新型排烟模式下地铁气流组织模拟研究

崔奇杰1，郑文科，何 峰1，蔡伟华，姜益强

(1．中国铁路设计集团有限公司 广东分公司，广东 深圳 518000；2．哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

改革开放四十年来，我国经济高速增长，城市化率已从改革开放初的20%飞速增长至目前的60%，同时机动车保有量也实现了迅猛增长，到2018年已达3.27亿辆，伴随而来的交通拥堵已经成为大中型城市亟需解决的难题。相对于汽车，公交等地面出行方式，地铁可以大大缓解交通拥堵，越发受到人们的重视。地铁地下车站人流密集，不易疏散，如果发生火灾，高温烟气会影响乘客的疏散安全，很容易造成人员伤亡，因此地铁车站需要采取有效的防排烟措施，保障地铁车站的人员安全。

目前国内外研究人员对地铁车站的防排烟系统设计已经做了很多研究。Zigh[1]对发生火灾后，地铁站内的温度与烟气分布情况开展模拟研究，并对比了不同的湍流模型对于计算效果的影响，发现k-e模型能够较好地仿真真实的气流组织。J.S. Roh[2]对火灾蔓延和人流疏散进行模拟，分析了防排烟系统对于火灾烟气蔓延的影响，发现站台门系统的布置能有效阻止火灾蔓延并有利于人流疏散。W.H.Park[3]采用FDS软件仿真了火灾发生时烟气在不同排烟系统下的扩散情况，并给出了最优的排烟方案。Sanchenz[4]使用FLUENT软件对标准回风，站台下排风以及顶道排风等在火灾发生时的气流组织情况开展研究，对比在典型通风形式下的烟气蔓延效果，并对地铁站的环控系统给出了最优设计方案。

梁晖[5]等总结前人的研究成果，提出综合利用隧道通风系统与机械排烟系统进行排烟的模式可以实现站台烟气有效排除。顾正洪[6]研究发现设置挡烟垂壁是防排烟设计中的有效方式，可以阻挡烟气，有利于人员疏散，但是对临界通风速度有一定影响。孟娜[7]通过实验与模拟的方法探究了在站台与站厅处设置挡烟垂壁对于火灾烟气的影响，并研究了不同烟气控制系统对于烟气扩散的影响，同时提出了较优的控制模式。

纪杰[8]通过研究发现当多层发生火灾时，同时开启起火层与上下层送风系统，有利提升排烟效果。钟茂华[9]通过研究发现，采用防烟分区的办法有利于控制烟气的扩散，并且在每个防烟分区应当采取全排烟的通风方式。田向亮[10]等设计了地铁换乘车站的全尺寸火灾实验，验证了地铁机械通风排烟系统可以有效引导烟气流动，抑制其扩散，并建议在设计地铁站时，充分考察自然风压与机械排烟与通风风压对于烟气蔓延的影响。篮杰[11]和李建[12]分别对排烟的吸穿现象以及排烟口形式进行研究，发现二者对于地铁站的排烟效率有一定影响。

尽管前人已经对地铁车站的通风排烟系统对烟气气流组织和控制措施的影响等进行了较多的研究，但由于《地铁设计防火标准》 GB51298-2018的施行对地铁站台排烟模式产生了较大影响，以往开站台门辅助站台公共区排烟的模式不再被允许，地铁站站台公共区需要采用新的排烟模式。

目前工程设计中推荐采用的替代方案是利用隧道排热风机接风管至公共区进行辅助排烟。本文采用数值模拟的方法针对此方案对车站进行了研究。首先验证站台公共区火灾时这种排烟方案能否满足站厅站台楼扶梯口部气流速度的规范要求。其后对辅助排烟口的不同位置的工况进行模拟计算，探究排烟口的位置分布对火灾时楼扶梯口部风速影响的具体规律。最终的结果可为实际工程中站台辅助排烟风管与排烟口的布置提供参考。

1 计算模型

1.1 几何模型

本文以某6A车站为参照，建立了简化的二层车站模型。车站为岛式车站，整体模型如图1所示。站厅层有三个气流入口，对应实际由地面进入站厅的三个出入口。站台层通过4部楼扶梯与站厅层进行连接。站台层在人员活动区上方设置有通风空调系统排风口，包括24个大系统排风兼排烟口，两侧布置有与隧道排热风机连接的8个排烟口。排热风机的风量为40 m3/s，全压650 Pa。整个车站模型的三维尺寸为180×19.55×8.15 m。截面1为竖直方向上经过4个楼梯出口的竖切面，截面2为水平方向上距排烟口0.1 m的横切面。

图1 地铁模型整体示意图

为减小楼扶梯口部截面积，考虑用防火玻璃对楼扶梯侧面进行封堵，且在楼扶梯口部上方设置挡烟垂壁。

1.2 物理模型与网格

模型前处理软件采用 ICEM。由于车站模型为几何尺寸巨大，采用非结构网格会导致的网格数目较多，不利于计算，且模型平面相接处网格质量较差。为保证计算精度与速度，因此本研究采用结构化网格。网格模型如图2所示。

图2 网格模型图

1.3 模型设置

本文模拟的是地铁车站内复杂的气流组织形式，考虑到排风口与排烟风机处气体流速较快，处于湍流状态，湍流模型采用k-ε模型。考虑到标准壁面函数良好的鲁棒性，近壁面处理方式选择标准壁面函数。车站A、B、C三个出入口设置为压力入口边界条件。排风口与排烟口设置为速度出口边界条件。数值离散格式及计算方法简述如下：压力梯度设置为PRESTO!格式，其他梯度项都设置为二阶迎风离散格式；控制方程组采用PISO算法进行数值计算。采用稳态计算，迭代13 000步，残差值控制到10-4。

1.4 网格独立性验证

为确保计算精度，进行了网格独立性分析验证。建立网格数分别为224826、515440、831754的车站模型，对排烟速度为6.944 m/s、排风速度为5.74 m/s条件下的工况进行模拟，模拟结果如图3所示。结果发现，网格数为515440与831754的模型在截面1与2上的速度云图分布更加接近，综合考虑计算要求，最终选择网格数目为515440的模型进行模拟。

图3 不同网格数目模型截面1与截面2速度分布云图

2 模拟分析及讨论

2.1 仅开启站台公共区排烟风机工况

首先考虑在站台发生火灾时，仅开启站台公共区机械排烟系统的方案。此种情况下，仅开启公共区排烟风机对站台进行排烟，空气在负压作用下通过车站三个出入口自然补入。对火灾工况下的地铁站内进行气流组织仿真，从左到右分别为1号至4号楼扶梯口。由图4可知，4个楼扶梯口的平面速度分布不均匀。1至3号楼扶梯口垂直平面在两侧有高速区，中间偏上部区域则为明显的低速区。4号楼扶梯口右侧流速较高，左侧有一定的低速区。各个出口平面的空气分布流速不同与楼扶梯所在位置以及结构有很大的相关性。同时可以看到2号楼扶梯出口出现速度最大值。

图4 仅开启站台公共区排烟风机模式下不同楼梯入口的速度云图

表1为正常工况下各楼扶梯口的气流速度。由表1可知2号楼扶梯口与其他楼扶梯口平均速度有较大差异。楼扶梯口2至4号的总风量接近。但是出口面1,3和4的平均风速远小于1.5 m/s，证明仅启动公共区排烟系统排烟风机无法满足《地铁设计防火标准》GB51298-2018中排烟时站厅到站台的楼扶梯口向下气流不小于1.5 m/s的要求[13]，需要加大站台排烟量，以满足发生火灾时各楼扶梯口对于隔绝烟气的需要。

表1正常工况下各楼扶梯口的气流速度分布情况

楼扶梯口名称楼扶梯口1楼扶梯口2楼扶梯口3楼扶梯口4出口宽度/m3.82.84.74.1口部面积10.267.5612.6911.07口部面平均流速/m·s-10.831.520.911.02口部流量/m3·s-18.5211.4911.4511.934

2.2 隧道排热风机接风管至公共区辅助排烟工况

考虑用排热风机接排烟管至站台辅助排烟，根据实际工程中辅助排烟风管可能设置的位置，设置三种排烟口设置方案，如图5所示。对火灾工况下辅助排烟风管上三种排烟口位置方案的气流组织开展仿真研究。以方案 A为例，各楼扶梯口的速度分布云图如图6所示，可知各楼扶梯口速度分布情况均体现为上部风速较小，下部风速较大，但具体分布情况有显著不同。而且2号楼扶梯口平面出口风速最大，局部最大风速可达6 m/s以上。对三种不同排烟口布置方案条件下楼扶梯口风速取平均，如表2所示。可知三种方案条件下，各楼扶梯口的向下气流速度均大于1.5 m/s，能够满足规范要求。

图5 三种方案的排烟口分布形式

图6 排热风机连接辅助排烟管形式下不同楼梯入口的速度云图

表2不同排烟风口位置方案各楼扶梯口的速度分布情况

楼扶梯口名称楼扶梯口1楼扶梯口2楼扶梯口3楼扶梯口4方案A口部平均流速/m·s-12.414.902.993.21方案A口部流量/m3·s-124.7337.0437.9435.53方案B口部平均流速/m·s-12.674.912.503.39方案B口部流量/m3·s-127.437.1131.7337.53方案C口部平均流速/m·s-12.965.442.662.73方案C口部流量/m3·s-130.9839.4933.7630.22

3 结论

本文建立了地铁车站仿真模型，针对《地铁设计防火标准》GB51298-2018施行后地铁站台火灾工况下无法开启站台门辅助排烟的情况，考虑用隧道排热风机接风管至公共区进行辅助排烟，并设计了不同的排烟口位置方案，对地铁站内的气流组织进行研究，分析辅助排烟口位置对地铁火灾工况下站厅站台楼扶梯口部气流速度的影响，得到了如下结论：

(1)由于结构参数的不同以及楼梯布置位置的影响，地铁站内各楼扶梯口的风速各不相同，各出口平面速度分布并不均匀。

(2)利用隧道排热风机辅助站台公共区排烟时，各个方案下各楼扶梯口部空气流速都可以达到规范大于1.5 m/s的要求，2号楼扶梯口始终拥有最大风速。

(3)对比三种辅助排烟口布置形式，方案B中各楼扶梯口风速的最小值大于方案A，最大值小于方案C，因此方案B可作为隧道排热风机连接辅助排烟风管上排烟口布置的优选方案。