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 (Fire DynamicsSimulator)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 (Smoke BlockingWall)，并各有两个 1m×1m 的机械排烟口 SEG(SmokeEvacuateGate)。

2.2 数学模型

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

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。

3.1 左站厅着火无机械排烟

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。

3.2 右站厅着火无机械排烟

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。

4 机械排烟的模拟结果与分析

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时和加装挡烟装置配合排烟风机排烟时，对火灾烟气蔓延的控制效果。

4.1 中部站台着火有机械排烟无挡烟装置

图 6 中，烟气向两端楼梯和站厅蔓延，在楼梯处被排烟风机排出，但由于三个出口补风形成的气流扰乱了楼梯处的烟气而造成弥散，笼罩楼梯和站厅，影响人员安全疏散。

4.2 中部站台着火有机械排烟有挡烟装置

图 7 中，烟气向两端楼梯和站厅蔓延，由于楼梯上方挡烟装置有效的蓄烟和防止气流扰动，使烟气很好地被排烟风机排出。排烟的同时，需要由三个出口补风，正好形成了延疏散通道经连接站厅站台的楼梯至站台中部的空气流，既阻止了烟气任意蔓延，又保证了人员能迎着新鲜空气疏散。左右出口的疏散路径上的温度、风速可以满足疏散要求，可以看到右端楼梯处风速将近 3m/s。

4.3 有、无机械排烟的能见度对比

图 8 中，右边为能见度标尺，单位 m，中间分别是中部站台着火有、无机械排烟时站厅层 H=1.5m高度处、车站中轴 Y=11m 截面上的 t=300s 的能见度。可以看到无机械排烟时两端楼梯处和站厅的能见度很小，而有机械排烟和挡烟装置时两端楼梯处和站厅的能见度将近 30m，完全能够保证人员安全疏散[5]。

5 结论

5.1 无机械排烟

当左、右站厅着火时，由于烟囱效应，不需要机械排烟，就可以保证人员从另一端站厅安全疏散。当中部站台着火时，没有机械排烟，人员将无法安全疏散。

火场烟气明显的分为两层，即上层热气流层和下层冷气流层。

烟囱效应在地铁车站中比较复杂，其影响因素主要是火源的位置和出口通道的面积：首先全部或大部分的烟气将从距离最近、最先到达的出口排出，此时位置是主要的影响因素; 如果在位置上没有优势，烟气将从出口通道面积较小的出口排出，面积成为主要影响因素。

5.2 机械排烟

排烟风机单独排烟，由于扰动很大，烟气还会扩散至站厅。

挡烟装置配合排烟风机排烟，挡烟装置将烟气阻隔在一定的蓄烟区域里，并由排烟风机及时排出，被动挡烟和主动排烟相互配合，达到很好的控烟效果。

由于烟囱效应的影响，烟气有向出口面积较小的一端蔓延的趋势，而人员可以从出口面积较大的有迎面补风气流的出口进行疏散。

机械送风口或自然补风口的位置不当、时机不当将会助燃火势，短路风流，影响烟气的控制。