站台火灾侧向排烟挡板机械排烟数值分析

2022-06-11孟华宁赵伶玲邓博誉疏学明

建筑热能通风空调 2022年3期

孟华宁赵伶玲邓博誉疏学明

1东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室

2清华大学公共安全研究院

地铁车站属于地下狭长空间建筑，与地面通过特定出口连通，通风能力有限。当发生火灾时大量热量和高温烟气积聚在地铁站内，使得站内人员易烟气中毒和窒息，人员生命安全受到威胁[1-2]。在地铁车站中主要采用机械排烟方式排除高温烟气，保证人员生命安全[3]。排烟效率取决于排烟口排出的烟气量，因此通常采取增大排烟功率来增加排烟量的措施。但是，在实际排烟过程中，选取较大排烟速率时，排烟口不仅排出烟气，还会大量卷吸烟气层下方的冷空气，出现烟气吸穿现象，使得机械排烟效率降低[4-5]。因此，开展排烟口优化设计，减少烟气吸穿影响的研究，可为机械排烟效率的提高，地铁站防排烟的设计提供理论指导。

研究者们开展了一系列关于排烟口优化设计的研究。胡隆华[6]等在地下长通道内进行了一组相对位置不同的补气口 -排烟口排烟效果的全尺寸实验，提出了“ 远端补气、近端排烟”的优化方案。袁月明[7]研究了公路隧道集中排烟模式中排烟口间距及个数对烟气吸穿的影响，发现在同一排烟速率下，排烟口间距越大，个数越多，越易发生吸穿。杨娟[8]等研究了隧道中侧向排烟口排烟风速对烟气的影响，得出了适当加大排烟风速有利于加快排烟进程，但是排烟风速过大会造成烟气吸穿现象的结论。向健宇[9]等对防护工程排烟口布置方式进行了优化，发现排烟口开在管道侧面进行侧向排烟比管道底面排烟的效果更好。Cong等[10-12]提出了板-竖井耦合式排烟方法，研究表明通过在自然排烟竖井下方加装排烟挡板，可以有效抑制烟气吸穿和边界层分离现象，提高机械排烟效率。排烟进程受到烟囱效应和堵塞效应的共同控制，在自然排烟系统中排烟挡板的设置会影响排烟量。钟委[11]研究了地铁站内底面排烟口设置排烟挡板对排烟量的影响，发现加装烟气挡板后不会减小机械排烟的排烟量，即在机械排烟系统中排烟量不受排烟挡板影响。综上所述，排烟挡板的设置可强制改变烟气层下方冷空气的运动轨迹，避免和减少烟气吸穿现象的发生。然而，目前对侧向机械排烟口排烟挡板的研究较少。

鉴于上述分析，本文采用数值模拟的方法，以某双层岛式地铁站为物理模型，针对侧向机械排烟口设置排烟挡板对机械排烟效率的影响进行了研究，分析了排烟挡板宽度和设置方式对烟气层的影响，探讨在设置不同排烟挡板情况下排烟口下方烟气层吸穿现象的变化。通过分析排烟口处的流场分布，温度场分布，C O浓度分布得出最佳排烟挡板的设置参数，研究成果可为地铁防排烟系统优化设计提供参考。

1 数值模拟方法

1.1 数学模型

本文采用大涡数值模拟（LES）模型，基本控制方程包括质量、动量、组分质量、能量守恒方程等[13]。

计算中采用标准的 Smagorinsky亚格子模型保证小尺度旋涡结构的计算准确性。基于 Smagorinsky模型，流体动力粘性系数为：

流体的导热系数和物质扩散系数分别为：

在模拟过程中，Pr，Sc和C s的取值为 0.2，0.5 和0.2。

1.2 几何模型

本文以某双层岛式地铁站台为原型建立模拟区域（图1）。模拟区域长、宽、高分别为112，12和4 m，以图 1 中所示基点划定坐标轴 X 轴，Y 轴和 Z轴方向。在站台右侧顶部沿纵向分布一根长 112 m，截面积为1.0×1 .0 m2的排烟管道，忽略端部效应。排烟管道侧面等距布置了 14 个排烟口，排烟口间距为 8 m，中心高度为 3.3 m，截面积为0.08（横向）× 0 .06（纵向）m2，从距离站台左端4 m处开始布置，依次编号为#1至#14。

图1 地铁站台三维模型图

根据《地铁设计规范》[14]要求，站台层每个防烟分区不能超过2000 m2，因此将整个站台作为一个防烟分区，排烟量为60 m3/ (m2· h)。站台通过两个楼梯与上层连接进行补风。

1.3 模拟细节

本文采用 NIST开发的火灾动力学模拟软件 FDS（Fire Dynamic Simulator）进行数值模拟。在计算模型网格划分时，为了保证网格的精确解析，本文在流动和热交换迅速的区域采用局部网格加密的网格划分方法。火源及排烟口附近区域的网格尺寸为0.1 m，其他区域的网格尺寸为0.2 m。

由于计算模型在站台层未设置商业设施，且主体建筑多使用不燃材料，因此火灾荷载主要来自于乘客携带的行李物品。参考前人研究成果[15]，取火灾荷载为2 MW，火灾增长速率按t2超快速增长火设置。火源设置在站台左侧6 m处，燃烧区域面积为1.0×1 .0 m2。计算中，在排烟口处设置 CO 浓度测量装置，在站台顶棚设置温度监测点。环境温度为20℃，压力为101 kPa，模拟时间为200 s。

1.4 计算工况

本文研究中排烟挡板设置在侧向排烟口下沿，选取烟气吸穿现象对排烟影响较大的排烟口设置排烟挡板，即 #6排烟口。由于空气是由排烟口下沿被吸入排烟口，因此在本系统中排烟挡板宽度和角度是影响吸穿现象的主要设计参数。本文重点分析这两个因素对站台火灾排烟进程的影响。

具体工况设计为：保持排烟挡板长度0.8 m、厚度0.2 m不变，分别改变宽度和角度，具体布置位置和尺寸示于图2。其中，宽度w为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m，与水平面角度θ为0°、15°、30°、45°，共 21个工况。

图2 站台模型左视图

2 数值模拟结果与分析

本文首先对排烟挡板宽度和角度进行研究，其次将排烟口处的压力损失和CO体积浓度纳入考虑来选择最佳排烟挡板参数，最终通过比较站台整体温度分布验证了排烟挡板的有效性。

2.1 排烟挡板角度

排烟挡板的角度对于排烟口处的流场分布以及温度场分布有着重要影响。本文计算所得不同排烟挡板角度和无排烟挡板时的排烟口温度与速度分布，结果示于图3。

图3 不同排烟挡板角度的排烟口温度和速度分布

图3左列为温度分布计算结果，图中黑框表示排烟口的位置。由于烟气相比于空气温度较高，因此温度越高表示此处烟气占比越大。从温度分布图中可以发现，在无排烟挡板时（图 3（a）），排烟口的左下方存在低于 22 ℃的低温区域，说明此处空气占比大，发生了烟气吸穿现象。然而，随着排烟挡板角度的增大（图3（b）（-e）），排烟口左下角低温区域面积不断减少，排烟口区域各等温线逐渐下移，顶棚处温度高温区域面积不断增加，说明在排烟口处的温度越来越高，空气的占比降低。分析其原因，是由于排烟挡板角度增加，所以具有一定高度的烟气才能够进入排烟口，而烟气的温度随高度增加而增加。因此，随着排烟挡板角度的增加，被排烟口排走的气体中烟气比例不断增加。

图3右列为速度分布计算结果，图中左上角黑色正方形表示排烟风道，白色长方形表示排烟口所在位置，白色长方形右下角的黑色长方形表示排烟挡板。从图3(a)中可知，无排烟挡板时，排烟口下方的空气直接进入排烟口。然而，随着排烟挡板角度的增大（图 3 (b)～(e)），进入排烟口的气体运动轨迹不断改变，空气被排烟挡板阻挡难以进入排烟口。排烟口处气体流速增大，当θ=45°时流速比未设置排烟挡板时的流速增大约 2 m/s，这是因为进入排烟口的气体流通面积减少，所以流速增大。综合不同排烟挡板角度时的排烟口温度和速度分布可知，排烟挡板角度越大，能够进入排烟口的烟气占比越大，有效排烟量越大。

2.2 排烟挡板宽度

排烟挡板的宽度影响阻挡空气的范围。本文在排烟挡板角度（θ=0°）一定的情况下，改变挡板宽度，研究宽度对烟气吸穿的影响。

不同排烟挡板宽度时，排烟口温度分布的计算结果示于图4。从图 4中可以发现，排烟口处等温线分布呈山峰状，低温区域集中在排烟口左下角。随着排烟挡板宽度的增加，排烟口左下角低温区域的面积均有所减少。无排烟挡板时排烟口低于27℃的区域面积约占排烟口总面积的 26%，而在排烟挡板宽度为 0.8 m时，该面积占比减小至 17%，说明在排烟口处温度不升，空气与烟气的混合程度降低。这是由于排烟挡板宽度的增加可以阻断排烟口下方空气的竖直上升途径，迫使排烟路径以横向为主，即增加空气进入排烟口的流动距离，降低排烟口处空气的比例，使得排烟口排出烟气的比例增加。因此，排烟挡板宽度的增加可以抑制烟气吸穿现象。

图4 不同排烟挡板宽度的排烟口温度分布

2.3 排烟口处CO体积浓度

排烟口处的CO体积浓度可用来衡量机械排烟效率，即排烟口处CO 体积浓度越高，机械排烟效率越高。图5所示为计算所得设置排烟挡板与未设置排烟挡板时侧向排烟口处CO体积浓度比φ挡板/φ。从该图可以看出，排烟挡板角度为0°和 15°时，随着宽度增加，C O体积浓度比近似线性不断增加。排烟挡板角度为30°和 45°时，随着宽度增加，C O体积浓度比先升高后降低。分析其原因，是由于排烟挡板角度较低时，宽度越大，能够阻挡的低温空气量越多，对烟气吸穿效果抑制越明显，C O体积浓度比高。而当排烟挡板角度较高时，挡板宽度的过度增加反而会阻碍正常排烟过程，使得CO体积浓度比降低。详细来说，当排烟挡板角度为30°和 45°，排烟挡板宽度为0.6 m时，C O 体积浓度比最高，而宽度为 0.8和1 m时，C O体积浓度比反而降低。因此，排烟挡板宽度为0.6 m，角度为30°或45°时机械排烟效率较高，排烟效果较好。

图5 侧向排烟口CO体积浓度比

2.4 排烟口处压力损失

排烟挡板的设置可以提高机械排烟效率，但是也会带来额外的压力损失。为分析压力损失的影响，本文分析了排烟口处的压强分布及变化。

未设置排烟挡板时排烟口处压力损失为 4.23 Pa。本文将计算所得设置排烟挡板时的排烟口处的压力损失相对于未设置排烟挡板时压力损失的增加值 ΔP作为衡量压力损失变化的参数，其结果示于图6。

图6 排烟口处压力损失增加量

由图6 可以看出，当 θ为 0°和 15°时，不同排烟挡板宽度的 ΔP保持大致不变，平均增加量分别为0.58 Pa 和 1.1 Pa。当 θ为 30°和 45°时，随着排烟挡板宽度的增加，ΔP不断增加，而排烟挡板角度为 45°时ΔP最大。这是由于角度较大时，排烟挡板宽度增加，使得烟气流通面积减少，烟气流速增加，致使排烟口处压力损失增大。因此，考虑到排烟挡板带来的压力损失，排烟挡板宽度为 0.6 m，角度为30°时机械排烟的效果最佳。

2.5 排烟挡板对地铁站台整体影响

为验证排烟挡板对于辅助机械排烟、降低站台温度的有效性，本文在所有排烟口处加装角度为 30°，宽度为0.6 m的排烟挡板，预测和分析站台温度场变化。计算所得站台温度场变化示于图7。由图7可以看出，与无排烟挡板相比，加装排烟挡板时同等温度范围烟气分布区域变小，40 ℃以上区域面积降低了 8.3%，蔓延距离减少约12 m，烟气的蔓延得到了有效控制。这说明排烟挡板的设置可以抑制烟气吸穿，提高机械排烟的排烟量，有效控制火场温度，有助于人员逃生和后续安全救援。