地铁站内空气幕防烟效果的数值模拟研究

2013-12-09吴振坤张和平盛业华

火灾科学 2013年1期

吴振坤，张和平，盛业华，陈震，胡浩，姚斌

（1．安徽省消防总队，合肥，230000；2．中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3．合肥城市轨道交通有限公司，合肥，230000）

0 引言

随着我国城市化进程的发展，城市的规模越来越大，交通成为影响城市发展的重要因素。地铁作为缓解城市交通紧张的有效工具在许多国家的城市中得到应用。在地铁建设与运营管理中，地铁火灾是不容忽视的问题。由于客流量大、人员集中，一旦发生火灾，极易造成群死群伤的灾难性后果，引发社会不稳定，并引起国际社会的震撼。典型案例如2003年2月18日韩国大邱市地铁发生的火灾造成198人死亡，146人受伤，289人失踪，成为震惊世界的重大火灾事故。1995年10月28日夜里，阿塞拜疆首都巴库地铁由于电动机车电路故障发生一起恶性地铁火灾惨剧，由于地铁车厢大部分材料采用易燃物质，火势异常猛烈，有毒浓烟雾弥漫，乘客被困在隧道内，造成558人死亡，269人受伤［1］。

早在20世纪80年代，日本消防协会即使用防烟空气幕阻挡烟气的蔓延，得到了较为满意的效果。美国、欧洲一些国家在防烟空气幕的实验中也取得了一些成果。我国南京工业大学的何嘉鹏［2］副教授对高层建筑火灾防烟空气幕进行了实验研究。周汝［3］等根据地铁站建筑结构特点及火灾烟气的扩散规律，提出将空气幕用于地铁站楼梯口防烟，以保障火灾时人员的安全疏散。应志刚［4］通过研究空气幕和挡烟垂壁阻挡烟气蔓延的性能，结合地铁站模型，利用FDS对控烟措施进行研究分析，研究挡烟垂壁的高度以及空气幕的风速大小对烟气蔓延控制效果的影响。黄冬梅等［5，6］人利用FDS软件建立了一个二层建筑模型，对2．5MW 木头燃料火灾进行模拟，得出了空气幕的最佳送风速度和送风角度。张培红等［7］采用FDS软件模拟了地铁火灾，通过改变空气幕的送风角度，分析了火源附近、楼梯口、扶梯口附近的温度场和速度场的分布规律，为保证人员在6分钟以上的安全疏散时间提供理论依据。

基于地铁火灾的严重危害性及前人对空气幕防烟研究的成果，笔者初步做了地铁站内空气幕挡烟有效性的FDS模拟研究，以期为工程应用和实验研究提供参考。

1 空气幕挡烟有效临界条件

当开口高度H，宽度b0，及空气幕射流角度一定时，改变横向气流速度Vw，当挡烟有效达到临界条件时，U0／Vw近似为一常数。可表示为：

其中：U0：风幕的出口风速；

Vw：烟气横向蔓延速度；

H：开口高度；

b0：开口宽度；

α：风幕出口风角度。

由式1可知，当开口高度H，宽度b0一定时，横向的烟气蔓延速度Vw只与U0和α有关［8］。本文模拟研究了空气幕的射流速度与角度对一定火源条件下的烟气的阻挡效果。

2 模拟计算的设置

本文研究的问题主要是由站台层向站厅层的楼扶梯间的空气幕的防烟挡烟效果。模拟研究主要选取了火源位于站台层内，火源功率主要选取了0．5MW、1．5MW、2MW 三种功率的火源。火源面积设为1m×1m。风幕设置在楼扶梯口，挡烟垂壁的后面，挡烟垂壁向下延伸0．5m 长。如图1所示。

图1 模拟的模型中楼扶梯口、空气幕、火源相互位置Fig．1 The location of floor escalator mouth，air curtain，fire source in simulation model

FDS模拟的模型是按照合肥水阳江地铁站实际建成后的尺寸搭建，网格按照局部加密原则，三组网格分别是200×36×45，204×36×45，36×36×45，网格数为712800个网格。第一组网格200×36×45是离火源最远的部分，第二组网格204×36×45，包含了火源和模拟的楼扶梯口，第三组网格主要是火源与楼扶梯口另一侧部分。风幕机设为一个0．2m×5．7m 的出风口。风幕口设在挡烟垂壁后侧，距离挡烟垂壁30cm。在风幕正中位置的前后1m、1．5m 分别设温度测点，这些温度测点的高度分别为4．4m，4．2m，4．0m，3．8m，3．6m，3．4m，3．2m，3．0m，2．8m。如图2所示。

模拟主要研究了空气幕风速，空气幕角度对于阻烟效果的影响，通过空气幕前后典型温度测点温度变化，得出这些因素变化对于空气幕的阻烟效果影响。模拟的工况条件在模拟工况表1中。

图2 热电偶与空气幕和挡烟垂壁的位置Fig．2 The location of thermocouple，air curtain and ceiling screen

表1 模拟工况表Table 1 Simulation conditions

3 模拟结果分析与讨论

工况1－4模拟了空气幕射流速度为3m／s，4m／s，5m／s，10m／s的情况。分别对比在这些速度的空气幕作用下，空气幕前后的温度变化，来分析不同速度的空气幕的挡烟效果。由于空气幕后侧楼扶梯内1．5m 距离处的台阶高度达到了1m 高度，所以考虑到对人员疏散影响的高度是2m，因此选择3m高度处温度测点对比。

从图3 中可以看到，当空气幕速度为3m／s和4m／s、5m／s时，空气幕前的温度在200s时升高到约45℃，而当空气幕的速度为10m／s时，空气幕前的温度只升高至35℃。这说明空气幕的速度为10m／s时，空气幕的气流冲量能将其前方的烟气有效冲散，温度升高的并不高。

从图4中可以看到，当空气幕速度为3m／s时，空气幕后面楼扶梯3m 高度处的温度在200s－300s时升高到约23．5℃，而当空气幕的速度为4m／s、5m／s时，空气幕后的温度只升高至21．5℃。当空气幕的速度为10m／s时，空气幕后的楼扶梯内3m高度处温度升高至21℃，与空气幕速度为4m／s和5m／s的温度情况相差只有0．5℃，这说明空气幕在速度为4m／s，5m／s和10m／s时，能够较好的阻挡住烟气，使烟气不能进入楼扶梯口。

图3 不同风速空气幕前的温度变化曲线Fig．3 Temperature change curve before the air curtain of different wind speeds

图4 不同风速空气幕后的温度变化曲线Fig．4 Temperature change curve behind the air curtain of different wind speeds

表2 为工况1－4 的模拟中站台层火源燃烧到300s时的温度截面图，表中箭头所指为空气幕所在位置，从表2的对比中可知，空气幕速度为4m／s和5m／s时就能将烟气阻挡在楼扶梯口外。由于另一个楼梯口未设空气幕，所以从图中可见烟气从另一个楼扶梯口蔓延至了站厅层。由表2可知，当空气幕速度为4m／s或者5m／s即可阻挡烟气蔓延进楼扶梯口。

综合以上两幅温度图的变化和温度截面图的对比可知，风速为3m／s的风幕不如4m／s和5m／s的空气幕挡烟效果，在其中200s－300s时有烟气进入了楼扶梯口。风速为4m／s、5m／s的风幕与10m／s的空气幕挡烟效果相差不大。

工况5－7模拟了空气幕射流角度为0°，15°，30°的情况。分别对比在这些角度的空气幕作用下，空气幕前后的温度变化，来分析不同速度的空气幕的挡烟效果。

图5 空气幕射流角度0°时，空气幕前、后、下方温度曲线Fig．5 Temperature curve before，after，below air curtain of 0°

从图5可知空气幕前的温度和空气幕下的温度相差不大，都达到了30℃以上，而空气幕后的温度也升高了将近4℃。这说明空气幕即使将烟气有效阻隔，而空气幕下方有了较多烟气，烟气聚集在了楼扶梯口的空气幕下方，这样也不利于人员疏散。

图6中可见当空气幕的前倾角为15°时，从温度曲线可以看到空气幕前和空气幕下的温度有5℃的差别，空气幕下和空气幕后的温度同样有5℃的差别，而且空气幕后侧的温度仅仅升高了1．5℃。而角度为0°的空气幕后侧温度升高了将近4℃，这说明空气幕出口风速角度为15°比角度0°的阻烟效果好。

表2 不同速度空气幕作用时地铁站内温度截面图Table 2 Subway station cross－sectional temperature for different air curtain speed

空气幕的射流角度为30°时，从温度曲线可以看到空气幕的后方温度反而比空气幕下的温度要高，这说明30°的空气幕的阻烟效果不好，导致烟气进入楼扶梯口，使得空气幕后的温度比空气幕下侧还要高。空气幕后侧温度升高达到3．5℃，也比角度15°的空气幕升高的1．5℃要大，这说明空气幕角度为30°的空气幕没有角度为15°的阻烟效果好。