交叠型群洞车站站厅火灾排烟口相对位置排烟效果影响分析

王暨璇 郭健翔 孙晋飞 周紫涵

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院 山东青岛 266033； 2.山东省余热利用及节能装备重点实验室 山东青岛 266033； 3.青岛市新能源与节能技术重点实验室 山东青岛 266033)

0 引言

随着人口数量的增加，交通拥挤现象越来越严重，而地铁作为一种地下交通方式，有效地缓解了这一严峻问题。地铁深埋地下，空间密闭，结构较为复杂，而且人员集中，一旦发生火灾，站内温度升高较快且烟气扩散速度快，燃烧不充分产生CO等有毒气体使得人员疏散困难，因此，在火灾发生时做好防排烟工作，对于控制火灾的烟气蔓延和人员的疏散具有十分重要的现实意义。

众多学者对地铁火灾烟气流动特性以及防排烟模式进行了研究。如吴萍[1]研究了点式排烟模式下的隧道火灾烟气效果，得出一定风量下，增加排烟口面积及间距对增大排烟效率有一定作用，增加排烟口面积能减小烟气的纵向扩散长度；杜学胜等[2]研究了不同风速对区间隧道火灾烟气特性的影响，得出风速较大时，烟气分层现象消失，而且在相同火灾功率时，压入式通风临界风速略小于抽出式临界风速；蓝杰等[3]研究了风口个数对于人员安全疏散的影响；马砺等[4]对比分析了自然排烟、站台排烟、隧道风机辅助站台排烟3种模式在不同火源位置时烟气流动特性，得出在防止烟气向上蔓延时利用风机辅助排烟效果更好。以上研究主要以地铁车站为模型，研究火灾发生时排烟口间距、风速、面积对于烟气流动的影响，而对于排烟口相对于风管的位置研究较少，以及风口位置对于距火源不同距离处烟气影响没有具体模拟。基于以上研究，本文以青岛某交叠群洞地铁车站站台层为研究对象，利用Pyrosim火灾模拟软件建立了对应的1∶1尺寸的地铁物理模型，设置火源功率为10 MW，模拟了风口相对风管的不同位置和风口尺寸下的烟气流动，对不同时刻下人眼高度处的温度值、CO浓度值、可见度进行了数值模拟分析，得出最有利于人员完成安全疏散的排烟方式和风口尺寸。

1 地铁物理模型建立

1.1 地铁车站概况

研究对象是青岛市四号线岛式地铁车站，物理模型见图1，厅台竖向分离地下两层、局部三层分离岛式站台车站，为非标准站，站厅层公共区域长104 m，宽20 m，高8 m，站厅左侧区域是设备间，单独设立排烟系统，右侧为公共区域，站厅层两侧分布有左右楼梯，其中火源位置位于左侧楼梯口附近，楼梯设有挡烟垂壁，更好防止烟气蔓延至站厅层。

图1 地铁车站物理模型

1.2 Prosim火灾模拟理论基础

Prosim是在FDS的基础上发展而来，通过创建火灾模拟来预测火灾烟气流动，流体流动必然要遵循相关的物理守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。参数意义参考文献[5-6]。

(1)质量守恒方程

火灾作为流动的物体依旧满足自然界的质量守恒规律，根据质量守恒规律可以建立质量守恒方程。

(1)

(2)

(2)动量守恒方程

动量守恒定律是指流体动量相对时间的变化率与各外力之和。根据动量守恒定律，可以建立微元体守恒方程式。

(3)

(3)能量守恒方程

动力系统中存在能量交换时都需要满足能量守恒定律，在火灾微元体系统中，能量守恒指流体微元体的能力增加值等于进入微元体系统的热量净增加值和作用与微元体的力所做的功之和。

(4)

1.3 网格划分

空间求解计算以网格为单位，而网格划分的细密程度关系模拟数值的准确性，Prosim软件中提出网格计算公式为[5-9]

(5)

式中，D*为火源特征直径;Q为火灾功率；ρ为空气密度,1.2 kg/m3;cp为空气比热容;T为环境温度;g为重力加速度。

为了使结果精确而又方便计算，网格尺寸d=0.8,考虑局部区域网格加密设置。

1.4 地铁火灾参数设定

本次模拟是站厅火灾，考虑到火灾发生的多种原因以及参考相关的文献，火源热释放速率定为2.5 MW，燃烧面积为2 m×2 m。考虑最不利位置发生火灾的场景，因此将火源设置在左侧楼梯人数较多的位置，模拟时间设定为600 s,火源模型为t2快速火，站台火灾在230.9 s时达到峰值。

1.5 站厅排烟系统设定

地铁站厅排烟系统见图2所示。站厅层有效面积是1 910 m2，按照标准排烟量1 m3/(m2·min),计算站厅层总排烟量114 600 m3/(m2·h),排烟管设置于站厅层中央,高3.2 m，12个风口均匀布置于排烟管上，间距8 m。

图2 地铁站厅排烟系统

2 模拟场景设置

火源位置设置在左侧楼梯口附近，火灾发生时，烟气首先从左侧楼梯口向上蔓延至站厅层，影响人员疏散，分别设置5个工况进行烟气流动模拟，工况参数详细表1。

表1 工况模拟参数设置

3 数值模拟结果分析

本次模拟地铁站厅火灾，在人员的疏散过程中，环境的温度以及可见度、CO浓度等都是影响其疏散的重要因素，模拟了距离火源不同距离处的温度值，分别位于火源右侧，距离火源20,40 m，截取了200,300,400,500 s时刻人眼高度处的可见度和CO浓度分布云图，由规范设计标准可知，安全高度即人眼高度处温度应小于60 ℃，可见度在10 m以上，CO物质的量之比应低于2.25×10-4。

3.1 排烟口相对风管位置不同时温度、可见度和CO物质的量之比分布

3.1.1 温度分布

从图3可看出:①距离火源20 m时，3个工况下人眼高度处的温度均在60 ℃以下，甚至低于40 ℃，符合人员安全疏散的条件；②100 s之前温度基本维持在环境温度不变，270 s之前3个工况下温度差距较小，温差在2 ℃间；③360 s以后，工况一的温度分布明显低于其他两个工况，420 s时，工况三的温度是33.8 ℃，跟工况二温度接近，比工况一高约7 ℃，工况一更有利于人员完成安全疏散。

图3 距离火源20 m处人眼高度处温度分布

从图4可看出：①距离火源40 m时，3个工况下人眼高度处的温度均在60 ℃以下，甚至低于40 ℃，符合人员安全疏散的条件；②270 s前温度基本维持在环境温度不变，3个工况下温度差距较小，温差在1 ℃间；③300 s以后，3个工况下的温度差距逐渐变大，工况一温度最低，其次工况二，再次工况三，380，420 s时工况一和工况三的温差分别达到了8，10 ℃，工况一的温度远小于工况三。

图4 距离火源40 m处人眼高度处温度分布

3.1.2 可见度分布

从图5可看出：①3个工况中着火点周围可见度较低，均在10 m以下；②200 s时，3种工况下可见度分布相似，工况一可见度略高于其他工况，站厅左侧除火源位置可见度大于10 m，右侧可见度均大于18 m，此时，不会影响人员的安全逃生；③300 s时，3种工况下站厅最右侧区域可见度开始降到10 m以下，工况一的可见度在10 m以下的区域明显低于其他工况，而站厅中部，工况一的可见度明显高于其他两个工况；④500 s时，工况一站厅层大部分可见度均降到12 m以下，而工况三可见度基本降到8 m以下，影响人员的安全疏散。

(a)工况一 (b)工况二 (c)工况三

3.1.3 CO物质的量之比分布

从图6可看出：①3个工况中着火点周围CO物质的量之比较高，达到了6×10-4mol/mol；②200 s时，3个工况下CO物质的量之比分布相似，3个工况下站厅层的CO物质的量之比均在1.56×10-4mol/mol以下，符合人员安全疏散的要求，站厅右侧CO物质的量之比明显低于站台左侧；③300 s时，3个工况下，工况一除火源位置处，CO物质的量之比均在2.25×10-4mol/mol下，不影响人员的安全疏散，工况二和工况三在左侧和下侧壁面处CO物质的量之比达到了3×10-4mol/mol；④400 s时，工况一站厅层除火源和右侧壁面处CO物质的量之比较高外，其他区域CO物质的量之比均在2.25×10-4mol/mol下，而工况三站厅右侧区域三分之一的面积CO物质的量之比在3×10-4mol/mol以上，右侧壁面CO物质的量之比接近4.8×10-4mol/mol；500 s时，工况一站厅右侧区域除火源和右侧壁面处CO物质的量之比较高以外，其他部分均满足安全疏散要求，工况二站厅层右侧大部分区域CO物质的量之比在2.3×10-4mol/mol以上，而工况三站厅层右侧将近四分之一的区域CO物质的量之比在4.5×10-4～6×10-4mol/mol范围内。

(a)工况一 (b)工况二 (c)工况三

由以上分析可得：当排烟口位于风管底部时，火灾发生后，烟气从火源上方不断向上蔓延直至贴近上壁面，而后烟气层变厚，而排烟口在下方时由于烟气层较薄，使得大量空气被吸进排烟口，产生“吸穿”现象，同时加速了烟气的扩散，进而影响排烟效率，排烟口在风管上方时，风口下可聚集较厚的烟层，使得风口下的“吸穿”现象和气流扰动现象变轻，在距离火源40 m处，温度在180 s后开始变化，此前烟气还未扩散至此，排烟带走一部分空气中的热量，使得温度略微下降。

3.2 不同风口面积时温度、可见度和CO物质的量之比分布

工况一、四、五分别模拟排烟口位置相同，但尺寸不同的场景，此3个工况下，排烟口均位于排烟管顶部，风口尺寸面积分别为：0.8 m×0.8 m,0.5 m×0.5 m,1 m×1 m。

3.2.1 人眼高度2 m处温度分布

从图7可看出：①在距离火源20 m时，3个工况下人眼高度处的温度均在40 ℃以下，符合人员安全疏散的条件；②100 s前温度基本维持在环境温度20 ℃不变；③300 s以后，3个工况下的温度逐渐升高，但温度差距较小，没有明显的温度变化规律。

图7 距离火源20 m处不同尺寸风口温度分布

从图8可看出：①在距离火源40 m时，3个工况下人眼高度处的温度均在40 ℃以下，符合人员安全疏散的条件；②180 s前温度基本维持在环境温度20 ℃不变；③300 s以后，3个工况下的温度逐渐升高，但温度差距仍较小，没有明显的温度变化规律。

图8 距离火源40 m处不同尺寸风口温度分布

3.2.2 人眼高度2 m处可见度分布

从图9可看出：①3种工况下着火点周围可见度较低，均在在10 m以下；②200 s时，3个工况下可见度分布相似，工况五在站厅左侧略可见度高于其他两者，站厅左侧除火源位置可见度大于10 m，站厅右侧可见度大部分大于20 m，此时间内，不会影响人员的安全逃生；③300 s时，3个工况下站厅中部区域可见度高于两侧，工况一较好，但整体差距较小；④500 s时，3个工况下可见度差别较小，基本分布一致且在10 m以下。

(a)工况一 (b)工况四 (c)工况五

3.2.3 人眼高度2 m处CO物质的量之比分布

从图10可看出：①3个工况中着火点周围CO物质的量之比较高，达到了4×10-4mol/mol；②200 s时，3个工况下CO物质的量之比较低，均在5×10-5mol/mol以下，符合人员安全疏散的要求；③300 s时，3个工况下CO物质的量之比分布相似，除火源外均在右壁面处物质的量之比较高，在1.16×10-4mol/mol左右，差距较小，不影响人员的安全疏散；④500 s时，3个工况下站厅大部分区域CO物质的量之比均在2.25×10-4mol/mol以下，短时间内不会影响人员的安全疏散。

(a)工况一 (b)工况四 (c)工况五

由以上分析可得：排烟口面积为1 m2时，风速约为2.65 m/s；排烟口面积为0.64 m2时，此时风速约为4.14 m/s；排烟口面积为0.25 m2时，风速约为10.61 m/s,当排烟口均位于风管上部时，风口侧烟层厚度增加，减弱了烟气的“吸穿”现象，气流扰动现象变轻。因此，随面积的减小对于烟气流动影响减小，不同风口面积下的烟气流动相似。

4 结论

采用Pyrosim软件对地铁站厅层火灾烟气流动规律进行了数值模拟研究。研究设定条件下，360 s内，除火源附近温度、可见度、CO浓度不满足人员安全疏散条件外，其他区域温度均在60 ℃以下，基本满足疏散条件，不会明显影响人员安全疏散，为交叠型群洞车站排烟模式分析提供了一定的依据。

(1)对于大型的交叠型群洞车站，站厅火灾时，当排烟口布置于风管上部时，排烟效果最好，聚集在站厅顶部的高温烟气可以大量排出，使得烟气沉降速度减慢，低处区域烟气浓度较低，其次是排烟口位于风管侧部，当风口位于风管下部时排烟效果最差，且距离火源越远，效果差别越明显。

(2)在排烟量一定的条件下，排烟口面积在一定范围内增大时，对于烟气流动影响较小，温度变化规律不明显。排烟口面积相对较大时，会使得排烟速度相对较小，反之，会使得排烟速度加大，考虑有效面积系数，风速会略小于当前风速，符合规范要求，为考虑减少“吸穿”对于排烟效率的影响，可适当增大排烟口面积，减少烟气的扰动现象。