地铁烟气过站火灾特性研究

石 锐

西咸新区轨道交通投资建设有限公司 西安 713200

0 研究背景

地铁车站在主城区一般为地下敷设，当线路敷设在主城区以外时，多采用地面或地上敷设，线路从地下转至地面时，会出现地下车站与短隧道连接的形式，在短隧道一段设置隧道风机（TVF）时明显是不经济的，此时可利用连接车站的另一端隧道的隧道风机（TVF）服务于短隧道，但存在洞口区间出故障时，可能出现区间烟气过站的现象，影响站台安全。

由于车站靠洞口侧隧道未设置隧道风机（TVF），仅在洞口至车站的隧道区间内设置射流风机，一旦出洞口列车车尾或进洞口列车头在隧道内着火并滞留其中，为了及时排除火灾有害烟气，则须开启射流风机向着火列车送风，同时车站另一端两台隧道风机（TVF）开启排风，此时会造成高温烟气经过车站轨行区，若烟气温度过高造成屏蔽门破裂以致高温有害气体进入站台区域，将对站台人员安全造成不利影响，为此本文采用FDS建立计算模型，模拟烟气过站车站屏蔽门附近的温度场和CO浓度分布，校核其温度是否超过屏蔽门破裂上限值800℃以及CO浓度是否超过安全值1000ppm。

1 数值计算模型

常用的商业模拟软件有Fluent、Star-CD等，这些软件在模拟建筑物热湿环境方面有不可逾越的优势，因此其可以应用到列车进站时站台热湿环境的模拟当中；但这些软件在模拟车站火灾时常遇到的问题是火源附近的温度和速度被高估。为此，采用FDS (Fire Dynamics Simulation)对车站火灾进行模拟。

1. 1 火灾控制方程

火灾控制微分方程如下：

1.2 紊流及燃烧模型

FDS的湍流模型分为大涡模拟(LES)和直接模拟(DNS)。本文采用大涡模拟湍流模型进行数值计算。大涡模拟把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和亚尺度运动两部分。大尺度涡是载能涡，且各向异性，大尺度运动通过对Navier-Stokes方程式直接求解计算出来；亚尺度涡是耗散涡，且各向同性，亚尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似于雷诺应力的应力项，称为亚尺度雷诺应力，通过建立模型进行计算来实现能量耗散，FDS大涡模拟采用Smagorinsky亚尺度模型，粘性系数表示如下：

默认采用的燃烧模型为混合分数（mixture fraction）燃烧模式。如果采用了DNS 模式，则可以选择其他的燃烧模型。

1. 3 换热模型

对于辐射换热，FDS使用类似于有限体积的方法求解非散射灰体辐射换热方程。由于辐射换热求解需花费大量时间，默认使用100个离散角求解，所花费时间大约占总计算时间的15%。

2 模型建立

2. 1 车站模型及模拟工况

车站模型采用标准站模式，火灾发生在上行线列车进站前，火灾位置位于列车头部，由于着火列车被迫停靠在进站前隧道内，此时通风模式为：着火列车侧四台隧道射流风机开启送风，同时车站大里程端两台TVF开启排风。

2. 2 边界条件

边界条件：车站小里程端区间隧道长140m，内停靠着火列车，为使车站大里程端边界流场接近实际情况，大里程端同样设置

140 m长隧道，两端隧道出口均为自由边界条件。

2. 3 参数设置

火源大小：10.5MW；

射流风机：4台，每台风量18m3/s；

TVF排风口：2台TVF风机总风量120m3/s；

轨顶排风口：60个，总风量40 m3/s；

温度测点：沿站台方向设置140个温度和CO浓度测点；

2. 3 网格设置

由于本次模型规模相对较大，且存在很多细小风口，若采取统一网格尺寸比较导致网格规模较大，以致超过计算机计算能力，为此本次采用局部加细网格处理方法，在所有涉及风口、射流风机的位置网格统一加密，这样可在保证计算结果准确的前提下，大幅度减少网格规模，提高计算收敛时间。

3 模拟结果

3.1 屏蔽门处温度分布

图1屏蔽门处温度分布Fig.1 Temperature distribution at the screen door

由图1可知：

1）屏蔽门处温度最高为65.5℃，主要分布在靠近列车头部的站台区域；最低温度49℃，主要分布在靠近TVF排风口的站台区域（图1中横坐标140m—0m为射流方向）。

原因分析：

（1）4台射流风机和2台TVF的共同作用，将大部分高温烟气排至室外，致使隧道内烟气温度相对较低，最高不超过65.5℃；

（2）屏蔽门顶部至轨顶排风到之间有2.4m的距离，余留的高温烟气在浮生力的作用下大部分聚集在此，导致屏蔽门处烟气温度相对隧道顶部较低。

2）屏蔽门温度沿射流方向逐渐降低，从最高点65.5℃降至最低点49℃，在靠近TVF排风口处温度出现上下波动，但波动幅度不大，基本维持在0.15℃左右（图1中横坐标140m—0m为射流方向）。

原因分析：

（1）烟气在流动过程中会与周围隧道壁热交换，导致温度逐步降低；

（2）大里程端TVF排风抽吸作用使周围大量冷空气从大里程端隧道下部卷入导致周围烟气温度降低；

3.2 屏蔽门处CO浓度分布：

图2屏蔽门处co浓度分布Fig.2 Co concentration distribution at the screen door

由图2可知：

1 ) 屏蔽门处CO浓度最高为5.5ppm，最低维持在0ppm。

原因分析：

（1）射流风机和TVF的共同作用，将大部分高温烟气排至室外，以致屏蔽门处CO浓度相对较低，局部区域接近0ppm；

（2）屏蔽门顶部至轨顶排风到之间有2.4m的距离，余留的高温烟气大部分聚集在此，导致在屏蔽门处的CO浓度维持在5.5ppm以下。

2）屏蔽门处CO浓度出现局部跳跃后逐渐降低，接近TVF排风口处co浓度基本为零（图1中横坐标140m—0m为射流方向）。

原因分析：

（1）烟气在流动过程中，轨顶排风口将大量烟气排出，极度削减了隧道内CO存量；

（2）大里程端TVF排风抽吸作用使周围大量新鲜冷空气从大里程端隧道下部卷入导致其周围烟气CO降低；

4 结论及展望

1）烟气过站虽然会导致屏蔽门处温度上升，但远小于屏蔽门破裂安全值800℃（目前市场常用的耐高温玻璃耐温限制）；烟气过站CO浓度也远小于安全值1000ppm，即使屏蔽门破裂或漏风也不会对站内人员造成伤害。

2）虽然烟气过站时烟气温度和CO浓度对站台区域人员安全影响较小，但考虑到屏蔽门以及与烟气接触的部分区域内有大量塑胶材料，65.5℃的烟气不会致使屏蔽门破裂，但会对这些材料在成破坏，而这些材料对站台区域的影响可在以后的研究分析中展开研究。