热释放速率为16,kW(原型2.9,MW))且站台轨道区机械排烟系统停止运行时，在站台公共区人眼特征高度(1.5,m)处，虽不会受到烟气的威胁，但在通往站厅层楼梯口1(T2测点组)处距站台地面0.25,m(原型2.0,m)以上的高度位置已有大量烟气聚集，并不断地向站厅扩散，阻断了人员的疏散通道(见图9)．

图8 不同时刻站台公共区烟气温度的变化Fig.8 Temperature change with time in platform area

图9 机械排烟系统停止运行时烟气在车站内的扩散示意Fig.9 Smoke spread in station when the mechanical extraction system stops

因此，为了保证人员的安全疏散，有必要开启机械排烟系统．另外，根据烟气层高度随时间的变化规律，烟气层在火灾发生120,s(原型338,s)之前的沉降速度较快．为了避免烟气的迅速扩散和沉降，在火灾发生120,s(原型338 s)之前对烟气的有效控制是最有意义的．

2.2 机械排烟时的烟气流动特性

图10和图11为test,4和test,5实验条件下，第180,s(原型508 s)时轨道区和站台公共区的烟气温度随距离火源位置的变化．与图6(c)和图8(c)相比可见，机械排烟系统开启后，烟气的扩散得到了比较明显的控制．在轨道区，仅TG1测点组中，距站台地面0.35,m(原型2.8,m)的排烟口处有烟气流动，其他测试断面(点)几乎都没有烟气．在站台公共区，在T,1测点组处，仅有少量烟气的聚集；随着排烟量的增加，test,5条件下，T,1测点组距站台地面0.25,m(原型2.0,m)处的烟气量明显要少于test,4．

上述实验结果表明，对于全高安全门的地铁车站，轨道区的一端列车发生火灾时，为防止烟气向其他车厢部位扩散，应控制烟气的纵向扩散速度．通过合理设置轨顶排烟口的高度、位置及大小，形成合理有组织的垂直排烟气流，以迅速有效地排除火灾产生的烟气，抑制烟气通过全高安全门扩散到站台公共区．

另外，由图12可见，轨顶排烟管道的各排烟口的排烟风量如果不均匀，就有可能在全高安全门与顶棚间的空隙间形成不同的风压．显然，离排烟风机越近的风口，在全高安全门处形成的压差大，抵抗烟气侵入的能力越强；而较远的风口(靠近火源)处的风压差小，即抵抗烟气侵入的能力也小．因此，应通过合理的设计，以确保各排烟口的排烟风量的均匀性，使得距风机不同位置处的风口处形成的压差均匀，提高控制烟气扩散的能力．

图10 机械排烟时轨道区烟气温度随着距火源位置的变化Fig.10 Temperature change with the distance from fire in track area when mechanical extraction system runs

图11 机械排烟时站台公共区烟气温度随着距火源位置的变化Fig.11 Temperature change with the distance from fire in platform area when mechanical extraction system runs

图12 轨顶机械排烟系统开启时控制烟气流动的示意Fig.12 Control of smoke flow when mechanical extraction system runs

3 结 论

(1) 最大火源热释放速率为16,kW(原型2.9,MW)时，如果机械排烟系统不开启，在火灾的增长阶段，轨道区烟气将通过全高安全门顶端空隙扩散到站台公共区，并在距站台地面0.25,m(原型2.0,m)以上高度位置聚集，经连接站台层和站厅层的疏散楼梯不断地向站厅扩散．

(2) 最大火源热释放速率为16,kW(原型2.9 MW)时， 如果开启机械排烟系统，烟气通过全高安全门顶端空隙向站台公共区的扩散得到明显控制，但由于站台轨顶区各排烟风口排烟特性的不均匀性，使得远离排烟风机的火源附近，烟气通过全高安全门顶端空隙扩散到了站台公共区．对于轨顶机械排烟系统设计，如果能通过合理设计确保各排烟口的排风量均匀，将能够提高排烟风量的有效利用系数．

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Model Experiment on Smoke Flow Characteristics in Subway Station Fire with Full-High Security Doors

YANG Ying-xia，CHEN Chao，XU Lei，KANG Guo-qing
(College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

A 1∶8 scale model of a double-layer-island subway station with full-high security doors was built. Through model experiments，smoke flow characteristics in track and public areas were studied when fire broke out in one end of track area. The results show that，when the fire is at the growth stage，if the mechanical extraction system stops，the smoke in track area will diffuse to the public area through the space at the top of full-high security doors and blocks the evacuation path of stairway near the fire source. When the mechanical extraction system runs，the velocity of smoke diffusing to the public area can be controlled obviously. But due to the nonuniformity of extraction characteristics of vents in the track area，the smoke in the track area will overflow to the public area through the space at the top of full-high security doors near the fire source away from the fans. If smoke flow rates of vents are uniform，smoke will be well controlled from diffusing to the public area.

double-layer-island subway station；full-high security door；platform track area fire；smoke flow；model experiment

U231；X932

A

0493-2137(2010)12-1060-07

2009-06-25；

2009-10-12.

北京市科委博士论文资助项目(ZZ0740)．

杨英霞（1975— ），女，博士，yangyx_751119@163.com.

陈 超，chenchao@bjut.edu.cn.