王太晟 王雪穎 林曉巍 姜 昕 張琳英 王麗慧

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，200093，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

地鐵站臺火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的鹽水模型試驗(yàn)研究*

王太晟 王雪穎 林曉巍 姜 昕 張琳英 王麗慧

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，200093，上海∥第一作者，碩士研究生）

為獲得地鐵火災(zāi)煙氣在有活塞風(fēng)和無活塞風(fēng)影響下的擴(kuò)散規(guī)律，在滿足相似準(zhǔn)則的情況下，搭建地鐵站臺液體縮尺模型試驗(yàn)臺。用帶顏色的水模擬火災(zāi)煙氣，在獲得煙氣擴(kuò)散現(xiàn)象的同時(shí)，測出煙氣在典型位置處的流速分布與變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，火源強(qiáng)度為1.5 k W時(shí)，無活塞風(fēng)作用下，煙氣要充滿182 m×12 m×4 m的站臺需180 s，乘客有120 s的時(shí)間從左、右樓梯疏散；有活塞風(fēng)時(shí)煙氣充滿站臺只需30 s，乘客僅有25 s從右側(cè)樓梯逃生。

地鐵站臺；液體縮尺模型試驗(yàn)臺；火災(zāi)煙氣擴(kuò)散

Author's address School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，200093，Shanghai，China

火災(zāi)防排煙是地鐵安全運(yùn)行的重要方面，認(rèn)識地鐵火災(zāi)煙氣流動規(guī)律并采取合理的防排煙控制措施和乘客疏散方案，是減小地鐵火災(zāi)危害的關(guān)鍵所在。研究受限空間下活塞風(fēng)對火災(zāi)煙氣運(yùn)動影響的手段主要有3種，即全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)、小尺寸模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。全尺寸實(shí)體試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，較難在正常運(yùn)營的地鐵車站進(jìn)行。數(shù)值模擬研究結(jié)果受限于計(jì)算機(jī)軟件邊界條件的設(shè)定，需其他研究手段加以驗(yàn)證。鹽水試驗(yàn)相對于數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測［1-2］具有過程直觀、可重復(fù)性好、花費(fèi)較低、可再現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外火災(zāi)研究中應(yīng)用廣泛［3-4］?，F(xiàn)有研究對受限空間下煙氣的運(yùn)動特性和采用鹽水試驗(yàn)?zāi)M煙氣運(yùn)動的可行性進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)測［5-6］，文獻(xiàn)［7］驗(yàn)證了利用鹽水試驗(yàn)?zāi)M煙氣運(yùn)動的可行性和準(zhǔn)確性；文獻(xiàn)［8-9］對煙氣羽流的鹽水模型進(jìn)行了討論。然而，若站臺發(fā)生火災(zāi)，行駛中的列車只能加速通過此站臺把乘客安全輸送到下一站臺，此時(shí)列車行進(jìn)所引起的活塞風(fēng)勢必會對站臺煙氣的擴(kuò)散帶來很大影響，關(guān)于這方面的研究尚未見報(bào)道。因此，利用液體縮尺模型試驗(yàn)臺研究活塞風(fēng)對站臺煙氣擴(kuò)散的影響規(guī)律，進(jìn)而采取針對性的防排煙措施和乘客疏散方式，是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的基礎(chǔ)性研究工作。

1　試驗(yàn)臺及試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)原理與相似準(zhǔn)則

在受限空間內(nèi)，由低強(qiáng)度火源引發(fā)的煙氣受浮力作用，形成煙羽流和頂篷射流。鹽水在清水中的運(yùn)動受重力作用，形成重力流和底部射流。若兩種流動滿足流體力學(xué)相似性原理，便可以用鹽水縮尺模型試驗(yàn)臺模擬地鐵火災(zāi)的煙氣運(yùn)動狀況：以鹽水的重力流模擬煙氣羽流，以鹽水沿試驗(yàn)臺底部的水平流動模擬煙氣的頂篷射流，以清水模擬周圍的冷空氣環(huán)境。由于試驗(yàn)臺幾何尺寸和流動介質(zhì)等與實(shí)際地鐵站臺有較大變化，要滿足兩者的動力相似，要求主要力的對應(yīng)準(zhǔn)則數(shù)在一定范圍內(nèi)近似相等。在用鹽水試驗(yàn)?zāi)M煙氣擴(kuò)散的可行性和準(zhǔn)確性方面，麻柏坤、張和平等人做過大量的理論推導(dǎo)，具體的研究過程可參閱文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［10］。

本試驗(yàn)著重研究地鐵火災(zāi)煙氣在有、無活塞風(fēng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象及速度場的變化規(guī)律，并未涉及溫度場。因此，影響兩種流動狀態(tài)動力相似的準(zhǔn)則數(shù)主要有：反應(yīng)源強(qiáng)分布的G、弗勞德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Re，以及表征煙氣和鹽水流動特性的普朗特?cái)?shù)Pr和施密特?cái)?shù)Sc。G為空間體積與源體積之比。本試驗(yàn)臺只在中間位置處有一個(gè)鹽源，故在火焰區(qū)以外的其他空間不必考慮源強(qiáng)分布，只模擬火源的空間位置并根據(jù)火源強(qiáng)度確定特征速度即可。Fr為慣性力與重力之比，在模擬煙氣的頂篷射流時(shí)應(yīng)著重考慮。Pr和Sc用來反應(yīng)煙氣擴(kuò)散的溫度場與鹽水?dāng)U散的濃度場的相似特性，在試驗(yàn)中雷諾數(shù)為104量級，流動處于湍流狀態(tài)，此時(shí)Pr（煙氣）≈Sc（鹽水）。這樣，決定兩種流動狀態(tài)相似的準(zhǔn)則數(shù)便只剩Re。此次試驗(yàn)?zāi)M火源強(qiáng)度為1.5 k W，對應(yīng)鹽水的質(zhì)量流量為0.02 kg/s時(shí)的煙氣運(yùn)動情況，由相似原理可得出各相似準(zhǔn)則數(shù)如表1所示。由表1知，兩種流動的Fr相差不大且遠(yuǎn)小于1，故可滿足此準(zhǔn)則；兩者雷諾數(shù)處于同一數(shù)量級，且差值在可接受范圍內(nèi)，并不會對鹽水模擬的有效性產(chǎn)生太大影響。所以，完全可以用鹽水試驗(yàn)?zāi)M煙氣的運(yùn)動過程。

表1　站臺原型與縮尺模型各相似準(zhǔn)則數(shù)對照表

本試驗(yàn)所模擬的活塞風(fēng)最大風(fēng)速為4 m/s，此時(shí)模型試驗(yàn)臺隧道入口處的Re遠(yuǎn)大于50 000，流動處于自模區(qū)。即只需原型與模型滿足幾何相似，便可實(shí)現(xiàn)其在速度分布上的相似，達(dá)到用模型試驗(yàn)臺模擬實(shí)際中4 m/s活塞風(fēng)的目的。

1.2試驗(yàn)臺簡介

本試驗(yàn)通過搭建地鐵站臺液體縮尺模型試驗(yàn)臺，以液體代替氣體模擬地鐵火災(zāi)煙氣在活塞風(fēng)影響下的運(yùn)動特性。液體模型試驗(yàn)臺以上海軌道交通2號線南京西路站為原型，幾何比例尺為1：16。原型和模型的幾何尺寸對應(yīng)見表2。試驗(yàn)臺原理圖如圖1所示，實(shí)體照片如圖2所示。

表2　站臺原型與縮尺模型尺寸對照表

圖1　試驗(yàn)臺原理圖

圖2　試驗(yàn)臺實(shí)體照片

1.3試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分為有4 m/s活塞風(fēng)和無活塞風(fēng)兩種工況。當(dāng)火源強(qiáng)度為1.5 k W時(shí)，根據(jù)Re相似求得鹽水的特征流速，再由特征流速反推得到鹽水的質(zhì)量流量，進(jìn)而求得鹽水的各參數(shù)如表3所示。

表3　鹽水參數(shù)表

為了清楚地獲得火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散現(xiàn)象，用品紅染色劑將用來模擬煙氣的鹽水染成紅色，并用攝像機(jī)全程記錄下煙氣的整個(gè)擴(kuò)散過程。試驗(yàn)中，在樓梯口、鹽源下方布置速度測點(diǎn)1、2。其中，速度探頭1垂直于豎直方向，探頭2垂直于水平方向。測點(diǎn)位置如圖3所示。利用精度為1 cm/s的LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀，每5 s采集一次數(shù)據(jù)，以獲得兩測點(diǎn)的煙氣擴(kuò)散速度。

圖3　模型試驗(yàn)臺測點(diǎn)布置圖

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)錄像可清楚地觀察到地鐵火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散過程，比較有、無活塞風(fēng)時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)一步得到煙氣在兩種工況下的擴(kuò)散規(guī)律。

2.1無活塞風(fēng)時(shí)煙氣擴(kuò)散現(xiàn)象

在0 min 02 s時(shí)刻，模擬煙羽流到達(dá)試驗(yàn)臺底部。如圖4所示，注入的煙羽流很快發(fā)展為湍流狀，只有鹽源入口處的一小段煙氣呈層流狀。并且隨著模擬煙羽流的向下流動，能發(fā)現(xiàn)明顯的大的渦旋結(jié)構(gòu)。這與實(shí)際當(dāng)中的煙羽流運(yùn)動特點(diǎn)一致。

圖4　2 s時(shí)刻煙羽流試驗(yàn)圖

在0 min 36 s時(shí)刻，模擬煙羽流到達(dá)試驗(yàn)臺底部后以煙羽流中心線與試驗(yàn)臺底部交點(diǎn)為中心沿下底面向四周擴(kuò)散，由于受底面和周圍流體的粘性力作用，煙氣流速會減慢。當(dāng)煙氣到達(dá)左右壁之后沿壁上升，受重力及粘性力作用，煙氣動量逐漸減小至零。隨后煙氣在重力和密度差的影響下向斜下方折返，在試驗(yàn)臺左、右部分別形成渦旋。試驗(yàn)現(xiàn)象及原理如圖5和圖6所示。

圖5　36 s時(shí)刻煙羽流試驗(yàn)圖

圖6　36 s時(shí)刻煙氣運(yùn)動原理圖

隨著煙氣的不斷注入和試驗(yàn)臺左右部煙氣的折返，煙氣層厚度逐漸趨于均勻。圖7為1 min 28 s時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象，此時(shí)煙層厚度約為10 cm，可見煙氣與清水之間有較為清晰的分界面。隨后，鹽水不斷注入，分界面逐漸上升，直至煙氣充滿整個(gè)試驗(yàn)臺。

圖7　88 s時(shí)刻煙羽流試驗(yàn)圖

由圖4～圖7可見，在火源強(qiáng)度為1.5 k W，站臺尺寸為182 m×12 m×4 m的實(shí)際火災(zāi)中，無活塞風(fēng)作用時(shí)煙氣的擴(kuò)散規(guī)律為：火災(zāi)發(fā)生，煙羽流2 s后到達(dá)站臺頂部，形成頂篷射流向四周擴(kuò)散，15 s后到達(dá)壁面；煙氣沿壁面下降2 m后向斜上方折返；隨后煙層趨于均勻，厚度逐漸增加，直至充滿站臺。從火災(zāi)發(fā)生到煙氣擴(kuò)散至離地面1.8 m高度處約需120 s，此前在人員活動高度下幾乎沒有煙氣，可組織人員從左右樓梯疏散逃生。180 s后煙氣充滿整個(gè)站臺。

2.2有活塞風(fēng)時(shí)煙氣的擴(kuò)散現(xiàn)象

地鐵站臺火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散受活塞風(fēng)的影響巨大，在探究煙氣擴(kuò)散現(xiàn)象和速度場變化規(guī)律之前，應(yīng)首先明確地鐵活塞風(fēng)的風(fēng)速變化規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，地鐵活塞風(fēng)的風(fēng)速變化呈圖8所示規(guī)律。

圖8　地鐵活塞風(fēng)風(fēng)速變化

有活塞風(fēng)時(shí)試驗(yàn)初始階段現(xiàn)象與無活塞風(fēng)時(shí)一致，模擬煙羽流到達(dá)試驗(yàn)臺底部后，形成水平射流向四周擴(kuò)散?；钊L(fēng)在0 min 08 s開始作用，如圖9所示，流向試驗(yàn)臺后部的水平射流并未受到影響，而流向試驗(yàn)臺前部的水平射流有一部分受活塞風(fēng)吸卷作用向左上部蔓延，另一部分仍然沿下底面向右壁運(yùn)動；且在活塞風(fēng)作用下煙羽流能更快地發(fā)展為湍流（由圖9可看出，無活塞風(fēng)作用時(shí)鹽源入口處的一小段呈層流狀的煙氣已發(fā)展成湍流狀）。

圖9　煙羽流試驗(yàn)圖（8 s時(shí)刻）

水平射流繼續(xù)運(yùn)動，到達(dá)右壁后沿壁面攀升；而試驗(yàn)臺右部被吸卷起來的煙氣被活塞風(fēng)吹到左部。圖10為0 min 18 s時(shí)煙氣的擴(kuò)散現(xiàn)象。此時(shí)試驗(yàn)臺左部已充滿煙氣但濃度并不太高。煙羽流被活塞風(fēng)吹散，煙氣直接擴(kuò)散到左部。圖11為煙氣運(yùn)動原理圖。

圖10　煙羽流試驗(yàn)圖（18 s時(shí)刻）

圖11　煙氣運(yùn)動原理圖（18 s時(shí)刻）

鹽水繼續(xù)注入，煙氣濃度逐漸升高，煙氣由試驗(yàn)臺左部向右部擴(kuò)散。圖12為0 min 30 s時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?？梢园l(fā)現(xiàn)，原先沿底部擴(kuò)散至右壁并沿壁上升的煙氣受活塞風(fēng)影響，也向試驗(yàn)臺左方運(yùn)動。與圖10相比較可見，原先前部的清水區(qū)域現(xiàn)已充滿一定濃度的煙氣，而原先右壁面處的煙氣區(qū)域卻變?yōu)榱饲逅?。與圖7相比可明顯看出，有活塞風(fēng)時(shí)煙氣迅速充滿試驗(yàn)臺左部，后蔓延至右部，并無煙氣與清水分層現(xiàn)象。

圖12　煙羽流試驗(yàn)圖（30 s時(shí)刻）

觀察圖9～圖12可以看出，煙氣在活塞風(fēng)的影響下擴(kuò)散更迅速，運(yùn)動更復(fù)雜。設(shè)火災(zāi)發(fā)生8 s后列車被迫以10 m/s的速度經(jīng)過，活塞風(fēng)開始作用，原本沿頂篷向站臺右側(cè)（列車入口側(cè)）運(yùn)動的水平射流受到活塞風(fēng)的吸卷作用，一部分向左下部蔓延，另一部分繼續(xù)沿頂篷運(yùn)動，13 s到達(dá)壁面，沿壁面下降一段距離后向斜上方折返；20 s左右站臺左部（列車出口側(cè)）已充滿煙氣，煙羽流被吹散，左部煙氣濃度逐漸增加；隨后煙氣由左部向右部迅速擴(kuò)散，30 s便可充滿整個(gè)站臺；但是，站臺右部（右側(cè)墻壁處除外）在前25 s內(nèi)，1.8 m高度下幾乎沒有煙氣，站臺乘客應(yīng)充分利用此25 s從右側(cè)樓梯口逃生。

表4列出了站臺中部發(fā)生火災(zāi)（火源強(qiáng)度為1.5 k W，站臺尺寸為182 m×12 m×4 m）時(shí)，煙氣在有活塞風(fēng)和無活塞風(fēng)工況下擴(kuò)散至典型位置處所需的時(shí)間。

2.3有、無活塞風(fēng)工況下煙氣擴(kuò)散速度場的比較

利用LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀可測得煙氣在1、2號測點(diǎn)處不同時(shí)刻的運(yùn)動速度，如圖13～15。

由于1、2號速度探頭分別平行于水平、豎直方向，故兩探頭分別檢測豎直、水平方向的速度。由圖13可見，無活塞風(fēng)時(shí)，煙氣與周圍空氣存在密度差，在豎直方向上會存在速度的變化，而在水平方向上基本無速度。1號測點(diǎn)處速度在整個(gè)變化過程中存在3個(gè)峰值。t=20 s時(shí)，煙氣到達(dá)試驗(yàn)臺底部后向上反沖至1號測點(diǎn)處，致使該點(diǎn)速度增大。隨后煙氣受密度差影響向下沉降離開測點(diǎn)，速度減小。隨著煙層趨于均勻，厚度逐漸增加，煙氣又一次達(dá)到1號測點(diǎn)，t=40 s時(shí)有第二個(gè)速度峰值。隨后一段時(shí)間內(nèi)煙層厚度幾乎不變，但濃度逐漸增加，t=65 s時(shí)，煙氣達(dá)到一定濃度后煙層開始上升，此時(shí)有第三個(gè)峰值。

表4　煙氣到達(dá)典型位置所需時(shí)間對照表

圖13　無活塞風(fēng)時(shí)煙氣速度變化圖

圖14　有活塞風(fēng)時(shí)煙氣速度變化圖

由圖14和圖15可見，在有活塞風(fēng)時(shí)，煙氣在豎直方向上的變化規(guī)律與無活塞風(fēng)時(shí)基本相似，而煙氣在水平方向上的速度受活塞風(fēng)影響明顯。測點(diǎn)2的速度先增大，后穩(wěn)定不變，最后減小，體現(xiàn)出了活塞風(fēng)的速度變化規(guī)律。

圖15　有、無活塞風(fēng)下1號測點(diǎn)速度對照圖

通過以上分析可見，地鐵站臺火災(zāi)時(shí)，煙氣在有活塞風(fēng)和無活塞風(fēng)下的擴(kuò)散現(xiàn)象和流速分布有很大不同，研究此規(guī)律，對于地鐵站臺防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和站臺乘客火災(zāi)逃生方案的確定具有一定的指導(dǎo)意義。

3　結(jié)語

（1）無活塞風(fēng)時(shí)，煙氣運(yùn)動較緩和，煙羽流到達(dá)頂篷后向四周擴(kuò)散至墻壁，然后煙層趨于均勻，與清水有明顯界限，煙層厚度逐漸增加直至充滿整個(gè)站臺。整個(gè)過程需180 s左右，站臺乘客有120 s的時(shí)間從左、右兩側(cè)的樓梯逃離。

（2）有活塞風(fēng)時(shí)，煙氣運(yùn)動更迅速，煙羽流到達(dá)頂篷后，一部分沿頂篷擴(kuò)散至墻壁，另一部分被吹到左部，短時(shí)間內(nèi)站臺左部便充滿煙氣，隨后煙氣向右部擴(kuò)散，迅速充滿站臺。整個(gè)擴(kuò)散過程僅用時(shí)30 s，乘客有25s左右的時(shí)間從右側(cè)樓梯疏散逃生。

（3）煙氣豎直方向上的速度主要受密度差影響，與有、無活塞風(fēng)關(guān)系不大；煙氣水平方向上的速度受活塞風(fēng)作用明顯，變化規(guī)律與活塞風(fēng)的變化相似。

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Test of Saltwater Model in Subway Fire Smoke Diffusion

Wang Taisheng，Wang Xueying，Lin Xiaowei，Jiang Xin，Zhang Linying，Wang Lihui

Taisheng，Wang Xueying，Lin Xiaowei，Jiang Xin，Zhang Linying，Wang LihuiAbstract In meeting the related similarity criterion，a liquid scale model is set up to obtain the law of smoke diffusion influenced or not influenced by pistol wind.In the test，the fire smoke is simulated with colored water，the velocity rules and changes at typical location are measured when the smoke diffusion phenomenon appears.The experiment results show that when the fire intensity is 1.5 kilowatt，the platform sized 182×12×4 meters will be smoke filled in 180 seconds without piston wind，and the passengers can be evacuated from the left and right stairs in 120 seconds.While under the influence of piston wind，the platform will be smoke filled within 30 seconds，in this situation，passengers could only escape from the right stairs in 25 seconds.

metro station；liquid scale model test；fire smoke diffusion

10.16037/j.1007-869x.2015.07.021

2013-10-16）

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50908147）；上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（J50502）；上海市大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（SH1110252104）

U 231.96