细水雾对地铁站厅层火灾烟气危险特性参数的影响*

樊 艳 韩雪峰 蒋军成

细水雾对地铁站厅层火灾烟气危险特性参数的影响*

樊 艳1，2韩雪峰1，2蒋军成1，2

（1.南京工业大学火灾与消防工程研究所，210009，南京；2.南京工业大学安全科学与工程学院，210009，南京∥第一作者，硕士研究生）

针对地铁站厅层的火灾特点，在自然通风的情况下，分别对有无细水雾作用的地铁站厅层火灾烟气情况进行数值模拟。得出火场内温度以及CO2、CO、O2的摩尔分数等烟气危险特性参数的变化和疏散安全指数的变化，指出细水雾对站厅层火灾烟气CO2、O2的摩尔分数降低作用明显，更利于人员安全疏散。

地铁站厅层；细水雾；火灾烟气；特性参数；数值模拟

地铁站厅层为人们往返站台层的相对狭小的空间，人员密集，一旦发生火灾，容易造成群死群伤。从20世纪80年代开始，相关学者就开始研究如何防治地铁火灾［1］。文献［1-3］对地铁车站火灾进行了数值模拟及疏散方案研究，文献［4］对地铁内楼梯口进行了全尺寸火灾试验及数值模拟。细水雾具有灭火、吸热、降低烟气中有害物质浓度和提高能见度的作用，在封闭空间主动灭火方面得到广泛应用。

本文应用火灾动力学模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator），分别在有、无细水雾作用两种工况下，对地铁站厅层火灾进行数值模拟，对比分析两种工况下的烟气特性参数，以此来探究细水雾对火灾烟气危险特性参数的影响。

1 地铁站厅工程概况

本文以某地铁站地下1层站厅为例。该地铁站有2层，地下2层为站台层，地下1层为站厅层。本文模拟的是乘客未刷卡进入，在通道内的工况。站厅长度为120 m，宽为23 m，高为4 m。此站台有4个出入口，各出入口宽度设置均为4 m，每个出入口都分布有楼梯或扶梯与站台层和外界相连，且满足技术和防火要求。模拟计算仅对站厅层发生火灾时烟气的运动进行模拟。具体平面布置如图1所示。

2 网格设定

在实际模拟过程中，根据具体的计算区域大小来确定网格的大小，只要网格大小达到0.05D~0.10D（D为火源特征直径），都可认为满足数值模拟网格质量的要求［5］。D 由以下公式［6］计算：

式中：

Q——热释放速率，取10 MW；

ρ0——环境空气密度，取1.205 kg/m3；

C0——空气比热，取1 012 J/（kg·℃）；

T0——环境温度，取25℃；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

经计算，D=6 m，故0.05 D=0.3 m，0.10 D=0.6 m。因此，为了精确模拟细水雾对地铁站厅层火灾烟气危险特性参数的影响，确定网格大小为0.4 m×0.4 m×0.4 m。

图1 某地铁站厅层平面布置图

3 模型的建立

3.1 参数设定

根据国内外地铁的燃烧研究结果，可燃物多为纤维类物质。对于地铁火灾热释放速率的大小，英美等国研究大多采用的火源功率为5~50 MW［7］，且重点研究10 MW工况。我国学者采用的火源功率为 5 MW 和 10 MW［7］、10.5 MW［8］、10.8 MW［9］、7.5 MW［10-11］。本文建立的站厅层模型，与人防工程相融合，平时可作为地下商场、商业街使用，紧急情况下作为人防工程，建筑面积较大、人员密集、人流量大、可燃物多。本文结合国内外的研究现状和研究模型特点，采用较不利的状况。较不利状况计算结果可以用来判断细水雾能否满足此站厅层火灾模式下的需要，将火源功率设置为10 MW，火源设置在报刊亭，尺寸为2 m×1 m。火灾形式为快速增长火，即满足如下公式：

式中：

Q——火源功率，kW；

α ——火源增长系数，取0.046 89 kW/s2［12］；

t——火灾发展时间，s。

通过计算可知，在t=462 s时，火源功率达到最大值。

3.2 模型的建立

真实的地铁站厅层具有复杂的结构，而本文主要研究自然通风条件下地铁站厅层发生火灾后细水雾对烟气特性参数的影响，而站厅层处于地下，受外界干扰气流的影响小，空气龄较长，空间内一些小的功能性建筑设施对细水雾作用的影响不大。因此，为了便于建模，本文作如下简化：

（1）站厅简化为长方体，忽略站厅立柱；

（2）站厅内商铺、设备间处于常闭状态，发生火灾时，烟气不进入此区域，故站厅模型中各商铺、设备间未一一建模；

（3）忽略广告灯箱、指示牌、门把手等附属物。

3.3 工况设定

工况一：在站厅层未设置任何灭火系统。模拟地铁站厅层在自然通风的情况下，烟气扩散蔓延和危险特性参数变化情况。

工况二：在站厅层配置高压细水雾系统。根据相关资料［13］，高压细水雾闭式喷头的安装间距不大于3.0 m，不小于2.0 m，距离墙不大于1.5 m。因此，本模型沿站厅层长度方向设置8组闭式喷头，相邻两组距离3.0 m，同组内两喷头间距3.0 m，喷头与墙的距离1.0 m。喷头流量10 L/min，每秒液滴数5 000，急流偏移0.05 m。

在火源上方设置测点，监测火源强度变化；在站厅层出入口设置测点，人员疏散及消防救援都必须经过此位置，便于掌握此处烟气及温度变化规律，为火灾工况下逃生提供数据参考。7个测点的分布图、位置坐标以及设置的测量装置见图2和表1。

图2 测点坐标分布图

表1 测点位置坐标

火灾工程学认为，当实际的烟气层高度h大于临界安全高度Hc时，则认为是安全的。Hc可按下式计算［10］：

式中：

Hc——烟气临界安全高度，m；

H——站厅顶棚高度，m。

本文站厅层高度为4 m，所以临界安全高度为2 m。在此高度测量站厅层火灾烟气温度及CO2、CO、O2的摩尔分数等特性参数。

4 模拟结果及分析

4.1 工况一模拟结果及分析

4.1.1 温度及CO2、CO、O2的摩尔分数

温度及CO2、CO、O2的摩尔分数是反映火灾烟气属性的重要特性参数。图3为2 m安全高度不同测点的温度及CO2、CO、O2的摩尔分数的变化图。

由图3 a）可知，火灾发生后，测点2温度迅速增加至500℃，大约540 s时达到最高温度930℃左右。根据相关文献，2 m以下空间内的烟气温度超过100℃人的安全就会受到严重威胁［14］。模拟结束时，测点2烟气温度已增加至825℃，远远高于安全温度，其余测点烟气温度均低于100℃。

图3 工况一火场各特性参数随时间的变化图

由图3 b）可知，火灾发生后，在0~200 s，测点2的CO2的摩尔分数缓慢增加至0.008 7；在200~550 s，急剧增加至0.074；550 s后增幅缓慢，但总体呈增加趋势。根据相关文献，允许人员逃生避难的环境CO2的摩尔分数需低于0.05［15］。模拟结束时，测点2的CO2的摩尔分数为0.074 6，已严重高于安全摩尔分数，其他区域CO2的摩尔分数均低于安全摩尔分数0.05。

由图3 c）可知，模拟结束时，所有测点的CO摩尔分数均低于1.400×10-3。根据相关文献，通常允许人员逃生避难的CO摩尔分数需低于1.400×10-3［15］。这是因为在自然通风的情况下，O2量充足，燃烧充分，生成的CO很少。

由图3 d）可知，火灾发生后，在0~400 s，测点2的O2摩尔分数缓慢减少至18.6%；400~450 s，呈直线下降，降至13.1%；450 s后，O2摩尔分数变化缓慢，但总体呈下降趋势。根据相关文献，允许人员逃生避难的O2最低摩尔分数为14%［16］。模拟结束时，测点2的O2摩尔分数为12.5%，已低于最低安全浓度，其他测点的O2摩尔分数均高于最低安全浓度。

通过以上分析可知，在自然通风情况下，工况一发生火灾后，随着烟气不断向起火点周围扩散，2 m安全高度处截面的温度、CO2摩尔分数不断增加，O2摩尔分数不断减少。模拟结束时，火羽流区2 m安全高度处温度已达825℃，CO2摩尔分数度已达0.074 6，O2摩尔分数已低至12.5%。此时烟气已经扩散至站厅层两端、楼梯和扶梯处。在2 m安全高度除火羽流区外的其他测点的温度及CO2、CO、O2处摩尔分数均在安全范围内。

4.1.2 Y方向不同位置火灾烟气温度场变化

在 Y=2.0 m、Y=4.5 m、Y=11.5 m、Y=21.0 m 4处设置温度切片，站厅层火灾烟气温度情况如图4所示。

图4 工况一火场不同位置温度场分布图

从图4可以看出，随着烟气不断向起火点周围扩散，2 m安全高度截面处的烟气温度不断增加。300 s时，除火羽流区外，2 m安全高度截面其他位置均低于安全温度，此时烟气并未扩散开来。600 s时，火羽流区2 m安全高度截面处烟气温度约220℃，此时烟气已经扩散到站厅层两端和楼梯、扶梯处，但除火羽流区和站厅层左端稍有超过安全温度外，其他2 m安全高度截面位置的烟气温度均低于安全温度，满足要求。

4.2 工况二模拟结果及分析

4.2.1 温度及CO2、CO、O2摩尔分数

工况二设置高压细水雾灭火系统，通过细水雾进行灭火、降温、稀释和吸收，并运用FDS软件模拟细水雾对烟气危险特性参数的影响。图5为工况二不同测点的温度及CO2、CO、O2摩尔分数比较图。

模拟结束时，工况二测点2处的烟气温度已增加至758℃，而工况一测点2的烟气温度已增加至825℃，其他测点的烟气温度有不同程度的降低。虽然此模拟中，细水雾对烟气的降温作用不是很明显，但也可以看出细水雾的降温作用。

模拟结束时，工况二测点2的CO2摩尔分数已降至0.022 4，而工况一测点2的CO2摩尔分数已增加至0.074 6，已严重高于0.05，其他测点的CO2摩尔分数有不同程度的降低。

模拟结束时，工况二测点2处O2摩尔分数已增加至17%，而工况一测点2的O2摩尔分数已降至12.5%。其他测点的O2摩尔分数变化不明显，但均已在安全范围内。

因自然通风，工况二和工况一测点2处CO摩尔分数均低于危险CO摩尔分数。

本次模拟采用闭式喷头，闭式喷头的启动条件为其所在位置的温度达到57℃。通过表2的各测点模拟数据可以看出，虽然整个站厅层设置了很多细水雾喷头，但能达到启动温度的喷头并不多，而测点2正好处于火源的上方1 m处，所以温度变化并不明显。

随着燃烧的进行，工况二O2摩尔分数迅速下降，在细水雾作用之后，又迅速回升，结合图5 c中CO的摩尔分数迅速上升的现象，可知此时细水雾吸收空气中的热量蒸发为水蒸气，水蒸气抢占空间中O2的位置，稀释O2，使得O2摩尔分数降低，使此时燃烧不完全，CO的摩尔分数增加。这体现了细水雾的隔氧阻燃效果。这与文献［17］利用细水雾抑制煤油火源的实验结果有相似的变化趋势。

图5 工况二火场各特征参数随时间的变化图

表2 有无细水雾对站厅层火灾烟气的危险特性参数的影响（火灾发生600 s）

4.2.2 Y方向不同位置火灾烟气温度变化

在 Y=2.0 m、Y=4.5 m、Y=11.5 m、Y=21.0 m 4处设置温度切片，站厅层火灾烟气温度情况如图6所示。

从图6可以看出，施加细水雾后，烟气从起火点向周围扩散，2 m安全高度截面温度不断增加。600 s时，通过与图4对比可以看出，细水雾作用后火羽流区2 m安全高度截面处烟气温度有所降低。站厅层左端温度在100℃左右，基本满足要求。模拟结束时，除火羽流区，其他2 m安全高度截面位置的烟气温度均低于安全温度，满足要求。

图6 工况二火场不同位置温度场分布图

4.3 使用细水雾前后人员疏散安全指数对比

因为本模拟是在自然通风工况下，氧气比较充分，故基本能燃烧完全，生成的CO量较少，故以CO2摩尔分数达到安全阈值的时间为量化指标［18］。

使用细水雾前：

使用细水雾后：

式中：

Is——安全指数；

tase——可用疏散时间；

trse——必需疏散时间。

其中trse通过GB 50157—2013《地铁设计规范》第28.2.12条计算公式计算得到。

通过计算可得：Is2比Is1增加了1.08倍。由此可见，使用细水雾可增加人员安全疏散时间，为人员安全疏散提供了保障。

5 结论

本文应用FDS软件对站厅层火灾时有无细水雾作用的烟气情况进行模拟研究，分析细水雾对烟气温度以及CO2、CO、O2摩尔分数等危险特性参数的影响情况。通过对比分析，得出以下结论：

（1）在站厅层，细水雾对火灾烟气的CO2摩尔分数、O2摩尔分数作用明显，但在火羽流区对烟气的降温作用并不明显。虽然施加细水雾后，CO摩尔分数比未施加细水雾的工况高，但CO摩尔分数并未超过安全范围；施加细水雾后，测点2（火源上方1 m处）的CO2摩尔分数在0.022 4左右，O2摩尔分数和CO摩尔分数均控制在安全范围内。虽然测点2温度在758℃左右，已超过安全温度，但已比工况一有好转。其余测点均符合要求。

（2）采用细水雾，一方面可以有效灭火；另一方面可以将烟气温度、CO2摩尔分数、CO摩尔分数、O2摩尔分数等危险特性参数控制在安全范围内，有效降低了烟气的危害性，人员疏散安全指数增加1.08倍，为保证人员安全疏散提供了保障。同时，建议在此站厅层设置机械排烟和细水雾共同作用，但其耦合作用效果有待进一步验证。

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Effect of Water Mist on Hazardous Characteristic Parameters of Fire Smoke in Subway Station Hall

FAN Yan，HAN Xuefeng，JIANG Juncheng

Aiming at the characteristics of subway station hall fire and under the natural ventilation，subway station fire is simulated in the condition of water mist and the condition without water mist separately.The variation of hazardous characteristic parameters,including fire temperature，the mole fraction of CO2，CO and O2，and the changes of SI(safety index)are obtained.The collected data show that the effect of water mist in reducing the mole fraction of CO2and O2is obvious，that will help passengers in safety evacuation.

subway station hall；water mist；fire smoke；characteristic parameter；numerical simulation

U231+.96

10.16037/j.1007-869x.2017.11.010

Author′s address Fire and Fire Engineering Research Institute of Nanjing Tech University，210009，Nanjing，China

*2013年国家安全生产重大事故防治关键技术项目

2016-02-24）