排烟口对地铁隧道火灾机械排烟效果影响研究

江荷 朱常琳 李胜涛 邓信青

1 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院2 西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室

地铁火灾自地铁在诞生之日起就时有发生，火灾事故约占地铁事故总数的 57%，一旦发生，很容易演变为群体死亡和群体伤害，造成严重的人身伤害和财产损失。研究表明，在这些火灾中 85%以上的人员伤亡都是由火灾烟气引起的[1]。地铁火灾具有:烟气浓度高，氧气浓度低，排烟排热差，火灾救灾困难及人员疏散困难等特点。而这些特点同时也是火灾烟气控制的难点。如何控制好火灾烟气，减少救灾困难，降低疏散难度，已成为了国内外学者研究的热点问题。同时，我国现有规范，如《建筑设计防火规范》[2]、《地铁设计防火标准》[3]等都对建筑中的烟气控制方法做出了详细的规定，但对排烟口面积、长宽比等参数未进行明确规定，在实际工程中任意性较大，因此研究排烟口对排烟效果的影响对于制定排烟措施和确定相关设计参数具有一定指导意义。

1 数值模拟

1.1 物理模型

本文使用消防火灾烟气模拟软件 Pyrosim 进行建模，PyroSim 用于建立火灾模拟并准确预测和分析火灾中的烟雾运动，温度和有毒气体浓度。该软件可以建模并导入 FDS（Fire Dynamics Simulator）软件，该软件是由美国国家标准与技术研究院（NIST）建筑火灾研究实验室开发的用于火灾模拟的软件。它具有很强的针对性，可以获得详细的物理量的时空分布，并能清晰地反映火灾现象。选取某地铁区间隧道为原型，模型隧道长 150 m，断面尺寸为 6.4 m×4.8 m，地铁列车单节车厢几何尺寸为20 m×3 m×3.8 m，每节车厢8 扇门，高 2 m，宽 1.5 m。6 辆编组，长 120 m，列车距隧道底部0.4 m。如图1 所示。

图1 隧道物理模型图

1.2 火源设置

目前，国内大部分地铁车辆都是由新型不燃或阻燃材料组成。列车上的火灾是由乘客行李的燃烧和乘客舱内部材料的局部燃烧造成的[4]。香港新机场线地铁列车热释放速率已降至5 MW。此外，北京的地铁火灾热释放速率现在也按照5 MW 计算[5]。因此，该模拟火源的热释放率设定为5 MW。根据t2超快速火焰设定火焰增长，热释放率峰值时间为163 s。

1.3 网格尺寸

网格密度对数值模拟有重要影响。网格越细，模拟结果越准确，但模拟时间会增加。FDS（Fire Dynamics Simulator）指导手册中给出了确定网格的具体公式[6]：

式中：D*为火源特征直径，m；Q为火源热释放率，kW；ρ∞为大气环境空气密度，kg/m3；cp为空气定压比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

当网格采用0.1D*时，模拟结果更准确。在本文中，热释放率Q为5 MW，并且通过计算获得火源特征直径D*=2 m。网格尺寸d定为0.2 m×0.2 m×0.2 m。总网格数为576000 个。

1.4 计算模型

FDS 软件用于数值模拟，湍流模型为大涡模型，燃烧模型为混合分数模型，辐射模型是近似非散射灰体。采用有限体积法对辐射传输方程进行了分析和求解。模拟使用结构化网格，模拟计算时间为450 s。

1.5 初始条件和边界条件

1）隧道内的环境温度为20 ℃，压力为标准大气压101.325 kPa。

2）火灾发生在列车内部，假设列车不宜继续行驶至下一站，在隧道中部紧急停车，打开所有车门，并通过安全疏散平台疏散人员。

3）对烟气流动的分析没有考虑人员在隧道中运动的影响。

4）隧道一侧的端口设置为对外部环境开放，隧道的另一侧设置为速度边界条件。隧道主体材质为混凝土。考虑到地铁列车原型主要使用不燃材料制造，故将模型设置为惰性障碍物。

2 人员安全疏散标准

2.1 人眼特征高度层

一般公共场合发生火灾时，通常以人的平均身高1.7 m 作为人眼特征高度[7]。在实际隧道工程中，隧道内通常有一个疏散平台，高度为 1 m，期望的结果是能将危险区域控制在人员头部以上位置。因此，本研究将人眼特征高度设置为2.75 m。

2.2 人眼特征高度层安全标准

1）2.75 m 高度层温度不应超过60 ℃[8]。

2）2.75 m 高度层CO 体积分数不超过250 ppm[9]。

3）标准NFPA130 建议火灾逃生区域内的烟气能见度不应小于10 m。

2.3 顶棚高度层安全标准

研究表明，当人暴露于辐射热大于2.5 kW/m2中时，人体只能忍受极短的时间，并且热辐射将对人体造成致命伤害。经过计算，对应于2.5 kW/m2的辐射热量的烟气温度在180～200 ℃范围内[10]，因此，符合人员安全逃生要求的顶棚温度安全限值确定为180 ℃。

3 模拟结果分析

3.1 排烟口面积对排烟效果的影响

3.1.1 设计工况

地铁隧道发生火灾，烟气从排烟口排出，排烟口面积能直接影响隧道内的排烟质量。有研究[11]表明排烟口面积过小可能会出现烟气逃逸现象，排烟口面积过大则会出现顶棚温度过高现象，如今，投入使用的地铁隧道设计中排烟口面积为 4 m2比较普遍，但是《建筑设计防火规范》中并未明确规定，因此有必要针对不同排烟口面积进行数值模拟研究。现设置3 种工况，见表1。

表1 不同排烟口面积模拟工况

3.1.2 人眼特征高度层和顶棚温度分析

由图2、图 3 分别为排烟口面积为4 m2时距火源不同位置处的人眼特征高度温度、顶棚温度随时间变化的曲线，从图2、图 3 可以看出距离火源不同位置的温度变化趋势比较一致。距火源较近的位置，温度上升较快，且除距火源 0 m 处人眼特征高度层温度和顶棚温度在250 s 左右达到波峰，其它位置均在 360 s 左右人眼特征高度层温度、顶棚温度达到峰值。同时，根据有关规定，当车站发生火灾时，要求人员在 360 s 内完成安全疏散。综合考虑，火灾工况温度数据的采集点取火灾发生后360 s。

图2 距火源不同位置处的人眼特征高度温度随时间变化的曲线

图3 距火源不同位置处的顶棚温度随时间变化的曲线

图4 为t=360 s 时不同排烟口面积人眼特征高度层温度分布。从图 4 中可以看出，在排烟口面积分别为2.25 m2、4 m2、6.25 m2时温度变化趋势基本相同，火源附近温度较高，距火源距离增大，温度降低，且都能满足人员疏散安全标准。但仍能明显看出排烟口面积为6.25 m2时整体温度高于另外两工况。图 5 为t=360 s时不同排烟口面积顶棚温度分布。从图5 中可以看出排烟口面积为 6.25 m2时仍存在整体温度高于其他两种工况的情况，排烟口面积为 2.25 m2和 4 m2时顶棚温度基本相似，都能满足人员疏散标准。

图4 不同排烟口面积人眼特征高度层温度分布

图5 不同排烟口面积顶棚温度分布

3.1.3 人眼特征高度层CO 浓度分析

在火灾中，CO 是易引起人窒息死亡的燃烧产物之一，必须对其进行及时准确的检测，本次研究主要对人眼特征高度层 CO 浓度分布进行分析。图 6 为t=360 s 时不同排烟口面积人眼特征高度层 CO 浓度分布，明显可以看出排烟口为 6.25 m2时各测点CO 浓度均较高，在火源附近 10 m 区域排烟口面积为2.25 m2比排烟口面积为6.25 m2CO 浓度更高。

图6 不同排烟口面积人眼特征高度层CO 浓度分布

3.1.4 人眼特征高度层能见度分析

图7 为不同排烟口面积人眼特征高度层能见度分布云图，从图7 中可以看出，越靠近火源能见度越低，排烟口面积为6.25 m2时人眼高度层能见度最低，排烟口面积为4 m2能见度次之，排烟口面积为2.25 m2时人眼高度层能见度相对最高，但总体来看，三种工况火源附近能见度约为10～20 m，均能达到人员疏散安全标准。

图7 不同排烟口面积人眼特征高度层能见度分布云图

综上所述，相比排烟口面积为 6.25 m2和 2.25 m2，排烟口面积为4 m2时更利于人员进行疏散。

3.2 排烟口长宽比对排烟效果的影响

3.2.1 设计工况

在排烟口面积一定的情况下，不同的长宽比有不同的排烟效果。现设置3 种工况，见表2。各工况排烟口长宽比示意图见图8。

表2 不同排烟口长宽比模拟工况

图8 各工况排烟口长宽比示意图

3.2.2 人眼特征高度层和顶棚温度分析

图9 为不同排烟口长宽比人眼特征高度层温度分布，排烟口长宽比为4:1 时火源附近温度高于其他两种工况，排烟口长宽比1:1 和1:4 时温度变化趋势基本一致，甚至在离火源前后 10 m 处测点温度相同，但是在火源发生点排烟口长宽比为1:1 时明显较低。图 10为不同排烟口长宽比顶棚温度分布，从图 10 中可以看出，三种工况顶棚的温度变化趋势存在高度的一致性，但是可以看出排烟口长宽比为 1:4 时各测点数据均为最低。

图9 不同排烟口长宽比人眼特征高度层温度分布

图10 不同排烟口长宽比顶棚温度分布

3.2.3 人眼特征高度层CO 浓度分析

图11 为不同排烟口长宽比人眼特征高度层 CO浓度分布，可以看出排烟口长宽比1:1 时变化趋势更加平缓，能一直保持在较低水平，并且在火源附近也没有出现浓度相对较高的情况。

图11 不同排烟口长宽比人眼特征高度层CO 浓度分布

3.2.4 人眼特征高度层能见度分析

图12 为不同排烟口长宽比人眼特征高度层能见度分布云图，从图12 中可以看出排烟口长宽比为4:1和1:4 时能见度变化趋势基本一致，排烟口长宽比为1:1 时能见度20 m 以上的区域明显更大，更有利于人员疏散。

图12 不同排烟口长宽比人眼特征高度层能见度分布云图

综上所述，相比排烟口长宽比 4:1 和 1:4，排烟口长宽比为1:1 更利于人员进行疏散。

3.4 模型合理化分析

文献[12]建立了地铁区间隧道模型实验台，比例为 1:10，研究了火源强度为 5 MW 时，车厢中部着火且停靠在隧道中间时，半横向通风排烟的排烟效果,实验结果表明人眼特征高度层温度和顶棚温度分布趋势呈两边对称，在火源处达到峰值，在 20 m 范围内温度变化较快，20 m 以外温度变化相对较为平缓。这一变化趋势和数值模拟相似，从而验证了所建模型的合理性。

4 结论

本文采用FDS 建立全尺寸地铁隧道模型，并研究了火源强度为 5MW 的单线矩形区间隧道，列车中部着火且停靠在隧道中部时排烟口面积、排烟口长宽比对隧道排烟效果的影响，得出结论：

1）地铁中部发生火灾并停靠在隧道中部时，采用半横向排烟模式，隧道内人眼特征高度层温度，CO 浓度，能见度以及顶棚温度是对称分布的，通过研究排烟口各结构参数对排烟效果的影响，分析出更利于人员疏散的工况。

2）排烟口长宽比不变的情况下，排烟口面积为4 m2和排烟口面积为 2.25 m2各项参数具有较高相似度，但排烟口面积为4 m2时人眼特征高度层 CO 高浓度区域小于排烟口面积为2.25 m2。

3）在排烟口面积不变的情况下，排烟口长宽比1:1时顶棚温度高于长宽比 1:4，但均满足人员安全疏散标准，且排烟口长宽比 1:1 时人眼特征高度层 CO 浓度和能见度两方面具有明显优势。