趙蘭英 曹 鴿

(商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院， 476100, 商丘//第一作者,講師)

地鐵車站人員密集，且環(huán)境較封閉。一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣及熱量難以迅速排出，因此地鐵車站一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)造成較大的人員傷亡及慘重的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明，燃燒產(chǎn)生的煙氣和有毒氣體擴(kuò)散方向同人員逃生方向一致，如煙氣不能及時(shí)排除，煙氣濃度過大就會(huì)造成人員傷亡。因此地鐵火災(zāi)中的煙氣控制很重要[1]。本文通過對(duì)地鐵列車關(guān)鍵部位的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)火源燃燒過程中煙氣橫向和豎向擴(kuò)散的溫度云圖、煙氣濃度云圖及相關(guān)分布曲線，總結(jié)火源燃燒過程中煙氣蔓延規(guī)律，并據(jù)此提出人員安全疏散的有效措施，為火災(zāi)中的人員安全逃生提供理論依據(jù)。

1 研究方法及火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

1.1 研究方法

目前，地鐵火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律的研究方法有數(shù)值模擬、縮尺模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。由于列車火災(zāi)和車站火災(zāi)無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所以目前關(guān)于地鐵列車火災(zāi)及車站火災(zāi)的研究主要以數(shù)值模擬為主。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)裝備有屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站內(nèi)發(fā)生列車火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行了CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證了發(fā)生火災(zāi)時(shí)車站緊急通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煙氣流動(dòng)和溫度的控制能力，并討論了屏蔽門系統(tǒng)在不同的火災(zāi)狀況下所起的作用。文獻(xiàn)[4-5]利用FDS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)混合通風(fēng)模式能比傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)模式更有效地抑制火災(zāi)煙氣擴(kuò)散。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)特定情況下的地鐵火災(zāi)場(chǎng)景，利用FDS軟件模擬得出了只有機(jī)械送排風(fēng)和擋煙設(shè)施配合使用才可以有效地控制煙氣和溫度的研究結(jié)論。文獻(xiàn)[7]基于典型換乘站，按照火災(zāi)常發(fā)生點(diǎn)建立物理模型，研究了在一定通風(fēng)工況下?lián)Q乘站煙氣流動(dòng)特點(diǎn)，并指出特定火災(zāi)下的安全逃生路徑。上述研究?jī)H將火源設(shè)置為具有一定體積的、穩(wěn)定不變的熱源，并未模擬出火源的具體燃燒過程。而實(shí)際的火災(zāi)燃燒會(huì)受到燃燒材料、環(huán)境溫度、通風(fēng)情況等諸多因素的影響，而且在火災(zāi)發(fā)展的不同階段，其熱釋放率有不同的規(guī)律。這就在一定程度上限制了對(duì)火災(zāi)時(shí)煙氣濃度場(chǎng)及不利氣體(如CO氣體)濃度的研究。

本文在數(shù)值模擬過程中采用了燃燒模型的火源設(shè)置方法，深入進(jìn)行火災(zāi)時(shí)的煙氣溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和CO濃度場(chǎng)的研究，為火災(zāi)時(shí)人員安全逃生提供理論參考。本文采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬[8]，通過對(duì)燃燒模型、火源功率與燃燒時(shí)間、通風(fēng)口大小及流量等幾何參數(shù)和燃燒過程數(shù)值的設(shè)置，模擬得到火災(zāi)煙氣在空間上的發(fā)展變化云圖及數(shù)據(jù)，進(jìn)而總結(jié)煙氣擴(kuò)散規(guī)律[9-10]。

1.2 列車火災(zāi)場(chǎng)景及模型

與列車運(yùn)行相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)均位于列車底部，只有空調(diào)及照明系統(tǒng)位于頂部，所以一般列車火災(zāi)起火位置主要位于列車底部[11]。根據(jù)鄭州市地鐵列車運(yùn)行可行性研究報(bào)告的相關(guān)數(shù)據(jù)，列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)每節(jié)車廂的燃燒能量為5 MW，列車火災(zāi)蔓延按燒毀1.5節(jié)/h車廂計(jì)算，得到的列車火災(zāi)的功率約為7.5 MW/h，起火1 h后的火災(zāi)范圍約為35 m長(zhǎng)。火場(chǎng)溫度在起火后約10 min達(dá)到峰值。

假設(shè)列車在車站?？繒r(shí)起火，并按列車中部位置處發(fā)生火災(zāi)的最不利情況進(jìn)行模擬計(jì)算[12]。列車車廂底部起火點(diǎn)功率為7.5 MW，開啟軌頂排煙機(jī)(單側(cè)排煙量為60 m3/s)，開啟區(qū)間隧道排煙機(jī)(排煙量為60 m3/s)，并關(guān)閉站廳層排風(fēng)管和站臺(tái)板下通風(fēng)道。建立的模型網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格數(shù)約為6.9×105個(gè)。物理模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 空間模型及網(wǎng)格劃分圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 隧道內(nèi)的火災(zāi)增長(zhǎng)及煙氣蔓延

列車起火后，隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬結(jié)果見圖2，隧道內(nèi)溫度分布的模擬結(jié)果見圖3，CO分布模擬結(jié)果見圖4。

a) 起火后100 s時(shí)

b) 起火后300 s時(shí)

c) 起火后500 s時(shí)

d) 起火后600 s時(shí)

圖2 隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況模擬結(jié)果

a) 起火后100 s時(shí)b) 起火后300 s時(shí)c) 起火后500 s時(shí)d) 起火后600 s時(shí)

圖3 隧道內(nèi)溫度分布模擬結(jié)果

從圖2可以看出，隧道內(nèi)著火區(qū)域內(nèi)的煙氣逐漸上升，并逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散。隨著火源功率不斷增加，著火區(qū)域的溫度逐漸升高。在熱氣壓力作用下，隧道內(nèi)的煙氣擴(kuò)散到站臺(tái)區(qū)域。在通風(fēng)排煙工況下，煙氣被軌頂排煙風(fēng)口及時(shí)排除。從煙氣運(yùn)動(dòng)云圖上可以看出，煙氣運(yùn)動(dòng)并沒有明顯變化。煙氣主要是通過軌頂排煙風(fēng)口排除的，而區(qū)間隧道通風(fēng)機(jī)的排煙效果不明顯。這是由于區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)的通風(fēng)主要是從區(qū)間內(nèi)補(bǔ)充，在隧道兩端較大的向內(nèi)空氣流速作用下，形成了空氣“短路”。

a) 起火后100 s時(shí)b) 起火后300 s時(shí)c) 起火后500 s時(shí)d) 起火后600 s時(shí)

圖4 隧道內(nèi)CO分布的模擬結(jié)果

從圖3～4可以看出，煙氣溫度和濃度最先在著火區(qū)域升高。隨著燃燒時(shí)間的增加，在熱壓作用下，煙氣上升，但煙氣高溫和高濃度出現(xiàn)在頂棚排煙口附近；在火源功率達(dá)到峰值時(shí)(起火后600 s時(shí))，隧道內(nèi)著火車廂區(qū)域的頂棚煙氣層溫度可以達(dá)到170 ℃，CO質(zhì)量濃度為550×103mg/m3，隧道內(nèi)其他區(qū)域的溫度和CO濃度都逐漸降低。

2.2 煙氣向車站站臺(tái)及站廳的蔓延

列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在煙氣向車站站臺(tái)及站廳蔓延過程中，車站中心截面的煙氣溫度變化云圖見圖5，車站中心截面的CO質(zhì)量濃度變化見圖6，車站中心截面的煙氣運(yùn)動(dòng)情況見圖7，車站站臺(tái)層的煙氣蔓延情況見圖8。

a) 起火后100 s時(shí)

b) 起火后300 s時(shí)

c) 起火后500 s時(shí)

d) 起火后600 s時(shí)

由圖5～6可知，該隧道內(nèi)的煙氣溫度和煙氣濃度均沿隧道壁周圍擴(kuò)散而升高。由該火災(zāi)工況下煙氣溫度及濃度云圖可以看出，由于軌頂及隧道通風(fēng)排煙口不能及時(shí)排除煙氣，再加上地鐵車站的敞式通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在起火后大約150 s時(shí)，煙氣層開始擴(kuò)散到站臺(tái)區(qū)域，在起火后200 s左右,煙氣擴(kuò)散到對(duì)面未著火隧道；但在通排風(fēng)系統(tǒng)作用下，擴(kuò)散到未著火隧道的煙氣溫度及濃度均較低，并未影響到運(yùn)行安全。

由圖7～8可以看出，當(dāng)列車在站臺(tái)中心位置處發(fā)生起火時(shí)，火災(zāi)煙氣基本以順時(shí)針方向圍繞火災(zāi)車廂流動(dòng)。在隧道通排風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行下，大部分煙氣主要由軌頂排風(fēng)口排出，還有一部分沿隧道向兩側(cè)蔓延。隨著火源功率的不斷增加，煙氣不能及時(shí)被軌頂排煙排出。當(dāng)煙氣擴(kuò)散到站臺(tái)頂棚高度后，將向站臺(tái)區(qū)域蔓延。

a) 起火后100 s時(shí)

b) 起火后300 s時(shí)

c) 起火后500 s時(shí)

d) 起火后600 s時(shí)

a) 起火后100 s時(shí)

b) 起火后300 s時(shí)

c) 起火后500 s時(shí)

d) 起火后600 s時(shí)

2.3 站臺(tái)到站廳的煙氣蔓延

列車在站臺(tái)中心位置處起火后，煙氣從站臺(tái)層沿樓梯及扶梯開口處蔓延到站廳。相應(yīng)區(qū)域的煙氣蔓延速度模擬結(jié)果見圖9，煙氣溫度場(chǎng)分布見圖10。

由圖9 可見，列車發(fā)生火災(zāi)后，在通風(fēng)工況下，煙氣逐漸向扶梯開口流動(dòng)，但并未流入站臺(tái)前的樓梯開口。煙氣在扶梯開口處的流速約為3 m/s。當(dāng)煙氣進(jìn)入站臺(tái)后，中間樓梯開口處煙氣的向下蔓延速度將逐漸減小。在起火后500～600 s時(shí)，煙氣蔓延速度將減少為0，且煙氣流動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變。

a) 起火后100 s時(shí)

b) 起火后300 s時(shí)

c) 起火后500 s時(shí)

d) 起火后600 s時(shí)

圖9 站臺(tái)-站廳扶梯和樓梯開口截面速度場(chǎng)

圖10 站臺(tái)-站廳扶梯和樓梯開口截面溫度變化

由圖10可見，煙氣在列車起火后300 s時(shí)已經(jīng)蔓延入站臺(tái)。在站臺(tái)通風(fēng)工況下，煙氣逐漸流向站臺(tái)兩端，當(dāng)起火后600 s時(shí)，站臺(tái)中間區(qū)域的煙氣有明顯的分層，且煙氣層溫度不高。在火源燃燒到功率最大時(shí)(起火后500～600 s時(shí))，有少量煙氣通過中間扶梯開口處向上層蔓延，說明中間樓梯開口處的向下風(fēng)壓已不能克服煙氣的熱壓。蔓延至站廳層的煙氣溫度和濃度都很低，不會(huì)對(duì)人員造成傷害。但此時(shí)中間樓梯已經(jīng)被煙氣籠罩，人員疏散將受到影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)一定通風(fēng)工況下列車火災(zāi)煙氣的蔓延過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了煙氣在隧道內(nèi)、隧道向站臺(tái)與站廳,以及站臺(tái)向站廳的蔓延模式,分析了煙氣蔓延速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO濃度場(chǎng)分布情況，總結(jié)了在火災(zāi)工況下煙氣運(yùn)行規(guī)律。分析結(jié)果為：

(1) 在火災(zāi)工況下，現(xiàn)有排煙量的設(shè)計(jì)合理。在列車起火后300 s時(shí)，煙氣并未蔓延出車站區(qū)域，滿足人員安全疏散的時(shí)間要求。在火源燃燒到最大功率時(shí)(起火后600 s時(shí))，煙氣也未蔓延出車站區(qū)域，說明本通排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置能給人員疏散提供更長(zhǎng)的安全疏散時(shí)間，滿足疏散要求。但區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)對(duì)車站列車火災(zāi)的排煙作用不明顯。

(2) 列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣層有明顯的分層作用，且沿著隧道邊緣和站臺(tái)墻體邊緣沉降，故人員逃生時(shí)應(yīng)沿著隧道或站臺(tái)中部壓低身位沿下風(fēng)向逃離。

(3) 當(dāng)列車火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣蔓延至站臺(tái)及站廳時(shí)，如果機(jī)械通風(fēng)不足或無擋煙裝置，樓梯口逃生路徑就難以保證人員疏散的安全。

(4) 列車火災(zāi)煙氣蔓延至站廳層的溫度和濃度都很低，不會(huì)對(duì)人員造成傷害，但起火后600 s時(shí)，站臺(tái)通向站廳的中間樓梯已被煙氣籠罩，人員疏散將受到影響。