环境风作用下高架地铁站火灾烟气迁移研究

贾海江，陈 俍，郭春梅，高舒珊，赵 明，吴芳谷

(1.北京市劳动保护科学研究所 职业安全卫生评价中心，北京 100054；2.航天材料及工艺研究所 安全生产处，北京 100076； 3.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

环境风作用下高架地铁站火灾烟气迁移研究

贾海江1，陈 俍2，郭春梅3，高舒珊2，赵 明1，吴芳谷1

(1.北京市劳动保护科学研究所 职业安全卫生评价中心，北京 100054；2.航天材料及工艺研究所 安全生产处，北京 100076； 3.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

高架地铁车站公共区域一般为开放大空间的特殊结构，且一般采用自然排烟设计，自然排烟方式的有效性受排烟口位置、面积、环境风等诸多因素的影响。为探究环境风对高架地铁车站火灾过程中烟气迁移特性的影响，分析了环境风作用下的烟气运动理论，通过建立多组高架地铁车站火灾数值模型，设立火源位置、环境风速和风向变化的多种工况进行分析。研究结果表明环境风速对自然排烟效果影响较大，若风速在有效风速阈值内，则利于烟气排放和组织，环境风速小于临界风速则会产生烟气逆流，不利于烟气排放；若环境风速大于有效风速阈值，则不利于烟气流动管理。

高架地铁站；环境风；火灾；自然排烟；烟气迁移

随着社会经济的发展，地铁以其快速、舒适、环保、载客量大等优点，已成为城市公共交通的主要交通工具。城市轨道交通车站和列车是人流密集的公共场所，一旦发生灾害事故,其社会影响力、政治影响力和国际影响力十分巨大[1-3]。据统计，地铁事故灾害中，危害最大的主要是烟气和毒害物质的扩散造成的人员伤亡。

区别于地下地铁车站，高架车站一般仅在各车站设备管理用房设置通风空调系统，站台、站厅一般都采用自然排烟设计。而高架地铁车站在自然排烟条件下，火灾烟气流动组织方式受高架地铁所在位置的环境风、火源特性等因素影响，具有一定的随机性和规律性[4-6]。在诸多因素的影响下，探究高架地铁车站火灾烟气运动特性，对于做好高架地铁车站排烟、风险评估及事故应急具有重要意义。

为此，笔者针对某地铁线路中典型的高架车站，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了环境风作用下高架地铁车站火灾发生、发展过程中火灾烟气迁移规律，并探讨了高架车站火灾烟气控制的有效方式。

1 环境风作用下高架地铁车站自然排烟理论

建筑周围的环境风会影响到火灾的发展和烟气的蔓延。一系列实验的结果已经证明建筑周围的环境风对于火灾主要有两种影响：一种是给予火焰更多、更充足的氧气，从而加重火灾的剧烈程度；另一种则由于风的作用造成燃烧热量的散失及可燃气体浓度的稀释[7-9]。高架地铁火灾中，地点、空间开口数量以及环境风影响着建筑内烟气的运动。

1.1 环境风作用下的建筑外表面附加风压

根据流体力学理论，将低速运动的空气假定为不可压缩气体，假设空气以速度u流向建筑物，建筑物的各表面将产生不同的附加风压。对于矩形建筑，在环境风作用下，迎风面形成正压，其余各表面形成负压。为便于计算，可引入无量纲数风压系数Cp[10]，如式(1)所示。

(1)

其中，ΔP为余压，即环境风作用时建筑表面产生的压力与没有建筑阻拦时同等高度处大气压力之差。当环境风速为0时，风压系数为1，由于近地面随着高度减小，地表摩擦力增大，风速将逐渐降低，加上建筑的边界效应，建筑物迎风面上最大附加风压系数通常小于最大理论值1；同时，在建筑侧风面和背风面，风压系数为负值。

1.2 环境风作用下烟气流动分析理论

目前，建筑室内火灾烟气运动分析理论较多，双区域模型是一种较为简化的分析模型，其思想是将室内气体划分成气体成分均匀的热烟气层和底部低温室内空气层两个区域，具体如图1所示。通过对两个区域进行质量和能量守恒计算，可获得室内烟气层厚度、温度等参数。

图1 环境风作用下室内烟气运动模型示意图

定义自然排烟口处风速为0状态下，室内相对压强为Pin(H)，室内相对压强为Pout(H)；环境风速为u，排烟口处烟气流速为ve，补气口速度为vi。则准稳态条件下，排烟口处室内外压差相等，可表示为：

(2)

建筑补气口处压差可表示为：

(3)

其中，Cpe，Cpi分别为排烟口和补气口处建筑外表面风压系数。

假定空气和烟气为理想气体，其状态方程可描述为：

ρaTa=ρsTs≈353kg·K/m3

(4)

因建筑室内下部补入气体的温度与室外相同，可得出：

(5)

其中，ΔCp为总的风压系数，并且ΔCp=Cpi-Cpe。

排烟口和补气口的气体质量流率分别为：

(6)

(7)

其中，α为开口处的流量系数。

联立式(2)～式(7)，可计算得出排烟口处的气体质量流率为：

(8)

对于竖直排烟口可表示为：

(9)

根据Zukoski羽流模型，轴对称羽流的卷吸流率与火源功率、距离火源高度相关，则烟气产生速率可表示为：

(10)

准稳态时烟气层界面维持一定高度，此时：

(11)

同时火源通过对流传热方式进入烟气中的能量也处于稳定状态：

(12)

式中：cp为空气比热；Qc为对流热释放速率，表示火源通过对流传热进入烟气中的能量，约为火源功率的0.6～0.8倍；Qloss为烟气的热量损失；引入热量损失系数χ=Qc/Qloss。

联立式(4)、式(8)和式(12)可计算出烟气密度ρs：

(13)

联立式(8)和式(13)或联立式(9)和式(13)，可用数值解法分别计算出水平排烟和竖直排烟形式中的烟气层厚度Hs，以确定Richardson数。

2 模型构建

2.1 地铁火灾模拟分析依据

数值模拟采用FDS软件，该软件由美国国家标准与技术研究所建筑物与火灾实验室研发，经过大量全尺寸实验验证，具有较高的可靠度。

依据 《地铁设计规范》(GB50157-2013),地铁发生火灾时站内最大安全疏散时间应不小于6 min；在安全疏散时间内，采用 FDS软件计算火灾发展过程中各参数的变化情况，当火灾发展到以下任一条件时，则认为人员在这样环境中疏散是危险的,以此作为火灾模拟判断的依据。①安全高度上方的烟气层的热辐射强度能对人体构成危险，烟气平均温度大于180 ℃；②安全高度处人体直接接触的烟气温度超过60 ℃；③安全高度处有害燃烧产物CO的浓度达到0.25%；④安全高度处减光度达到影响人员行动速度的极限值，地铁空间取5 m。

2.2 模型参数

以某地铁运行线路中的一座高架地铁车站为例，建立高架地铁车站的数值计算模型，该站为地上两层建筑，一层为站厅层，二层为站台层，建筑

X、Y、Z方向尺寸分别为125 m×26 m×15 m，站厅和站台公共区域采用自然排烟方式，如图2所示。结合高架地铁车站所处位置和实际情况，设定轴向风速分别为0.0 m/s，3.5 m/s，8.0 m/s，14.0 m/s(参考不同等级风速取值)；火源位置设定分为站厅、站台、列车3种火灾场景，站厅和站台火灾火源功率设定为2.5 MW，列车火灾火源功率设定为2.5 MW和7.5 MW两种。

图2 高架车站火灾数值模型图

3 结果分析

3.1 火源对火灾过程烟气迁移影响分析

根据模型设置2.5 MW站台火、2.5 MW列车火、7.5 MW列车火，火源分别位于站台和列车内部，通过模型中相同位置处CO浓度的变化情况来分析火源位置和火源功率对火灾烟气运动的影响，如图3所示。在模型其他参数(开口面积、环境温度等)相同的条件下，火源功率对于火灾烟气浓度的影响较大，火源功率越大则CO浓度越大。同时通过分析可知，随着环境风速的增加，模型中测点的CO浓度不断降低。

图3 同一测点处不同火源位置和火源功率CO浓度

3.2 风速对火灾烟气蔓延的影响

自然排烟条件下，环境风速对于烟气迁移运动有重要影响，环境风速越大则烟气浓度越低，但风速的增加会导致建筑物内烟气流动紊乱，同时增加了烟气的扩散，如图4所示为不同风速条件下建筑物内烟气的浓度场。风速为0.0 m/s、3.5 m/s的两组模型中，烟气规律流动，且在建筑顶棚聚集，但风速为3.5 m/s时烟气有逆风回流现象。风速为8.0 m/s和14.0 m/s的两组模型中，烟气流动紊乱，扩散至模型各个区域，没有烟气逆风回流现象。

根据受限空间火灾烟气流动理论可知，在高架地铁车站这样的大空间中也存在阻止烟气逆风蔓延的临界风速，当风速大于临界风速时，烟气不会逆风蔓延。大量的研究表明临界风速与气体密度、空间高度、环境温度、火源功率等参数存在一定关系，并有学者[11]研究隧道排烟后提出临界风速的计算公式：

图4 同一时刻(300 s)不同风速条件下2.5 MW站台火灾纵向烟气浓度场

(14)

式中：ks为隧道坡度修正系数，ks=1.0-0.034i,i为隧道坡度；β为对流热量修正系数，β=0.98-0.003 5Q(Q<280 MW)；B为当量直径；z为隧道高度；ΔTmax与T0之比的根号值受火源功率影响，30 MW时为1.381，50 MW时为1.553。

根据以上理论可类推出高架地铁车站自然排烟的临界风速：

(15)

式中：β为对流热量修正系数，β=0.98-0.003 5Q(Q<280 MW)；D为排烟口当量直径；H为火灾空间高度；φ为烟气温度修正系数，φ=1.158e0.005 9Q。根据式(15)可计算得出高架地铁火灾2.5 MW火源功率下的临界风速为3.97 m/s，7.5 MW火源功率下的临界风速为3.37 m/s。

3.3 环境风速对烟气特性参数的影响

不同火源功率条件下，列车火灾过程中，在同一探测位置，烟气探测响应时间如图5所示。可以看出随着风速的增大，CO浓度、烟气层厚度、烟气温度和环境温度均不断减小，同时不同火源功率对于以上烟气的特性参数值影响较大；尤其是对于烟气层厚度来说，随着风速增大，不同火源功率条件下的烟气层厚度不断减小，直至为0，从图4也可直接观察到火灾烟气此时扩散至整个空间，且没有明显的烟气分层。

图5 不同火源功率同一时间同一测点处各参数随环境风速变化曲线

根据分层流不稳定性理论，引入Richardson无量纲数可判定烟气层稳定性，有研究表明Richardson数大于0.5时，环境气流和烟气之间的分层才可维持。

(16)

可推导出烟气层和环境之间的速度差值，即：

(17)

式中：ρa，ρs分别为空气密度和烟气密度；Hs为烟气层厚度。

在前续描述的基础上，可认为风速的不断增加可有效减少建筑物内烟气浓度，但火灾发展到稳定阶段后烟气产生速率趋于稳定，模型中烟气浓度降低幅度减小，反而增加了建筑物内的烟气扩散程度，可以认为在自然排烟条件下存在一个有效风速阈值，环境风速在这样的阈值内则是利于自然排烟和烟气组织的，即：

(18)

烟气危险特征高度：当实际的烟气层厚度大于烟气危险特征高度时，则认为是安全的，即h≥Hl，其中，Hl可按公式Hl=1.6+0.1H计算，一般车站内可按照2 m取值。算例中取烟气层厚度最大危险厚度为1 m，假定空气密度为1.23 kg/m3，烟气密度为1.10 kg/m3，则可计算出Δu=1.47 m/s。由此可得高架地铁火灾2.5 MW火源功率下的有效风速阈值为3.97 m/s

4 结论

环境风对于开放空间的高架地铁车站的烟气迁移具有一定影响，同时存在一个临界风速，在环境风速大于临界风速时，高架地铁车站自然排烟效果明显；但风速过大则会导致烟气流组织紊乱，不利于烟气管理，同时会增大烟气扩散效应。因此，提出有利于烟气排放和组织管理的有效风速阈值，由临界风速和烟气层稳定相对速度共同构成，uc

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JIA Haijiang:Assistant Professor; Evaluation Center of Occupational Safety and Health, Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054, China.

Research on Fire Smoke Migration of Elevated Metro Station under Environmental Wind

JIAHaijiang,CHENLiang,GUOChunmei，GAOShushan,ZHAOMing,WUFanggu

Public area of elevated metro station is a special opening space, and take natural smoke exhaust design. Effectiveness of natural smoke exhaust is affected by many factors, such as smoke outlet location, area and surrounding wind. In order to explore the influence of surrounding wind to smoke migration characteristics during the fire of high-priced subway station, the theory of smoke movement under the environmental wind is analyzed. Through setting different fire location, wind velocity, and wind direction, multi-group fire numerical model is built. The results show that the environmental wind speed has a great influence on the effect of natural smoke. If the wind speed is within the effective wind speed threshold is conducive to flue gas emissions and organization, the ambient wind speed is less than the critical wind speed will produce flue gas upstream, is not conducive to flue gas emissions. If the ambient wind speed is greater than the effective wind speed threshold is not conducive to flue gas flow management.

elevated metro station； environmental wind； fire； natural smoke exhaust; smoke migration

2095-3852(2017)04-0391-06

A

2017-03-21.

贾海江(1986-)，男，北京人，北京市劳动保护科学研究所职业安全卫生评价中心助理研究员，主要研究方向为安全评价、安全管理与应急管理.

建筑安全与环境国家重点实验室开放课题基金项目(BSBE2014-01).

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.004