地铁站台火灾空气幕阻烟的模拟研究

程 鑫，卢 平，余 陶

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

随着城市快速发展，城市人口数量激增，导致城市交通堵塞情况越来越严重。地铁具有运量大、不拥挤、正点准时、安全舒适等特点，极大地缓解了城市地面交通的压力。

地铁站是相对封闭的环境，当发生火灾时，站内供氧不足，易发生不充分燃烧，从而产生大量CO，NOx等有毒气体[1]。近年来，越来越多的学者研究空气幕在地铁火灾中的挡烟效果。吴振坤[2]通过数值模拟软件FDS和全尺寸实验对地铁楼梯间空气幕进行了研究，通过比对温度、CO浓度、能见度的变化来研究其挡烟效果；黄仁武[3]通过数值模拟研究优化空气幕参数，并研究了空气幕和排烟系统、补风系统相互作用下烟气的控制效果；陈静等[4]运用FDS研究了站厅送风和不同风速防烟空气幕的挡烟效果，通过对比温度、速度、能见度得到最佳的出口风速；陶浩文等[5]以广州某地铁站为例，研究了多火源情况下空气幕参数对火灾烟气阻挡效果的影响；郭健翔等[6]通过FDS研究了空气幕距挡烟垂壁及火源不同距离时的挡烟效果，得出最佳距离为0.5～1 m，火源位置对空气幕挡烟性能影响不大；陶亮亮等[7]通过FDS研究了不同火源功率、空气幕射流速度和射流角度下隧道内纵向温度、拱顶最高温度及流场分布，得到了射流角度和射流风速对温度影响的规律；王明年等[8]通过FDS建立全尺寸模型，研究了单吹式、吸吹式空气幕在地下车站的挡烟效果。

上述研究多以地铁站为对象，通过探讨最佳风速来确定空气幕的最佳参数设置，而未考虑临界最小风速对空气幕挡烟效果的影响，以及风速更大时不利于人员疏散且会造成不必要的能量损失。因此，本文以临界最小风速为切入点，以合肥某地铁站为研究对象，通过FDS数值模拟，研究地铁站台层起火时空气幕的射流角度及射流风速对阻烟效果的影响，从而确定适宜的空气幕参数设置范围。

1 工程概况及模型的建立

1.1 工程概况

某地铁站共有2层，长120 m，宽12 m，高12.5 m，地下1层为站厅层，地下2层为站台层(岛式)，层高均为5 m。两端设有控制室、卫生间、办公室等。站台层两端各有2个6.5 m×3 m出入口，站厅和站台之间通过两端的双向楼梯以及中间的垂直电梯连接，楼梯宽度为5 m，楼梯侧壁已封堵。

1.2 地铁模型的建立

利用Pyrosim软件建立1∶1地铁站模型，地铁站模型图如图1所示。其尺寸为120 m(长)×12 m(宽)×12.5 m(高)，火源设在站台左侧，距离风幕机10.5 m。风幕机设置在左侧楼梯口的挡烟垂壁后0.5 m处，且挡烟垂壁下垂1.5 m。风幕机尺寸为5 m(长)×0.3 m(宽)×1 m(高)，底部为0.3 m×5 m的出风口。能见度切片及能见度测点、温度测点位置如图1(b)所示。

(a) 地铁站全貌图

模拟时，站厅的4个出入口为自然通风状态，站台屏蔽门及垂直电梯门为关闭状态，设置初始环境温度为20 ℃，压力101.325 kPa，火源热释放速率设置为2 MW[2]。根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)，在地铁站发生火灾时，需在6 min内将列车内和站台层的人员全部撤离站台层，故将模拟时间设置为360 s，火源面积为1 m×1 m，火源为t2快速增长火，火灾增长系数为0.046 89 kW/s2，到达最大热释放速率后稳态燃烧直至360 s。

1.3 网格划分

采用火源特征直径D*确定网格大小，根据文献[9]的研究，选取网格尺寸为火源特征直径的1/16～1/3，火源特征直径计算公式：

(1)

式(1)中，Q为火源热释放速率(kW)；ρ∞为环境空气密度，取ρ∞=1.2 kg/m3；Cp为空气比热容，取Cp=1 kJ/(kg·K)；T∞为环境空气温度，取T∞=293 K；g为重力加速度，取g=9.81 m/s2。

因此，当Q=2 MW时，对应的网格范围为0.08～0.42 m。网格越小，对计算机的硬件要求越高。综合考虑，选定网格为0.25 m×0.25 m×0.25 m(网格数1 152 000个)。

1.4 模拟工况设置

空气幕射流角度(α)为空气幕的出风方向与空气幕的竖直向下方向的夹角。设置空气幕的射流宽度为0.3 m。在α=0°时，将射流风速设置为0～6 m/s，从而确定最小风速；再将射流风速设置为最小风速，调整α(0≤α≤30°，每次增加5°)，以确定适宜的射流角度。

2 模拟结果分析

通过观察360 s时楼梯口的能见度及360 s内的温度变化，分析空气幕阻烟效果。考虑到人眼的特征高度为2 m，右侧1 m处楼梯高度为0.45 m，故将热电偶和能见度测点放置在空气幕右侧1 m、高2.5 m的位置，将能见度切片放置在空气幕右侧1 m处。

2.1 射流风速对挡烟效果的影响

该组模拟了当α=0°时，射流风速分别为0，2，3，4，5，6 m/s时，空气幕的挡烟效果。α=0°时不同风速下楼梯口的能见度如图2所示。

能见度/m

从图2可以看出，当空气幕未开启(v=0 m/s)时，楼梯口上部能见度几乎为0，中、下部位置能见度在12 m左右，由此可见烟气通过挡烟垂壁后，主要从楼梯上部蔓延至站厅层，部分烟气从楼梯中、下部蔓延至站厅层，导致站厅层存在大量烟气，站厅层上部能见度在3 m左右；当开启空气幕(v=2 m/s)时，烟气受风力干扰向下蔓延，烟气从楼梯口的上、中部进入楼梯通道，上部能见度几乎为0，下部能见度基本为30 m，站厅层上部能见度在7 m左右，明显比未开启空气幕时好得多，可见空气幕对烟气的蔓延起到了阻碍作用；当v=3 m/s时，烟气从楼梯口的上、中部蔓延至站厅层，上部能见度在4 m左右，中部大部分区域能见度为0，下部大部分区域能见度为30 m，站厅层中、下部能见度逐渐提高，中间能见度基本为30 m；当v=4 m/s时，烟气受风力干扰向楼梯口中、下部蔓延，上部能见度在9 m左右，中、下部能见度几乎为0；当v≥5 m/s时，楼梯口上部和中部的能见度基本在10 m左右，下部能见度几乎为0，站厅层能见度基本大于15 m，可见进入站厅层的烟气量变少。

α=0°时不同风速下楼梯口的能见度曲线如图3所示。

图3 α=0°时不同风速下楼梯口的能见度曲线

当v=0 m/s时，测点能见度约在125 s时出现下降，说明有烟气进入楼梯，约在155 s时能见度开始快速下降,此时有大量烟气进入楼梯通道，后能见度稳定在7.5 m左右；当v=2 m/s时，烟气延迟至150 s左右进入楼梯间，由于大量烟气进入，能见度快速下降到3 m左右，后又快速上升，由于烟气受风力干扰，能见度曲线一直处于上下起伏状态，挡烟效果不佳；当v=3 m/s时，烟气在175 s左右才进入楼梯间，由于测点处于楼梯中部位置，烟气受风力干扰，上部烟气向中部蔓延，能见度快速下降，后稳定在2 m左右；当v=4 m/s时，约190 s时烟气才进入楼梯间，烟气主要从楼梯中、下部进入站厅层，能见度快速下降，后基本在7 m左右；当v=5 m/s时，约205 s时能见度开始下降，后总体在7.5 m左右，整体情况要优于风速为4 m/s时；当风速为6 m/s时，约205 s时能见度出现下降，后能见度在9 m左右。

α=0°时不同风速下楼梯口的温度如图4所示。当空气幕未开启(v=0 m/s)时，在125 s左右，烟气进入了楼梯间，大部分烟气从楼梯口上部蔓延至站厅层，由于温度测点处于站台中部，故温度并不高，温度缓慢上升到26 ℃左右；当开启空气幕(v=2 m/s)时，烟气延迟至150 s左右进入楼梯通道，受空气幕影响，烟气从楼梯口的上、中部进入楼梯通道，测点温度最高上升到30 ℃，可见空气幕有阻烟效果，但风速不足，阻烟效果较差；当v=3 m/s时，约在200 s前测点温度缓慢上升，后大量烟气进入，温度快速上升，由于烟气断断续续进入楼梯间，故温度曲线上下起伏，后基本在35 ℃左右；当v=4 m/s时，测点温度缓慢上升，后基本在27 ℃左右，部分烟气进入楼梯，阻烟效果显著提高；当v=5 m/s时，测点温度缓慢上升，后稳定在25 ℃左右；当v=6 m/s时，测点温度缓慢上升，后稳定在24 ℃左右，部分烟气进入。由此可见，最小风速为4 m/s。

图4 α=0°时不同风速下楼梯口的温度

2.2 射流角度对挡烟效果的影响

该组模拟了当空气幕射流宽度为0.3 m，空气幕射流风速为4 m/s时，射流角度分别为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°的挡烟效果。v=4 m/s时不同射流角度下楼梯口的能见度如图5所示。

能见度/m

由图5可知，当α=0°时，楼梯口上部能见度在9 m左右，中、下部能见度几乎为0，部分烟气进入楼梯；当α=5°时，楼梯口上、下部能见度在10 m左右，下部能见度在4 m左右，站厅层能见度显著提高，但挡烟效果仍不佳；当α=10°时，楼梯口能见度大于15 m，站厅层能见度为30 m，仅有少量烟气进入；当α=15°时，楼梯口及站厅层能见度为30 m，挡烟效果较好；当α=20°和25°时，楼梯口能见度基本为30 m，几乎无烟气进入；当α=30°时，楼梯口下部能见度明显下降，进入的楼梯的烟气越来越多。

v=4 m/s时不同射流角度下楼梯口的温度变化曲线如图6所示。

图6 v=4 m/s时不同射流角度下楼梯口的温度变化曲线

由图6可知，当α=0°时，测点温度一直在上升，最高大约在29 ℃，说明烟气穿过风幕，不断地进入楼梯通道；当α=5°时，在275 s前有少量烟气进入，测点温度缓慢上升到21.5 ℃左右，由于积蓄在挡烟垂壁前的烟气越来越多，导致在275 s后部分烟气穿过风幕，故测点温度快速上升到25.5 ℃，后下降到24 ℃左右；当α=10°时，在255 s前温度缓慢上升，之后有部分烟气穿过风幕进入楼梯导致温度快速上升,后稳定在22.5 ℃左右；当α=15°和20°时，温度缓慢上升后稳定在21 ℃左右，说明仅有少量烟气进入，挡烟效果较好；当α=25°时，约在290 s时上升到21.5 ℃，有少量烟气进入楼梯，后由于进入楼梯的烟气量变少温度下降稳定在21.3 ℃左右；当α=30°时，测点温度缓慢上升后稳定在21.8 ℃左右。

3 结论

为了空气幕能有较好的阻烟效果，在空气幕射流宽度为0.3 m时，宜将射流角度设置为15～25°，射流风速设置为4～6 m/s。射流角度过小时，在水平方向上风速太小不足以抵消烟气的水平分量；当射流角度过大时，在竖直方向上的速度过小，不足以射到地面阻挡烟气。在相同射流宽度条件下，射流风速越大，则所消耗的能量也就越多，造成能量损失且不利于人员的疏散，故风速适宜即可。