基于FDS 的水喷淋系统对地铁站台火灾参数的影响研究

代长青，袁 慧，王佳慧

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大学 数理学院，安徽 合肥 230601）

消防水喷淋系统是一种应用十分广泛的固定消防灭火设施，根据功能不同，可以分为人工控制和自动控制两种形式，具有系统灭火控制面积大、出水量大等特点，能够扑灭初期火灾，抑制火势蔓延和火场温度快速上升，因而在地铁站厅和站台层逐渐推广应用。国内外学者对地铁运营安全问题的研究主要集中在地铁火灾烟气控制方面[1-6]，部分学者对水喷淋系统的应用开展了研究。李贤斌[7]等对大型地下空间水喷淋流量变化对火灾的影响进行了数值模拟研究；孙磊[8]等开展了水喷淋系统和排烟系统对灭火救援的影响全尺寸商场模型实验研究；徐明俊[9]等对高大空间不同喷水强度时水喷淋系统进行了灭火试验；Sun Jiayun[10]等应用CFD 软件对小尺度隧道火灾实验中喷水系统引起的流场变化进行了数值模拟计算研究；Dombrovsky[11]等对水喷淋灭火初期蒸发液滴的红外散射变化进行了研究；Wang Jie[12]等开展了纵向通风隧道火灾中喷水流速对顶板烟气温度分布的影响研究；张雷[13]等应用数值模拟方法探讨了水喷淋系统对地铁站台火灾烟气流动的影响。

通过对以上文献分析，国内外学者对水喷淋系统的研究内容主要针对水喷淋系统的应用性和对火灾烟气的影响，对水喷淋系统扑救地铁站厅和站台层火灾以及水喷淋系统对地铁火灾参数的影响研究较少。笔者以合肥某地铁站台为火灾模型，应用FDS 软件对地铁站台火灾进行数值模拟计算，在火灾模拟中分别设置火场烟气温度、CO 浓度、烟气能见度等三个火灾烟气主要参数探测点，分析水喷淋系统与应急排烟系统协同作用对地铁站台火灾参数的影响。在数值模拟计算方面，FDS 软件能够对各种火灾场景进行数值模拟，计算结果可以作为消防设计理论依据[14]。

1 地铁站台物理模型建立

1.1 地铁站台物理模型

本文以合肥地铁某站台为研究对象，该地铁车站为岛式地下二层结构，站台层长、宽、高分别为120.0 m、10.0 m、5.0 m，站厅层长、宽、高分别为120.0 m、24.0 m、5.0 m。站厅层与站台层连通设有2 部自动扶梯和1 部步行梯连通，站厅层设置三个出入口，地铁车站物理模型如图1 所示。

图1 地铁车站物理模型

1.2 地铁站台应急排烟系统

地铁站台层发生火灾时，站厅层启动送风系统，站台层关闭送风系统，启动排风系统。根据《地铁设计规范》（GB50157-2018）规定，地铁站台排烟量应按照建筑面积1 m3/（m2·min）计算，地铁站台层建筑面积为1 200 m2，地铁站台层设置排烟口10 个，排烟口尺寸为0.5 m×0.5 m。为研究不同排烟风速时的火灾烟气参数变化情况，排烟口风速设定为10 m/s 与20 m/s 两种工况，排烟口均匀布置在站台顶部，排烟量均满足规范要求。

1.3 地铁站台水喷淋系统

根据《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2017），地铁车站火灾危险等级按照中危险级Ⅰ级设置水喷淋系统，系统喷水强度为6 L/min，作用面积为160 m2。水喷淋系统的喷头采用直立型洒水喷头，喷头流量系数K 为80，保护面积为12.5 m2，喷头启动温度为57 ℃，水喷淋系统的初始开启时间设置为60 s。

2 地铁站台数值模型

2.1 数值模型基本方程

FDS 火灾动力学软件采用大涡数值模拟（large eddy simulation，LES），根据质量守恒、动量守恒和能量守恒，对火灾烟气流动的主要物理量u、v、w、烟气温度T、烟气压力p 和烟气密度ρ，建立了质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程和状态方程，通过联立求解，最终得到计算区域火灾烟气的温度、密度、速度与压力，其基本方程[15]如下：

式中：ρ为气体密度，kg/m3；t 为时间，s；ui为i 方向上的速度，m/s；p 为静压力，Pa；ρgi为i 方向上的所受的体积力，N；g 为重力加速度，9.8 m/s2；Fi为由热源引起的源项；τij为应力张量值，N；h 为焓，J/kg；K 为热导率，W/（m·K）；qr为体积热释放率，W/m2；T 为温度，K；Yi为第i 种组分的质量分数；Di为扩散系数，m2/s；mi′为单位体积内第i 种组分的质量生成率；R 为气体摩尔常数，J/（mol·K）；Mi为第i 种组成成分的摩尔质量，kg/mol。

2.2 火源及初始条件设定

在地铁站台中部x=67 m 处设置一个行李箱火源，火源尺寸为1.0 m×0.5 m，站台初始环境温度设为25 ℃，火源最大热释放速率Q 为3 MW，HRRPUA 设置为2 000 kW/m2。火源初始增长阶段选择t2火源，设置火灾为快速型，火灾增长系数a=0.046 89。根据t2火灾模型，由Q=0.046 89 t2，计算可得在火灾发生后大约252.9 s 时刻火源热释放速率达到最大值。在模型中设置了火场烟气温度、CO 浓度、烟气能见度等火灾烟气主要特征参数探测点，按照人体特征尺寸，测点高度均设为1.6 m，如图2 所示。为获得水喷淋系统与应急排烟系统协同作用对地铁站台火灾参数的影响，数值模型模拟工况设置三个工况，如表1 所示。

图2 地铁站台火灾参数测点布置图

表1 数值模拟工况设计

2.3 火源及初始条件设定

为保证数值模拟计算结果的准确性，数值模型网格尺寸划分需要一定的精密性，美国国家标准研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）经实验验证，当数值模型中的网格尺寸与火源特征直径D*的关系为0.06 D*—0.25 D*时，数值模拟计算结果能够保证计算结果的准确性。火源特征直径D*通常表示为：

式中：D*为火源特征直径，m；Q 为火源热释放速率，kW；ρ0为环境空气密度，kg/m3，一般取1.204 kg/m3；cp为环境空气比热，kJ/（kg·K），一般取1.005 kJ/（kg·K）；T0为环境空气温度，K，一般取293 K；g为重力加速度，m/s2，一般取9.8 m/s2。本文数值模型的火源功率为3.0 MW，火源特征直径计算结果为1.49 m，因此，本文数值模型网格尺寸设置为0.25 m，满足数值模拟计算准确性要求。

3 数值模拟结果分析

3.1 人员安全疏散的判据指标

本文数值模拟计算结果主要分析地铁站台火灾烟气温度、站台CO 浓度、站台烟气能见度等火灾烟气主要特征参数的变化情况，并根据国内建筑防火性能化设计与安全评估广泛采用的人员安全疏散判据指标[16]（见表2）和美国消防协会NFPA502 给出的人员安全疏散的耐受极限[17]（见表3）分析火灾烟气主要特征参数对地铁站台人员安全疏散及逃生的影响。

表2 人员安全疏散判据指标

表3 狭长空间火灾人员疏散的耐受极限

3.2 站台火灾烟气温度分析

为研究不同工况下站台火灾烟气温度的变化情况，在地铁站台z=1.6 m、y=3 m 沿站台长度x 方向间隔4 m 均匀布置了30 个烟气温度探测点，地铁站台初始环境温度为25 ℃，站台不同测点烟气温度变化如图3 所示。由图3（a）—图3（f）可知，由于着火源设置在站台中部，三种工况下站台烟气测点温度均呈现中部高、两端较低的变化规律，在同一时刻工况1、2、3 的烟气测点温度有较大变化。100 s 时，工况1 与工况2 的烟气测点温度大小与变化规律基本一致，最高温度达到42.7 ℃，说明排烟口排烟速度对初起火灾空气温度影响较小；工况3 的烟气测点温度明显低于工况1、2 的温度，这是由于开启水喷淋系统对初起火灾温度影响较大，可有效降低火场温度。随着火灾的发展，三种工况下同一时刻和同一测点的烟气温度呈现中部温度差异较小、两端温度差异较大的特点。站台中部区域烟气测点温度工况1 的最大值为52.4 ℃、工况2 的最大值为49.2 ℃、工况3 的最大值为43.4 ℃；站台两端区域烟气测点温度工况1的最大值为30.9 ℃、工况2 的最大值为27.7 ℃、工况3 的最大值为24.1 ℃。上述结果表明，三种工况下的地铁站台烟气温度均没有达到人员疏散的耐受极限空气温度60 ℃，不会造成人员伤害。增大排烟口的排烟速度和开启水喷淋系统均可以有效降低站台烟气测点温度，其中开启水喷淋系统和应急排烟是降低站台烟气温度最有效措施，在同一时刻和同一测点最大可以降低站台烟气温度达10℃左右。

图3 站台不同测点烟气温度

3.3 站台火灾烟气CO 浓度分析

为研究不同工况下站台火灾烟气CO 浓度的变化情况，在地铁站台z=1.6 m、y=3 m 沿站台长度x 方向间隔4 m 均匀布置了30 个CO 浓度探测点，站台不同测点CO 浓度变化如图4 所示。

图4 站台不同测点CO 浓度

由图4（a）—图4（f）可知，工况1、2、3 的火灾烟气CO 浓度变化规律基本一致。由于站台中部区域距离着火源较近，三种工况下站台火灾烟气CO 浓度在站台中部区域较高，在站台两端区域较低。工况1 与工况3 的火灾烟气CO 浓度大小差异不大，说明地铁站台火灾时开启与关闭消防水喷淋系统对火灾烟气CO 浓度的影响不大。为了研究工况1、2、3 的火灾烟气CO 浓度对人员逃生的影响，选择人员逃生出口x=87 m 的CO 浓度数据为比较值，工况2 与工况1、3 的火灾烟气CO 浓度大小在100 s 时差异不大，200 s 以后差异变大，500 s 时工况1、2、3 的火灾烟气CO 浓度分别是69 ppm、31 ppm、70 ppm。工况2 比工况1、3 的火灾烟气CO 浓度减少一半，说明增大应急排烟速度能够有效降低火灾烟气CO 浓度。在整个火灾发展过程中，工况1、2、3 的火灾烟气CO 浓度的最大值是107 ppm，可见在短时间内三种工况下的火灾烟气CO 浓度均没有达到人员疏散的CO 浓度耐受极限。

3.4 站台火灾烟气能见度分析

为研究不同工况下站台火灾烟气能见度对人员疏散的影响，在地铁站台z=1.6 m、y=3 m 沿站台长度x 方向间隔4 m 均匀布置了30 个烟气能见度传感器探测点，烟气能见度变化如图5 所示。由图5（a）—图5（f）可知，站台中部区域距离着火源较近，烟气浓度较高，三个工况下的烟气能见度均较小；站台两端区域远离着火源，烟气浓度较低，三个工况下的烟气能见度均较大。300 s 以内，工况1在站台两端区域的烟气能见度比工况3 的烟气能见度小，且随着火灾的发展，烟气能见度的差异越来越小，在站台中部区域接近着火源位置的烟气能见度差异不大，工况1 的烟气能见度比工况3 的烟气能见度略大；300 s 以后，在站台两端区域，工况1 的烟气能见度比工况3 的烟气能见度略小，在站台中部区域，工况1 的烟气能见度比工况3 的烟气能见度略大，说明开启水喷淋系统不能提高站台火灾烟气能见度。100 s 时，在站台全部区域工况2的烟气能见度介于工况1 与工况3 的烟气能见度之间；200 s 以后，随着火灾的发展，站台烟气浓度增大，工况2 的烟气能见度均较大于工况1、3 的烟气能见度，说明提高应急排烟速度能够有效提高站台火灾烟气能见度。根据人员安全疏散判据指标，人员在站台区域疏散临界指标选择5 m，200 s 以内，三个工况在站台端部区域的烟气能见度均大于5 m，在站台中部区域的烟气能见度均小于5 m；200 s 以后，工况1、3 在站台端部区域的烟气能见度略大于5 m，在站台中部区域的烟气能见度小于5 m。工况2 在站台端部区域的烟气能见度大于5 m，在站台中部区域的烟气能见度小于5 m。可见，200 s 以内远离着火源的站台端部区域的烟气能见度较大，有利于人员疏散和逃生。

图5 站台不同测点烟气能见度

4 结论

（1）三种工况下站台火灾烟气温度均没有达到人员疏散耐受极限温度。降低站台火灾烟气温度有效性对比结果：排烟速度10 m/s 且开启水喷淋系统＞排烟速度20 m/s 且关闭水喷淋系统＞排烟速度10 m/s 且关闭水喷淋系统，同一时刻同一测点开启水喷淋系统比其他两种工况最大可降低火灾烟气温度10℃左右，开启水喷淋系统可有效降低站台火灾烟气温度。

（2）三种工况下500 s 时人员逃生出口x=87 m的CO 浓度情况：排烟速度20 m/s 且关闭水喷淋系统为31 ppm；排烟速度10 m/s 且开启水喷淋系统为70 ppm；排烟速度10 m/s 且关闭水喷淋系统为69 ppm。降低站台火灾烟气CO 浓度有效性对比结果：增大应急排烟速度可以有效降低站台火灾烟气CO 浓度，开启水喷淋系统不能有效降低站台火灾烟气CO 浓度。

（3）三种工况下提高站台烟气能见度有效性对比结果：增大应急排烟速度对提高烟气能见度效果最好，开启水喷淋系统不能有效提高烟气能见度。200 s 以后，排烟速度20 m/s 且关闭水喷淋系统时，在人员逃生出口区域烟气能见度大于人员疏散耐受极限5 m，不会对人员疏散产生危害；其他两种工况的烟气能见度均小于人员疏散耐受极限5 m，会对人员疏散产生危害。