空气幕对城际铁路地下车站火灾烟气控制数值分析*

王明年，郭晓晗，于 丽，田 源

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

随着我国城际铁路网络规划日益完善，涌现出越来越多的城际铁路地下车站(以下简称地下车站)，如天津于家堡站、深圳福田站等。地下车站为地下半封闭空间，与地面建筑相比，地下车站直通地面的疏散通道数量较少，烟气生成量较大且难以消散[1]。地下车站较地铁地下车站埋深大10～30 m，火灾规模大5～10 MW[2]，同时存在人员携带大件行李多等特点。因此，地下车站内一旦发生火灾，高温烟气将严重地影响站内疏散人员的生命财产安全，空气幕作为柔性阻断，可有效隔绝高温烟气蔓延，而且不影响人员正常疏散[3]，在高层建筑及地铁车站中应用广泛，可考虑作为城际铁路地下车站的控烟措施进行设计。

目前，国内外学者多采用模型实验和数值模拟等方法对不同建筑物中空气幕控烟效果进行了研究。在高层建筑领域中：Luo等[4-5]通过缩尺模型实验和FDS数值模拟明确了挡烟垂壁、单层、双层空气幕控烟效果，及设计参数；赵贤等[6]利用FDS建立长廊型高层建筑模型，研究空气幕射流角度、风量、位置等参数。在地铁车站领域中：陈静等[7]利用FDS建立三维多层地铁车站，论证站台排烟和空气幕应联合作用；张培红等[8]以5层地铁车站为研究对象，利用FDS研究了射流角度对送风效果影响。在隧道、巷道领域中：Guo[9]等利用数值模拟方法双喷空气幕阻挡热质交换和CO扩散，创造逃生通道进行了研究；Wang等[10]通过对比模型实验与FLUENT数值模拟结果，给出用于巷道避难所的最优空气幕形式及射流压力。

综上所述，目前空气幕研究成果主要集中应用于高层建筑、地铁车站、巷道等建筑形式，因此，现有研究成果应用于地下车站的合理性有待进一步研究证实。

基于此，以某典型城际铁路地下车站岛式站台层为依托，建立全尺寸地下车站站台层模型，采用三维火灾动力学模拟软件FDS，研究空气幕设于站台与轨行区间时对地下车站内火灾高温烟气向楼梯和站台区域扩散的控制效果，并对单吹式、吹吸式2种空气幕的射流参数进行优化，以期为城际铁路地下车站防灾控烟技术提供一定参考。

1 空气幕原理及模型建立

1.1 空气幕原理

空气幕由风幕机所送风量经一定宽度风口喷出而形成，具有较高能量，衰减较慢。当幕状气流动能水平向分量不小于烟气来流动量时，空气幕可有效阻隔烟气。本文研究的空气幕类型有2种，即单吹式空气幕和吹吸式空气幕，其幕状气流形成原理如图1所示。单吹式空气幕，采用自上向下的送风方式，若射流速度过大，将撞击壁面引发回流，进而扰乱火灾原有流场。吹吸式空气幕，在单吹式的基础上增加了回风口，将锥形状态射流重新聚拢，减弱射流撞击壁面后的回流现象，使空气幕能量更充足、稳定。

图1 空气幕原理示意Fig.1 Schematic diagram of air curtain principles

1.2 站台层模型建立

城际铁路地下车站为包含站台层、站厅层的多层结构。重点研究着火列车停靠站台时烟气扩散规律。因此，参考某典型岛式城际铁路地下车站实际尺寸构建站台层三维模型，如图2所示。站台长度为220 m，宽度为11.5 m，着火列车为CRH3型，车厢尺寸为25.85 m×3.265 m×3.89 m，停靠于站台右侧到发线中部：考虑列车进站时火灾已到达充分燃烧阶段，火灾规模为15 MW，着火区域已蔓延1/4个车厢[11]，大小为6.206 m×3.265 m。轨行区断面为4.5 m×6.85 m，轨行区顶部分设4个2.5 m×2 m排烟口，楼梯宽度为4 m，由于已建成的地下车站工程实例较少设置站台门且出于最不利工况考虑，模型中不设置站台门。依据《铁路防灾疏散救援工程设计规范》[12]《建筑防烟排烟系统技术标准》[13]等相关规范计算排烟量，根据公式(1)确定排烟风速为3.5 m/s，燃烧开始后开启排烟风机，总排烟量为252 000 m3/h。

图2 计算模型(单位:m)Fig.2 Calculation model (unit:m)

(1)

式中：m为排烟量，m3/s；n为排烟口个数；A为排烟口面积，m2。

空气幕设于靠近着火列车一侧站台与轨行区之间，射流宽度为0.4 m。在数值模拟过程中，网格尺寸越小，结果越精确，消耗的计算资源更多，因此一般采用火源特征直径D*确定网格大小，当网格尺寸为特征直径的1/10时，结果较为精确，火源特征直径计算公式如下：

(2)

式中：Q为火灾热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3；cp为空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

经式(2)计算，网格尺寸选为0.5 m×0.3 m×0.2 m，楼梯处网格加密为0.3 m×0.3 m×0.2 m，网格数量约为103万。

站台和楼梯上均布置监测点，高度为人眼特征高度即2 m，如图3所示。站台横向布置5列监测点，最靠近列车一列测点距站台边缘0.7 m，各列间距2.7 m；纵向布置27行监测点，距火源中心点前后30 m范围内测点间距为5 m，超过此范围测点间距为10 m；楼梯上测点位于踏步中间。根据《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[12]、美国NFPA130规范[14]关于人员疏散时间不得大于6 min的规定，数值模拟时长取6 min。

图3 测点布置(单位:m)Fig.3 Layout of measuring points (unit: m)

1.3 数值模型验证

为验证所建立数值模型的可靠性，采用数值模拟软件FDS及边界条件，对Hu等[15]研究的3 m/s空气幕作用下隧道火灾烟气分布模型试验开展数值模拟，通过对比360 s内空气幕左侧、右侧对应测点温度变化规律验证数值模拟的可靠性。原模型尺寸为3.6 m×0.6 m×0.66 m，火灾规模为2 kW，模型北侧有一开孔，尺寸为0.2 m×0.42 m，空气幕射流风速为3 m/s。空气幕左侧、右侧对应测点温度变化规律如图4所示，可见数值计算结果与模型试验结果较为吻合，说明运用该数值模拟方法研究空气幕对地下结构火灾烟气可见度和温度分布规律具有较好的适用性。

图4 空气幕左侧、右侧对应测点温度变化规律Fig.4 Temperature variation of measuring points on left and right side of air curtain

2 单吹式空气幕控烟效果分析

单吹式空气幕的控烟效果主要由射流速度、射流角度控制，分别选择5～15 m/s，0°～20°范围进行分析。共设计15种工况，如表1所示。依据《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[18]选取人眼特征高度2 m处烟气温度不超过60 ℃、可见度不低于10 m作为保证人员安全的控制标准。

2.1 射流风速对控烟效果的影响

单吹式空气幕在不同射流风速下楼梯可见度、温度分布规律如图5～6所示。由图5可知，布置单吹式空气幕后，楼梯各测点位置处可见度均高于10 m，射流风速9 m/s达到可见度分布临界状态。当射流风速<9 m/s时，可见度随高度升高逐渐下降，最小值在12～15 m之间；当射流风速≥9m/s时，可见度随测点高度升高逐渐增大至30 m，且随射流风速增大影响程度逐渐减小。

由图6可知，射流风速9 m/s时达到温度分布临界状态。当射流风速<9 m/s时，温度随高度升高逐渐增

表1 单吹式空气幕工况设置Table 1 Setting of single-blowing air curtain working conditions

图5 楼梯处可见度分布规律Fig.5 Distribution of visibility at stairs

加，在5.15～7.35 m高度范围部分测点温度超过60 ℃，最大值在66～76 ℃之间；当射流风速≥9 m/s时温度随测点高度升高逐渐下降，整体低于60 ℃，且随射流风速增大影响程度逐渐减小。

图6 楼梯处温度分布规律Fig.6 Distribution of temperature at stairs

综合楼梯处温度和可见度分析，射流风速<9 m/s时单吹式空气幕不能有效阻隔烟气沿楼梯向上蔓延并存在烟气在楼梯口聚集的现象，难以保证人员沿楼梯疏散过程中的安全；射流风速≥9 m/s时，可满足安全要求。

单吹式空气幕在不同射流风速下站台可见度、温度分布规律如图7～8所示。在所有射流风速条件下，站台可见度、温度分布规律基本一致，距火源中心点前后50 m范围内可见度急剧降低，逼近或低于10 m，超出此范围，可见度均为30 m。距火源中心点前后40 m范围内温度急剧升高超过60 ℃，超出此范围，温度增长缓慢。因此，截取距火源点前后50，40 m范围，分析射流风速对站台可见度、温度影响。

图7 站台可见度分布规律(距火源中心点前后50 m)Fig.7 Distribution of visibility at platform (front and back 50 m from center of fire source)

由图7可知，射流风速为9 m/s时达到可见度分布临界状态，最小值在6～10 m之间。射流风速<9 m/s时，可见度低于10 m区域为距火源中心点前后5 m范围；射流风速≥9 m/s时，仅火源中心点可见度低于10 m。

图8 站台温度分布规律(距火源中心点前后40 m)Fig.8 Distribution of temperature at platform (front and back 40 m from center of fire source)

由图8可知，射流风速12 m/s时达到温度分布临界状态，温度最大值在130～220 ℃之间。射流风速>12 m/s时温度超过60 ℃区域在距火源中心点前20 m后15 m范围内波动，最小达到距火源中心点前10 m后15 m范围。

通过分析站台温度和可见度可知，调整单吹式空气幕射流风速并不能完全保证站台绝对安全，但由于危险区域距离人员疏散路径较远，因此当其长度基本不随射流风速变化时认为站台相对安全。综合考虑射流风速对楼梯、站台区域的影响，认为单吹式空气幕射流风速为12 m/s时防烟效果良好且趋于稳定。

2.2 射流角度对控烟效果的影响

当射流风速为15 m/s时，在不同射流角度下楼梯可见度均为30 m，不同射流角度下楼梯温度分布规律，如图9所示。温度均低于40 ℃，最大值在20～37 ℃之间，随射流角度增大，整体温度逐渐降低，影响程度逐渐减小，证明射流角度变化不会引起楼梯处烟气分布规律发生巨大变化。

图9 楼梯处温度分布规律Fig.9 Distribution of temperature at stairs

射流角度的变化不会影响采用单吹式空气幕时站台可见度、温度分布规律，因此仍分别截取距火源中心点前后50，40 m范围进行分析。单吹式空气幕在不同射流角度下站台可见度、温度分布规律如图10，11所示。

图10 站台可见度分布规律(距火源中心点前后50m)Fig.10 Distribution of visibility at platform (front and back 50 m from center of fire source)

图11 站台温度分布规律(距火源中心点前后40 m)Fig.11 Distribution of temperature at platform (front and back 40 m from center of fire source)

由图10可知，射流角度为10°时达到可见度分布临界状态，可见度最小值在5～8 m之间，相差不大。当射流角度<10°时，可见度低于10 m区域为距火源中心点前后5 m范围；当射流角度≥10°时，可见度低于10 m区域逐渐由累计7 m增大至累计15 m且向火源中心点后方偏移。

由图11可知，射流角度为15°时达到温度分布临界状态，最大值在187～276 ℃之间。当射流角度<15°时，温度超过60 ℃区域基本为距火源中心点前10 m后15 m范围；当射流角度≥15°时，随射流角度逐渐增大，温度超过60 ℃区域逐渐增大由累计24 m增大至累计31 m。

通过分析站台温度和可见度可知，在一定范围内调整单吹式空气幕射流角度可以提高控烟效果，但射流角度过大时反而会加速烟气扩散。因此，在射流角度为15 m/s时，综合考虑射流角度对楼梯、站台区域的影响，认为单吹式空气幕射流角度为10°时防烟效果良好且趋于稳定。

3 吹吸式空气幕控烟效果分析

吹吸式空气幕的控烟效果主要由射流速度控制，同样选取5～15 m/s范围分析吹吸式空气幕防烟效果受射流风速的影响。因此，共设计11种工况，如表2所示。人员安全控制标准与上文一致。

吹吸式空气幕在不同射流风速下楼梯可见度、温度规律如图12～13所示。由图12可知，布置吹吸式空气幕后，楼梯可见度高于15 m，射流风速8 m/s达到可见度分布临界状态。当射流风速≤8 m/s时，各测点位置处可见度随高度升高逐渐降低，最小值在16～24 m之间；当射流风速>8 m/s时，可见度均为30 m。

表2 吹吸式空气幕工况设置Table 2 Setting of blow-draw air curtain working conditions

图12 楼梯处可见度分布规律Fig.12 Distribution of visibility at stairs

由图13可知，射流风速7 m/s时达到温度分布临界状态。当射流风速<7 m/s时，温度高度升高逐渐增加，在5.75～7.35 m高度范围部分测点温度超过60℃，最大值分别为64.0，62.4 ℃；当射流风速≥7 m/s时，温度均低于60 ℃，高度对温度变化影响逐渐减弱；射流风速≥12 m/s后温度基本为20～25 ℃间一定值。

图13 楼梯处温度分布规律Fig.13 Distribution of temperature at stairs

综合楼梯处温度和可见度分析，射流风速<7 m/s时空气幕不能有效阻隔烟气沿楼梯向上蔓延并存在烟气在楼梯口聚集的现象，难以保证人员沿楼梯疏散过程中的安全；射流风速≥7 m/s时，可满足安全要求。

吹吸式空气幕在不同射流风速下站台可见度及温度分布规律如图14～15所示，站台可见度、温度规律与单吹式基本一致，但急剧变化区域均缩小为距火源中心点前后25 m范围。因此，截取距火源中心点前后25 m范围分析吹吸式空气幕射流风速对站台可见度、温度分布规律的影响。

图14 站台可见度分布规律(距火源中心点前后25 m)Fig.14 Distribution of visibility at platform (front and back 25 m from center of fire source)

图15 站台温度分布规律(距火源中心点前后25 m)Fig.15 Distribution of temperature at platform (front and back 25 m from center of fire source)

由图14可知，所有射流风速下，可见度低于10 m区域均为火源中心点，随射流风速增大可见度低于10 m区域基本不变，可见度最小值在6～11 m之间。

由图15可知，射流风速8 m/s时达到温度分布临界状态，温度最大值在140～230 ℃范围内波动。当射流风速≥8 m/s时，温度超过60 ℃区域不超过距火源中心点前后10 m范围，最小达到距火源中心点前后5 m范围。

与单吹式空气幕类似，调整吹吸式空气幕射流风速并不能完全保证站台绝对安全，只能实现相对安全。综合考虑射流风速对楼梯、站台区域的影响，认为吹吸式空气幕射流风速为8 m/s时防烟效果良好且趋于稳定。

4 单吹式、吹吸式空气幕控烟效果对比

经过上述分析，采用单吹式、吹吸式空气幕虽然不能保证站台绝对安全，但均可有效阻隔高温烟气向楼梯蔓延。分别选取控烟效果相近的单吹式、吹吸式空气幕工况进行对比分析，如表3所示，控烟效果相近时，吹吸式空气幕射流风速较小。采用单吹式、吹吸式空气幕下站台最小危险区域，如表4所示，采用吹吸式空气幕时站台最小危险区域较单吹式空气幕小15 m。因此，认为火灾情况下吹吸式空气幕控烟效果优于单吹式空气幕，建议在城际铁路地下车站中使用吹吸式空气幕进行防灾控烟设计。

表3 不同形式空气幕控烟效果对比Table 3 Comparison of smoke control effect with different forms of air curtain

表4 极限状态下不同形式空气幕控烟效果对比Table 4 Comparison of smoke control effect with different forms of air curtain under limit state

5 结论

1)通过分析射流风速5～15 m/s、射流角度0～20°共15种工况下站台及楼梯处温度与可见度分布规律，确定单吹式空气幕射流风速为12 m/s、射流角度为10°时防烟效果良好，可将站台危险区域控制在距火源点前20 m后15 m范围。

2)通过分析射流风速5～15 m/s共11种工况下站台及楼梯处温度与可见度分布规律，确定吹吸式空气幕射流风速为8 m/s时防烟效果良好，可将站台危险区域控制在距火源点前后10 m范围。

3)对比单吹式、吹吸式空气幕控烟效果可知，控烟效果相近时吹吸式空气幕射流风速较单吹式小50%；射流风速相近时吹吸式空气幕所能实现的站台最小危险区域较单吹式小15 m。综合以上2点，建议在城际铁路地下车站中使用吹吸式空气幕。