地铁站台火灾烟气扩散的盐水模型试验研究*

王太晟 王雪颖 林晓巍 姜 昕 张琳英 王丽慧

（上海理工大学环境与建筑学院，200093，上海∥第一作者，硕士研究生）

地铁站台火灾烟气扩散的盐水模型试验研究*

王太晟 王雪颖 林晓巍 姜 昕 张琳英 王丽慧

（上海理工大学环境与建筑学院，200093，上海∥第一作者，硕士研究生）

为获得地铁火灾烟气在有活塞风和无活塞风影响下的扩散规律，在满足相似准则的情况下，搭建地铁站台液体缩尺模型试验台。用带颜色的水模拟火灾烟气，在获得烟气扩散现象的同时，测出烟气在典型位置处的流速分布与变化。试验结果表明，火源强度为1.5 k W时，无活塞风作用下，烟气要充满182 m×12 m×4 m的站台需180 s，乘客有120 s的时间从左、右楼梯疏散；有活塞风时烟气充满站台只需30 s，乘客仅有25 s从右侧楼梯逃生。

地铁站台；液体缩尺模型试验台；火灾烟气扩散

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

火灾防排烟是地铁安全运行的重要方面，认识地铁火灾烟气流动规律并采取合理的防排烟控制措施和乘客疏散方案，是减小地铁火灾危害的关键所在。研究受限空间下活塞风对火灾烟气运动影响的手段主要有3种，即全尺寸火灾试验、小尺寸模型试验和计算机数值模拟。全尺寸实体试验费用昂贵，较难在正常运营的地铁车站进行。数值模拟研究结果受限于计算机软件边界条件的设定，需其他研究手段加以验证。盐水试验相对于数值模拟和现场实测［1-2］具有过程直观、可重复性好、花费较低、可再现等优点，在国内外火灾研究中应用广泛［3-4］。现有研究对受限空间下烟气的运动特性和采用盐水试验模拟烟气运动的可行性进行了大量的理论分析和实测［5-6］，文献［7］验证了利用盐水试验模拟烟气运动的可行性和准确性；文献［8-9］对烟气羽流的盐水模型进行了讨论。然而，若站台发生火灾，行驶中的列车只能加速通过此站台把乘客安全输送到下一站台，此时列车行进所引起的活塞风势必会对站台烟气的扩散带来很大影响，关于这方面的研究尚未见报道。因此，利用液体缩尺模型试验台研究活塞风对站台烟气扩散的影响规律，进而采取针对性的防排烟措施和乘客疏散方式，是一项具有实际意义的基础性研究工作。

1　试验台及试验方案

1.1试验原理与相似准则

在受限空间内，由低强度火源引发的烟气受浮力作用，形成烟羽流和顶篷射流。盐水在清水中的运动受重力作用，形成重力流和底部射流。若两种流动满足流体力学相似性原理，便可以用盐水缩尺模型试验台模拟地铁火灾的烟气运动状况：以盐水的重力流模拟烟气羽流，以盐水沿试验台底部的水平流动模拟烟气的顶篷射流，以清水模拟周围的冷空气环境。由于试验台几何尺寸和流动介质等与实际地铁站台有较大变化，要满足两者的动力相似，要求主要力的对应准则数在一定范围内近似相等。在用盐水试验模拟烟气扩散的可行性和准确性方面，麻柏坤、张和平等人做过大量的理论推导，具体的研究过程可参阅文献［7］和文献［10］。

本试验着重研究地铁火灾烟气在有、无活塞风作用下的扩散现象及速度场的变化规律，并未涉及温度场。因此，影响两种流动状态动力相似的准则数主要有：反应源强分布的G、弗劳德数Fr、雷诺数Re，以及表征烟气和盐水流动特性的普朗特数Pr和施密特数Sc。G为空间体积与源体积之比。本试验台只在中间位置处有一个盐源，故在火焰区以外的其他空间不必考虑源强分布，只模拟火源的空间位置并根据火源强度确定特征速度即可。Fr为惯性力与重力之比，在模拟烟气的顶篷射流时应着重考虑。Pr和Sc用来反应烟气扩散的温度场与盐水扩散的浓度场的相似特性，在试验中雷诺数为104量级，流动处于湍流状态，此时Pr（烟气）≈Sc（盐水）。这样，决定两种流动状态相似的准则数便只剩Re。此次试验模拟火源强度为1.5 k W，对应盐水的质量流量为0.02 kg/s时的烟气运动情况，由相似原理可得出各相似准则数如表1所示。由表1知，两种流动的Fr相差不大且远小于1，故可满足此准则；两者雷诺数处于同一数量级，且差值在可接受范围内，并不会对盐水模拟的有效性产生太大影响。所以，完全可以用盐水试验模拟烟气的运动过程。

表1　站台原型与缩尺模型各相似准则数对照表

本试验所模拟的活塞风最大风速为4 m/s，此时模型试验台隧道入口处的Re远大于50 000，流动处于自模区。即只需原型与模型满足几何相似，便可实现其在速度分布上的相似，达到用模型试验台模拟实际中4 m/s活塞风的目的。

1.2试验台简介

本试验通过搭建地铁站台液体缩尺模型试验台，以液体代替气体模拟地铁火灾烟气在活塞风影响下的运动特性。液体模型试验台以上海轨道交通2号线南京西路站为原型，几何比例尺为1：16。原型和模型的几何尺寸对应见表2。试验台原理图如图1所示，实体照片如图2所示。

表2　站台原型与缩尺模型尺寸对照表

图1　试验台原理图

图2　试验台实体照片

1.3试验方案

本试验分为有4 m/s活塞风和无活塞风两种工况。当火源强度为1.5 k W时，根据Re相似求得盐水的特征流速，再由特征流速反推得到盐水的质量流量，进而求得盐水的各参数如表3所示。

表3　盐水参数表

为了清楚地获得火灾烟气的扩散现象，用品红染色剂将用来模拟烟气的盐水染成红色，并用摄像机全程记录下烟气的整个扩散过程。试验中，在楼梯口、盐源下方布置速度测点1、2。其中，速度探头1垂直于竖直方向，探头2垂直于水平方向。测点位置如图3所示。利用精度为1 cm/s的LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪，每5 s采集一次数据，以获得两测点的烟气扩散速度。

图3　模型试验台测点布置图

2　试验结果与分析

通过试验录像可清楚地观察到地铁火灾烟气的扩散过程，比较有、无活塞风时的试验现象，进一步得到烟气在两种工况下的扩散规律。

2.1无活塞风时烟气扩散现象

在0 min 02 s时刻，模拟烟羽流到达试验台底部。如图4所示，注入的烟羽流很快发展为湍流状，只有盐源入口处的一小段烟气呈层流状。并且随着模拟烟羽流的向下流动，能发现明显的大的涡旋结构。这与实际当中的烟羽流运动特点一致。

图4　2 s时刻烟羽流试验图

在0 min 36 s时刻，模拟烟羽流到达试验台底部后以烟羽流中心线与试验台底部交点为中心沿下底面向四周扩散，由于受底面和周围流体的粘性力作用，烟气流速会减慢。当烟气到达左右壁之后沿壁上升，受重力及粘性力作用，烟气动量逐渐减小至零。随后烟气在重力和密度差的影响下向斜下方折返，在试验台左、右部分别形成涡旋。试验现象及原理如图5和图6所示。

图5　36 s时刻烟羽流试验图

图6　36 s时刻烟气运动原理图

随着烟气的不断注入和试验台左右部烟气的折返，烟气层厚度逐渐趋于均匀。图7为1 min 28 s时的试验现象，此时烟层厚度约为10 cm，可见烟气与清水之间有较为清晰的分界面。随后，盐水不断注入，分界面逐渐上升，直至烟气充满整个试验台。

图7　88 s时刻烟羽流试验图

由图4～图7可见，在火源强度为1.5 k W，站台尺寸为182 m×12 m×4 m的实际火灾中，无活塞风作用时烟气的扩散规律为：火灾发生，烟羽流2 s后到达站台顶部，形成顶篷射流向四周扩散，15 s后到达壁面；烟气沿壁面下降2 m后向斜上方折返；随后烟层趋于均匀，厚度逐渐增加，直至充满站台。从火灾发生到烟气扩散至离地面1.8 m高度处约需120 s，此前在人员活动高度下几乎没有烟气，可组织人员从左右楼梯疏散逃生。180 s后烟气充满整个站台。

2.2有活塞风时烟气的扩散现象

地铁站台火灾烟气的扩散受活塞风的影响巨大，在探究烟气扩散现象和速度场变化规律之前，应首先明确地铁活塞风的风速变化规律。根据文献［11］，地铁活塞风的风速变化呈图8所示规律。

图8　地铁活塞风风速变化

有活塞风时试验初始阶段现象与无活塞风时一致，模拟烟羽流到达试验台底部后，形成水平射流向四周扩散。活塞风在0 min 08 s开始作用，如图9所示，流向试验台后部的水平射流并未受到影响，而流向试验台前部的水平射流有一部分受活塞风吸卷作用向左上部蔓延，另一部分仍然沿下底面向右壁运动；且在活塞风作用下烟羽流能更快地发展为湍流（由图9可看出，无活塞风作用时盐源入口处的一小段呈层流状的烟气已发展成湍流状）。

图9　烟羽流试验图（8 s时刻）

水平射流继续运动，到达右壁后沿壁面攀升；而试验台右部被吸卷起来的烟气被活塞风吹到左部。图10为0 min 18 s时烟气的扩散现象。此时试验台左部已充满烟气但浓度并不太高。烟羽流被活塞风吹散，烟气直接扩散到左部。图11为烟气运动原理图。

图10　烟羽流试验图（18 s时刻）

图11　烟气运动原理图（18 s时刻）

盐水继续注入，烟气浓度逐渐升高，烟气由试验台左部向右部扩散。图12为0 min 30 s时的实验现象。可以发现，原先沿底部扩散至右壁并沿壁上升的烟气受活塞风影响，也向试验台左方运动。与图10相比较可见，原先前部的清水区域现已充满一定浓度的烟气，而原先右壁面处的烟气区域却变为了清水。与图7相比可明显看出，有活塞风时烟气迅速充满试验台左部，后蔓延至右部，并无烟气与清水分层现象。

图12　烟羽流试验图（30 s时刻）

观察图9～图12可以看出，烟气在活塞风的影响下扩散更迅速，运动更复杂。设火灾发生8 s后列车被迫以10 m/s的速度经过，活塞风开始作用，原本沿顶篷向站台右侧（列车入口侧）运动的水平射流受到活塞风的吸卷作用，一部分向左下部蔓延，另一部分继续沿顶篷运动，13 s到达壁面，沿壁面下降一段距离后向斜上方折返；20 s左右站台左部（列车出口侧）已充满烟气，烟羽流被吹散，左部烟气浓度逐渐增加；随后烟气由左部向右部迅速扩散，30 s便可充满整个站台；但是，站台右部（右侧墙壁处除外）在前25 s内，1.8 m高度下几乎没有烟气，站台乘客应充分利用此25 s从右侧楼梯口逃生。

表4列出了站台中部发生火灾（火源强度为1.5 k W，站台尺寸为182 m×12 m×4 m）时，烟气在有活塞风和无活塞风工况下扩散至典型位置处所需的时间。

2.3有、无活塞风工况下烟气扩散速度场的比较

利用LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪可测得烟气在1、2号测点处不同时刻的运动速度，如图13～15。

由于1、2号速度探头分别平行于水平、竖直方向，故两探头分别检测竖直、水平方向的速度。由图13可见，无活塞风时，烟气与周围空气存在密度差，在竖直方向上会存在速度的变化，而在水平方向上基本无速度。1号测点处速度在整个变化过程中存在3个峰值。t=20 s时，烟气到达试验台底部后向上反冲至1号测点处，致使该点速度增大。随后烟气受密度差影响向下沉降离开测点，速度减小。随着烟层趋于均匀，厚度逐渐增加，烟气又一次达到1号测点，t=40 s时有第二个速度峰值。随后一段时间内烟层厚度几乎不变，但浓度逐渐增加，t=65 s时，烟气达到一定浓度后烟层开始上升，此时有第三个峰值。

表4　烟气到达典型位置所需时间对照表

图13　无活塞风时烟气速度变化图

图14　有活塞风时烟气速度变化图

由图14和图15可见，在有活塞风时，烟气在竖直方向上的变化规律与无活塞风时基本相似，而烟气在水平方向上的速度受活塞风影响明显。测点2的速度先增大，后稳定不变，最后减小，体现出了活塞风的速度变化规律。

图15　有、无活塞风下1号测点速度对照图

通过以上分析可见，地铁站台火灾时，烟气在有活塞风和无活塞风下的扩散现象和流速分布有很大不同，研究此规律，对于地铁站台防排烟系统的设计和站台乘客火灾逃生方案的确定具有一定的指导意义。

3　结语

（1）无活塞风时，烟气运动较缓和，烟羽流到达顶篷后向四周扩散至墙壁，然后烟层趋于均匀，与清水有明显界限，烟层厚度逐渐增加直至充满整个站台。整个过程需180 s左右，站台乘客有120 s的时间从左、右两侧的楼梯逃离。

（2）有活塞风时，烟气运动更迅速，烟羽流到达顶篷后，一部分沿顶篷扩散至墙壁，另一部分被吹到左部，短时间内站台左部便充满烟气，随后烟气向右部扩散，迅速充满站台。整个扩散过程仅用时30 s，乘客有25s左右的时间从右侧楼梯疏散逃生。

（3）烟气竖直方向上的速度主要受密度差影响，与有、无活塞风关系不大；烟气水平方向上的速度受活塞风作用明显，变化规律与活塞风的变化相似。

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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）

*国家自然科学基金项目（50908147）；上海市教委重点学科建设项目（J50502）；上海市大学生创新实验项目（SH1110252104）

U 231.96