地铁站火灾烟气运动及控制方法研究

孙鹏飞

(徐州市消防救援支队，江苏 徐州 221000)

0 引言

地铁建设是缓解城市交通压力、节约城市土地资源的有效手段，但同时也给消防工作带来了一定的挑战。地铁站属于人员密集场所，可燃物种类多、随机因素复杂，一旦发生火灾，人员疏散难度大，依据《地铁设计规范》的相关要求，在遇到事故时人员在6 min内要全部疏散到安全区域，这就要求地铁站防火设计需要尽可能地减缓烟气下降的速度，以保证人员安全疏散。本文主要针对屏蔽门及扶梯开口处的风速对火灾烟气的影响进行研究。

1 研究方法

目前，FDS软件是研究火灾烟气的重要手段，是由美国国家标准局(NIST)的防火实验室开发，已经得到了国内外许多全尺寸火灾实验的验证。FDS是基于场模拟的计算软件，场模拟利用偏微分方程求解状态参数的空间分布和随时间的变化，模拟将研究区域划分为若干个控制体，分别对其进行微分方程组的迭代求解，可较精确地预计出火灾发生时的火场压力、温度、速度与烟流流动等火灾物理数据。

为了使研究成果直观表述，采用PyroSim软件进行建模，该软件可以直接导入DXF文件来创建3D模型，模型建立完成后可以直接在Pyrosim软件界面上运行FDS，使用方便。

2 典型火灾场景设定

本文假定火灾发生在某车站站台层，选取的火灾形式为站台行李火灾，出于安全考虑，假设发生火灾时2个行李箱同时着火，最大火源功率为721 kW。火源位于站台层2部电动扶梯开口之间，如图1所示。为了对地铁站站台火灾的烟气蔓延进行研究，本文共设计了3个计算场景，如表1所示，排烟量根据上一节的计算确定为1.2×105m3/h，共18个排烟口，站厅层自然补风。

图1 层中部火源位置示意图

表1 台中部火灾模拟场景及参数设置

3 模拟结果分析与研究

通过FDS模拟计算上述火灾场景下烟气层高度、竖向温度分布及扶梯口处风速可以直接判断人员的疏散条件是否可靠，具体分析如下。

3.1 烟气层高度影响分析

图2为各场景烟气层高度随时间的变化曲线，可以看出，发生火灾初期烟气层迅速下降，无论屏蔽门是否开启，烟气层下降速率基本相同。随着火源的持续燃烧，火灾场景1中，即站台屏蔽门均关闭时，烟气层高度下降至离地面3 m左右；火灾场景2中，即开启一侧屏蔽门时，站台的烟气层高度下降至离地面3.3 m左右；火灾场景3中，即站台屏蔽门均开启时，烟气层下降至离地面3.5 m左右。可见，开启站台屏蔽门可以有效降低站台火灾时烟气层的厚度。此外，从图2可以看出，屏蔽门开启越多，烟气层高度的波动越大，这是由于开启屏蔽门后，隧道和轨顶排烟系统开启后引起烟气层界面的扰动，在一定程度上破坏了烟气层的层化现象，但总的来讲，开启屏蔽门可以有效降低烟气层的厚度。

图2 站台中部火灾屏蔽门开启数量对烟气层高度的影响

3.2 竖向温度分布影响分析

图3为烟气层稳定时各场景火源正上方的烟气温度分布曲线，观察可得起变化规律基本一致，均为随着距地面高度的增加，烟气温度逐渐降低。在距地面0.5 m时，火源上方的烟气温度，即火羽流温度，火灾场景2的最高，火灾场景3最低。可见，站台发生火灾时，打开一侧屏蔽门会使火羽流的温度升高，说明火源燃烧更加充分；当打开两侧屏蔽门时，火羽流温度比不打开屏蔽门低很多，对人员疏散更有利。

图3 火源正上方竖向烟气温度分布

3.3 扶梯口处风速影响分析

模拟时间内，各场景扶梯口处风速变化曲线如图4所示，FT1开口处的风速均向下，说明站厅到站台一直有向下的风速阻止烟气向站厅蔓延，同时，可以发现开启屏蔽门数量越多，稳定阶段扶梯口风速越小；FT2开口处的风速，在火灾初期阶段均向下，由于其靠近火源位置，随着火灾的发展，烟气温度逐渐升高，扶梯口的风速逐渐转变为向上，火灾场景1在45 s时风速变向，火灾场景2在96 s时风速变向，火灾场景3在152 s时风速变向，风速变向后，可能会携带站台火灾产生的烟气蔓延到站厅，影响人员的安全疏散；FT3开口同样靠近火源位置，火灾场景1和2也会出现风速变向的现象，但是当同时打开两侧屏蔽门时，楼梯口风速一直向下，对安全疏散有利；FT4开口处风速一直向下，但开启屏蔽门后会减小风速的大小。因此，当站台着火时，靠近火源位置的扶梯开口处的风速会改变方向，可能会携带烟气向站厅蔓延，但开启屏蔽门后，会增加变向的时间，开启数量越多，风速变向所需时间越长，对人员疏散越有利；远离火源位置的扶梯开口处形成的风速一直向下，开启屏蔽门后，会减小风速的大小，屏蔽门开启越多，向下的风速越小。但通过烟气蔓延过程分析可以看出，虽然扶梯口处向下的风速变小，但烟气层蔓延到站厅层的时间却变长，因此开启屏蔽门后可减小控制烟气向站厅蔓延的临界风速。

图4 屏蔽门开启数量对扶梯口风速的影响

4 结论

本文通过应用FDS模拟屏蔽门开启数量对机械排烟效果的影响表明，当火源位于站台中部时，开启站台屏蔽门后，降低了扶梯开口处向下的空气流速，但是依然能延长烟气向站厅蔓延的时间，还能有效降低烟气层高度；但当仅开启一侧屏蔽门时，由于造成站台气流不平衡，火源上方的烟气发生了一定的倾斜，造成火灾烟气在站台一侧聚集，从而导致该侧的顶棚烟气温度和竖向烟气温度比不打开屏蔽门时还高；而开启两侧屏蔽门时，就不会出现这样的现象，屏蔽门均关闭时，既能降低顶棚烟气温度，又能降低竖向烟气温度，排烟效果较好，对人员疏散有利。