火灾工况下地铁环控流场模拟分析研究

朱明亮 杨 双

(海军东海工程设计院，上海 200083)

0 引言

地铁作为现代文明的标志，为城市的发展创造了前所未有的机遇，地铁的建设在改善城市环境，缓解交通压力方面已经成为现代化城市的必备条件之一。在为城市提供出行便利的情况下，地铁作为如此大的人口密集的场所，安全运营保障市民的人身安全是最为关键的因素。地铁大部分是地下密闭空间，运营时需要地铁的通风系统保证地下空间的通风换气，特别是在火灾时，需要有效地排出烟气以利于人员疏散。因此，对地铁环控系统在火灾工况下开展分析研究，对地铁运行以及人员的安全都有着重大的意义。本项目结合某市地铁3号线的环控系统运行情况，分别对各地铁站的环控风机在火灾工况下运行频率、风量、风压和能耗进行了现场实测，对流场进行了计算机模拟分析，为环控系统故障诊断及运行管理提供了重要依据。

1 地铁环控风机流场现场测试

1.1 地铁环控系统介绍

该市地铁3号线的28个地下站站台均采用安全门系统，环控系统采用集成式系统，如图1所示。集成式空调系统中风系统通常分别设置在车站两侧的两个机房中，两侧的机组分别控制一半公共区的环境温湿度，与机组相应布置回排风机。站厅和站台分别设置送风管道和排风管道，区间设置送风口和排风口。

1.2 环控流场测试结果与分析

对新庄站、鸡鸣寺站、浮桥站和大行宫站的环控系统风机进行现场测试，测试工况分别为空调工况、区间隧道火灾工况和区间站台火灾工况。空调工况下送排风机均为正转，送风机频率为40 Hz，风量约180 000 m3/h，排风机频率为35 Hz，风量约144 000 m3/h；送排风机开启时，同时开启区间送风、站台送风和站厅送风。区间隧道火灾工况和区间站台火灾工况下送排风机的运行频率为50 Hz。

1.2.1区间隧道火灾工况流场

区间隧道火灾工况下，新庄站A端和B端风机和区间风口风量测试结果见表1，表2。从表1和表2中可以得到，新庄站区间隧道火灾工况下，风机风量几乎全部进入区间，且风量值未超过额定阈值。

表1 新庄站区间隧道火灾送风量

表2 新庄站区间隧道火灾排风量

1.2.2区间站台火灾工况流场

区间站台火灾工况下，新庄站A端和B端风机和区间风口风量测试结果见表3。从表3中可以得到，新庄站区间站台火灾工况下，风机风量与进入区间和站台的风量基本持平，未出现风量不平衡的异常现象。

2 CFD环控流场模拟

表3 新庄站区间站台火灾排风量

2.1 模型建立

选取新庄站、鸡鸣寺站、浮桥站和大行宫站4个站风机机房的土建参数和布局构造，构建出了相应的CFD几何模型。风机机房简化为长为23 m，宽为6.5 m，高为4.6 m的长方体。风机布置在机房的两端。送、排风口分为站台、区间和站厅，其中通往站台和区间的送、排风口位于风机机房的底部，通往站厅的送、排风口位于风机机房的侧面。本次模拟采用标准k-ε双方程模型。

2.2 环控流场模拟结果

2.2.1区间隧道火灾工况流场

发生区间隧道火灾，新庄站开启风机排烟时，模拟得到车站风机机房A，B端的排烟速度场：A，B端各机房内的流场类似，仅在各口部风速上存在差异。A端风机机房1在风机口处的排烟风速约为9.9 m/s，区间排烟口部的风速约为8.7 m/s；A端风机机房2在风机口处的排烟风速约为10.5 m/s，区间排烟口部的风速约为9.3 m/s；B端风机机房1在风机口处的排烟风速约为10.5 m/s，区间排烟口部的风速约为9.2 m/s；B端风机机房2在风机口处的排烟风速约为8.6 m/s，区间排烟口部的风速约为8.0 m/s。区间隧道火灾时，仅开启区间火灾风阀，区间隧道烟气只经过区间风阀进入风机房，其余风阀均关闭，相应部位的风速基本为0，形成“滞止区”。

利用Airpak对新庄站A端和B端机房各口部的风量进行统计，结果如表4所示。可以看出，各口部的风量与实测结果接近，风量基本平衡。

综上可以得到，风机流场稳定，机房内的风道走向设计与布局合理，并未出现涡流和影响排风效果的现象，且风机工作稳定，风量与风速符合要求。

表4 新庄站区间隧道火灾模拟排风量

2.2.2区间站台火灾工况流场

发生区间站台火灾，新庄站开启风机排烟时，模拟得到车站风机机房A，B端的排烟速度场：A，B端各机房内的流场类似，仅在各口部风速上存在差异。A端风机机房1在风机口处的排烟风速约为8.0 m/s，站台排烟口部的风速约为9.6 m/s，区间排烟口部的风速约为10.5 m/s；A端风机机房2在风机口处的排烟风速约为11.2 m/s，站台排烟口部的风速约为13.6 m/s，区间排烟口部的风速约为14.8 m/s；B端风机机房1在风机口处的排烟风速约为15.0 m/s，站台排烟口部的风速约为17.4 m/s，区间排烟口部的风速约为18.7 m/s；B端风机机房2在风机口处的排烟风速约为9.5 m/s，站台排烟口部的风速约为11.2 m/s，区间排烟口部的风速约为12.1 m/s。

利用Airpak对新庄站A端和B端机房各口部的风量进行统计，结果如表5所示。可以看出，各口部的风量与实测结果接近，风量基本平衡。

综上可以得到，风机流场稳定，机房内的风道走向设计与布局合理，并未出现涡流和影响送风效果的现象，且风机工作稳定，风量与风速符合要求。

表5 新庄站区间站台火灾模拟排风量

3 结语

本项目对某市地铁3号线28个地下站的环控系统特点进行分析，并选取新庄、鸡鸣寺、浮桥和大行宫4个地铁站风机流场作为主要研究对象，利用计算流体动力学和风机流动特性理论，建立了在火灾工况下的CFD风机流场模拟模型，并在火灾工况下，依据设计模式表进行现场实测，除了东大成贤学院站和泰冯路站外，其余各站所有的火灾工况时环控风机运行平稳，环控流场稳定，事故断面排烟风速均满足地铁设计规范要求，无风机烧毁现象。这为后期地铁的环控系统故障诊断以及制定合理高效的运行方案提供了重要的依据。