地铁车站火灾烟气的蔓延与控制.docx

地铁车站火灾烟气的蔓延与控制1引言在地铁火灾事故中，造成人员极大伤亡的主要原因在于火灾烟气控制系统没能有效地控制烟气蔓延以及没能有效地组织人员疏散。我国规范虽然对地铁烟控系统有要求，但烟控系统的有效性和经济性很难估量，因此运用性能化设计的思想，借助火灾研究领域得到较好应用的FDS(FireDynamicsSimulator)模拟地铁车站的三维烟气流场，对地铁车站火灾烟气的蔓延情况及烟气控制系统对烟气的控制效果进行研究，提出性能化的地铁烟控系统模式。2模型建立2.1几何模型本文针对北京地铁某典型车站的结构形式，如图1所示：下层的岛式站台通过两端的楼梯与上层两端的站厅连接，一端站厅有一个出口B通道通向室外地面，另一端站厅有两个出口A、C通道通向室外地面。出口A、B的通道截面均为4m×3m，出口C的通道截面为5m×3m。整个车站长163m，宽22.5m，中部站台高7.8m，两端站厅高3m。连接站台和站厅的两个楼梯上方的顶棚下设有1.5m高L型的挡烟装置SBW(SmokeBlockingWall)，并各有两个1m×1m的机械排烟口SEG(SmokeEvacuateGate)。2.2数学模型HYPERLINK"http://www.cbi360.net/"\h采用美国国家标准局(NIST)建筑与火灾研究实验室(BFIL)开发的火灾动态模拟软件FDS4.06进行数值计算,基本方程如下[1]：连续方程：采用混合分数燃烧模型和大涡湍流模型LES(LargeEddySimulation),设定火源为稳定庚烷火，热释放功率5MW。采用LES模型允许的最大网格尺寸为火灾特征直径的1/10[1],由前面条件设定得D*=5.3m，故网格尺寸取0.5m，为提高模拟准确度，火源和风机处局部加密取0.3m，整个车站计算区域的总网格数为82236个。2.3边界条件HYPERLINK"http://www.cbi360.net/hyjd/1zt661.html"\h三个出口连通外界大气，外界1个标准大气压，温度20℃。每个机械排烟口风量55m3/s。由于隧道中部的区间风机离车站较远，风阻较大，有关实测其对站台风速一般小于1m/s[2],故忽略其对车站火灾烟气的影响，另外也没有考虑外部风和列车活塞风的影响。2.4有效性验证将只有左端两个排烟口排烟时现场实测的各截面上风速平均值与同样工况下的FDS模拟结果比较，如图2所示，二者相吻合，因此用FDS在上述设定条件下可以较好的反映火灾烟气流场的真实情况。3无机械排烟的模拟结果与分析图3￣图7中,左边为温度标尺，单位℃；右边为速度标尺，单位m/s。中间分别是站厅层H=1.5m高度处，车站中轴Y=11m截面上的t=60s、180s、360s时的烟气粒子分布和温度场(temp)，速度场(vel)。温度场中的黑点是用来显示烟气运动情况的烟气跟踪粒子。其中1.5m为人眼特征高度[3]。《地铁设计规范》中要求6min内将人员撤离站台，因此重点研究了360s时能否满足疏散要求的情况。如图3￣图5所示，火源分别设在左、右站厅和中部站台，研究在没有任何机械排烟的情况下，由火焰浮力作用、膨胀力作用和烟囱效应驱动下的烟气蔓延情况。图3中，火源处火焰浮力羽流上冲，由于靠近墙壁，空气只能从没有墙壁的方向卷吸进入羽流，致使火焰向左侧墙壁偏斜[4]；由于内外温度差导致密度差引起烟囱效应[4]，烟气粒子沿着墙壁从左站厅的出口B排出，没有扩散到站台中部，同时由于火焰羽流上部的膨胀作用和下部的卷吸作用，形成车站上层的向右气流和车站下层的向左气流，并通过右站厅两出口A和C补气，形成保证人员向右疏散的新鲜气流。出口A、C的温度、风速完全可以满足疏散要求。图4中，火源处火焰浮力羽流上冲，同样由于靠近墙壁，火焰向右侧墙壁偏斜；由于烟囱效应，大部分烟气粒子沿着墙壁从右站厅的出口通道面积较小的出口A排出，没有扩散到站台中部，同样由于膨胀作用和卷吸作用，形成车站上层的向左气流和车站下层的向右气流，并通过左站厅出口B补气，形成保证人员向左疏散的新鲜气流。出口B的温度、风速完全可以满足疏散要求。3.3中部站台着火无机械排烟图5中，火源处火焰浮力羽流竖直上冲，碰到顶棚产生射流，同时由于火焰羽流上部的膨胀作用和下部的卷吸作用，形成车站上层的流向两端的气流和车站下层的流向中间的气流，但下层气流速度较小，由于烟囱效应，热烟气向两端蔓延，注意到大部分烟气粒子向只有一个出口的左厅蔓延，在到达两端的楼梯处发生沉降弥散，笼罩两端楼梯和站厅，结合图8，左右出口的疏散路径上都不能达到NFPA130中规定的温度不超过60℃能见度不低于10m的要求[5]，阻止人员疏散。由前面分析知中部站台着火为最危险的情形，需要进一步研究。如图6～图7所示，火源仍设在中部站台，分别研究排烟风机单独排烟