石 銳

西咸新區(qū)軌道交通投資建設(shè)有限公司 西安 713200

0 研究背景

地鐵車站在主城區(qū)一般為地下敷設(shè)，當線路敷設(shè)在主城區(qū)以外時，多采用地面或地上敷設(shè)，線路從地下轉(zhuǎn)至地面時，會出現(xiàn)地下車站與短隧道連接的形式，在短隧道一段設(shè)置隧道風(fēng)機（TVF）時明顯是不經(jīng)濟的，此時可利用連接車站的另一端隧道的隧道風(fēng)機（TVF）服務(wù)于短隧道，但存在洞口區(qū)間出故障時，可能出現(xiàn)區(qū)間煙氣過站的現(xiàn)象，影響站臺安全。

由于車站靠洞口側(cè)隧道未設(shè)置隧道風(fēng)機（TVF），僅在洞口至車站的隧道區(qū)間內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機，一旦出洞口列車車尾或進洞口列車頭在隧道內(nèi)著火并滯留其中，為了及時排除火災(zāi)有害煙氣，則須開啟射流風(fēng)機向著火列車送風(fēng)，同時車站另一端兩臺隧道風(fēng)機（TVF）開啟排風(fēng)，此時會造成高溫?zé)煔饨?jīng)過車站軌行區(qū)，若煙氣溫度過高造成屏蔽門破裂以致高溫有害氣體進入站臺區(qū)域，將對站臺人員安全造成不利影響，為此本文采用FDS建立計算模型，模擬煙氣過站車站屏蔽門附近的溫度場和CO濃度分布，校核其溫度是否超過屏蔽門破裂上限值800℃以及CO濃度是否超過安全值1000ppm。

1 數(shù)值計算模型

常用的商業(yè)模擬軟件有Fluent、Star-CD等，這些軟件在模擬建筑物熱濕環(huán)境方面有不可逾越的優(yōu)勢，因此其可以應(yīng)用到列車進站時站臺熱濕環(huán)境的模擬當中；但這些軟件在模擬車站火災(zāi)時常遇到的問題是火源附近的溫度和速度被高估。為此，采用FDS (Fire Dynamics Simulation)對車站火災(zāi)進行模擬。

1. 1 火災(zāi)控制方程

火災(zāi)控制微分方程如下：

1.2 紊流及燃燒模型

FDS的湍流模型分為大渦模擬(LES)和直接模擬(DNS)。本文采用大渦模擬湍流模型進行數(shù)值計算。大渦模擬把包括脈動運動在內(nèi)的湍流瞬時運動通過某種濾波方法分解成大尺度運動和亞尺度運動兩部分。大尺度渦是載能渦，且各向異性，大尺度運動通過對Navier-Stokes方程式直接求解計算出來；亞尺度渦是耗散渦，且各向同性，亞尺度運動對大尺度運動的影響將在運動方程中表現(xiàn)為類似于雷諾應(yīng)力的應(yīng)力項，稱為亞尺度雷諾應(yīng)力，通過建立模型進行計算來實現(xiàn)能量耗散，F(xiàn)DS大渦模擬采用Smagorinsky亞尺度模型，粘性系數(shù)表示如下：

默認采用的燃燒模型為混合分數(shù)（mixture fraction）燃燒模式。如果采用了DNS 模式，則可以選擇其他的燃燒模型。

1. 3 換熱模型

對于輻射換熱，F(xiàn)DS使用類似于有限體積的方法求解非散射灰體輻射換熱方程。由于輻射換熱求解需花費大量時間，默認使用100個離散角求解，所花費時間大約占總計算時間的15%。

2 模型建立

2. 1 車站模型及模擬工況

車站模型采用標準站模式，火災(zāi)發(fā)生在上行線列車進站前，火災(zāi)位置位于列車頭部，由于著火列車被迫?？吭谶M站前隧道內(nèi)，此時通風(fēng)模式為：著火列車側(cè)四臺隧道射流風(fēng)機開啟送風(fēng)，同時車站大里程端兩臺TVF開啟排風(fēng)。

2. 2 邊界條件

邊界條件：車站小里程端區(qū)間隧道長140m，內(nèi)?？恐鹆熊?，為使車站大里程端邊界流場接近實際情況，大里程端同樣設(shè)置

140 m長隧道，兩端隧道出口均為自由邊界條件。

2. 3 參數(shù)設(shè)置

火源大?。?0.5MW；

射流風(fēng)機：4臺，每臺風(fēng)量18m3/s；

TVF排風(fēng)口：2臺TVF風(fēng)機總風(fēng)量120m3/s；

軌頂排風(fēng)口：60個，總風(fēng)量40 m3/s；

溫度測點：沿站臺方向設(shè)置140個溫度和CO濃度測點；

2. 3 網(wǎng)格設(shè)置

由于本次模型規(guī)模相對較大，且存在很多細小風(fēng)口，若采取統(tǒng)一網(wǎng)格尺寸比較導(dǎo)致網(wǎng)格規(guī)模較大，以致超過計算機計算能力，為此本次采用局部加細網(wǎng)格處理方法，在所有涉及風(fēng)口、射流風(fēng)機的位置網(wǎng)格統(tǒng)一加密，這樣可在保證計算結(jié)果準確的前提下，大幅度減少網(wǎng)格規(guī)模，提高計算收斂時間。

3 模擬結(jié)果

3.1 屏蔽門處溫度分布

圖1屏蔽門處溫度分布Fig.1 Temperature distribution at the screen door

由圖1可知：

1）屏蔽門處溫度最高為65.5℃，主要分布在靠近列車頭部的站臺區(qū)域；最低溫度49℃，主要分布在靠近TVF排風(fēng)口的站臺區(qū)域（圖1中橫坐標140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）4臺射流風(fēng)機和2臺TVF的共同作用，將大部分高溫?zé)煔馀胖潦彝?，致使隧道?nèi)煙氣溫度相對較低，最高不超過65.5℃；

（2）屏蔽門頂部至軌頂排風(fēng)到之間有2.4m的距離，余留的高溫?zé)煔庠诟∩Φ淖饔孟麓蟛糠志奂诖?，?dǎo)致屏蔽門處煙氣溫度相對隧道頂部較低。

2）屏蔽門溫度沿射流方向逐漸降低，從最高點65.5℃降至最低點49℃，在靠近TVF排風(fēng)口處溫度出現(xiàn)上下波動，但波動幅度不大，基本維持在0.15℃左右（圖1中橫坐標140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）煙氣在流動過程中會與周圍隧道壁熱交換，導(dǎo)致溫度逐步降低；

（2）大里程端TVF排風(fēng)抽吸作用使周圍大量冷空氣從大里程端隧道下部卷入導(dǎo)致周圍煙氣溫度降低；

3.2 屏蔽門處CO濃度分布：

圖2屏蔽門處co濃度分布Fig.2 Co concentration distribution at the screen door

由圖2可知：

1 ) 屏蔽門處CO濃度最高為5.5ppm，最低維持在0ppm。

原因分析：

（1）射流風(fēng)機和TVF的共同作用，將大部分高溫?zé)煔馀胖潦彝?，以致屏蔽門處CO濃度相對較低，局部區(qū)域接近0ppm；

（2）屏蔽門頂部至軌頂排風(fēng)到之間有2.4m的距離，余留的高溫?zé)煔獯蟛糠志奂诖?，?dǎo)致在屏蔽門處的CO濃度維持在5.5ppm以下。

2）屏蔽門處CO濃度出現(xiàn)局部跳躍后逐漸降低，接近TVF排風(fēng)口處co濃度基本為零（圖1中橫坐標140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）煙氣在流動過程中，軌頂排風(fēng)口將大量煙氣排出，極度削減了隧道內(nèi)CO存量；

（2）大里程端TVF排風(fēng)抽吸作用使周圍大量新鮮冷空氣從大里程端隧道下部卷入導(dǎo)致其周圍煙氣CO降低；

4 結(jié)論及展望

1）煙氣過站雖然會導(dǎo)致屏蔽門處溫度上升，但遠小于屏蔽門破裂安全值800℃（目前市場常用的耐高溫玻璃耐溫限制）；煙氣過站CO濃度也遠小于安全值1000ppm，即使屏蔽門破裂或漏風(fēng)也不會對站內(nèi)人員造成傷害。

2）雖然煙氣過站時煙氣溫度和CO濃度對站臺區(qū)域人員安全影響較小，但考慮到屏蔽門以及與煙氣接觸的部分區(qū)域內(nèi)有大量塑膠材料，65.5℃的煙氣不會致使屏蔽門破裂，但會對這些材料在成破壞，而這些材料對站臺區(qū)域的影響可在以后的研究分析中展開研究。