售票機的不同位置對地鐵車站火災煙氣特性影響的CFD模擬＊

酈翀宇,韓 新,2,叢北華,2

(1.同濟大學上海防災減災研究所,上海 200092;2.同濟安泰工程防災研發中心,上海 200032)

0 引言

社會經濟的發展進步使人們的生活水平得到不斷改善,對交通基礎設施的需求也越來越高,國內外許多大中城市紛紛修建軌道交通。地鐵在人們生產生活中發揮越來越重要作用的同時,其安全性便成為人們關注的焦點,而地鐵車站的消防安全更是成為重中之重。盡管地鐵車站火災發生的概率較低,但一旦發生火災事故,極易導致大量人員傷亡和財產損失,并造成極為惡劣的社會影響。

火災發生時所產生的煙氣、高溫、缺氧是地鐵車站火災造成人員傷亡和財產損失的主要原因。此外,火源離疏散出口過近,使得附近溫度較高,煙氣濃度過大,從而導致疏散出口不可使用也是一個重要因素。因此,地鐵車站空間的合理布局顯得尤為重要。目前,對于地鐵車站火災煙氣特性的研究,主要集中在通風方式以及排煙口布置等方面,對售票機火災煙氣特性的研究還比較少。為了分析售票機空間布局對火災煙氣特性的影響,并為實際工程提供可參考的依據,本文以某城市在建的地鐵站站廳層為研究對象,基于FDS數值模擬方法,較為詳細分析了售票機在不同位置情況下,距離疏散出口最近的售票機起火場景對溫度、煙氣濃度、能見度等火災特性影響,并在此基礎上,提出地鐵車站售票機和疏散處口之間較為合理的距離。

1 物理模型

1.1 軟件簡介

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國國家技術標準局(NIST National Institute of Standards and Technology)建筑火災實驗室(Building and Fire Research Laboratory)開發的基于場模擬的火災模擬軟件[1],該軟件采用先進的大渦模擬技術,得到眾多實例驗證,在火災安全工程領域應用廣泛[2]。場模擬也稱物理模擬,是基于火災過程的質量、動量、能量和化學反應諸方面基本方程的一種高層次的復雜模擬[3]。

Pyrosim是在FDS的基礎上發展起來的前處理軟件,友好的可視化操作界面使得用戶可以輕松的完成建模、邊界條件設置、火源設置和燃燒材料設置等。在Pyrosim中完成建模后直接導出FDS文件,通過FDS模擬計算,得出溫度、煙氣濃度、能見度等煙氣特性數據。

1.2 幾何條件及火災場景的設定

本文研究對象是某城市實際在建地鐵車站站廳層,位于地下一層,面積5 948 m2,層高4 m,排煙系統采用自然排煙方式。由于考慮售票機的布置方位對火災煙氣特性的影響,因而假定離疏散出口最近的一臺售票機起火,即將火源設置在離疏散出口最近的售票機處。本文按照售票機(火源中心)和疏散出口中心B之間距離分別為d=12 m、15 m、18 m、21 m四個火災場景,其物理模型及火源位置如圖1所示。

圖1 某地鐵車站站廳層物理模型及售票機火源位置示意圖

由于火災早期的發展與時間的平方成正比關系,因此通常稱之為t2火災,即Qf=αt2。在消防安全工程學中,這一計算方法常用于性能化防火設計中的火災場景設計。美國消防協會標準NFPA 204M《排煙標準(Standard of Smoke and Heat Venting)》(2002年)中根據α的值定義了四種標準t2火災,即慢速火、中速火、快速火和超快速火。根據對本文計算對象內可燃物——售票機的分析,設定火災增長系數可取為快速火,α=0.047 kW/s2。

火災在經歷了早期的發展之后,將進入完全燃燒階段,在這個階段火災的熱釋放速率將達到最大。對完全燃燒和后期衰減過程,一般假設水系統有效控火條件下最大熱釋放速率保持不變。分析售票機火源特性,保守的取火災熱釋放速率峰值為2 MW,對應達到該最大熱釋放速率峰值的時間為206 s,火災場景模擬時間為20 min(1 200 s)。

1.3 測點布置

按照地鐵車站站廳層外形尺寸及內部布置情況建立數值計算模型,為更好的獲取計算結果,在疏散出口與站廳層連接處距地面2 m高的水平面上從左往右依次布置A、B、C三個測溫點,另外每個測溫點處同時進行煙氣濃度、能見度的測量,如圖1所示。

2 FDS模擬結果與分析

通過對以上售票機中心與疏散出口中心距離分別為12 m、15 m、18 m、21 m四種工況的模擬計算,得出售票機在不同位置下地鐵車站的煙氣特性。本文截取900 s時各工況的溫度、煙氣濃度分布及可見度圖,如圖2,圖3,圖4所示?？梢灾庇^的看出售票機的位置對地鐵車站站廳層火災特性有一定的影響,雖然整個地鐵車站站廳層溫度、煙氣濃度都尚未達到人體所能承受的最大限度,但從圖中可以明顯的看出,起火售票機距離疏散出口越近,在疏散出口附近的溫度越高,煙氣濃度越大,極大的影響了疏散出口的正常使用。對于可見度,在900 s時,整個站廳層的可見度大部分已低于10 m,在疏散出口附近同樣是隨著售票機與疏散出口距離的減少而降低,對人員安全疏散產生了隱患。

圖2 900 s時各售票機火災工況的溫度示意圖

圖3 900 s時各售票機火災工況的CO2濃度示意圖

圖4 900 s時各售票機火災工況的可見度示意圖

為更好的表達售票機和疏散出口距離與地鐵車站煙氣特性的關系,使得計算結果數據化,在疏散出口附近布置了A、B、C三個測點同時測量溫度和煙氣濃度,得出數據如圖5所示。

圖5 B測點溫度、煙氣濃度

從以上數據分析也可以得出和地鐵車站溫度場,煙氣分布圖和可見度圖中相同的結論,即隨著售票機和疏散出口距離越近,疏散出口附近的溫度越高,煙氣濃度越大,對安全疏散影響越大。從B測點溫度和煙氣濃度表中還可以看出,當售票機和疏散出口距離不小于15 m時,對疏散出口的影響將相對減弱。因此,根據上述分析,本文提出售票機與疏散出口之間的距離應該大于等于15 m為宜,以免售票機離疏散出口過近并因為線路故障起火而影響疏散出口的安全使用,造成人員傷亡和經濟損失。

3 結論

本文以某城市實際在建地鐵車站站廳層為研究對象,假定離疏散出口最近的售票機因線路故障起火,采用FDS軟件對不同售票機位置情況下火災特性進行模擬計算,考察不同售票機位置對地鐵車站站廳層煙氣特性的影響,通過分析圖表和數據,得出以下結論:

(1)地鐵車站的空間布局對火災煙氣特性影響較大,售票機是地鐵車站中的必須設備,容易出現故障而起火,它的擺放位置合理與否將對人員安全疏散產生重大影響,因而在實際工程中需對售票機的布局經過數據論證后得出合理的布置方案。

(2)售票機離疏散出口越近,售票機起火后在疏散出口處的溫度越高,煙氣濃度越大,能見度越低,影響疏散出口的正常使用,對人員安全疏散產生隱患。

(3)模擬結果表明,當售票機和疏散出口之間的距離大于等于15 m后,離疏散出口最近的售票機起火對疏散出口處的煙氣特性影響不大,相應位置的溫度和煙氣濃度變化也不是很大,因此,售票機和疏散出口處的距離以不小于15 m為宜。

[1] Kevin B McGrattan,Howard R Baum,Ronald G Rehm,et al.Fire Dynamics Simulator(Version 3)-Technical Reference Guide[C]//Technical Report NISTIR 6783,national Institute of Stands and Technology Gaithersburg,MD 20899,June 1997.

[2] D Madrzykowski,R L Verrori.Simulation of the dynamics of the Fire at 3144 Cherry Road NE,Washington,DC May 30,1999[C]//Technical Report NISTIR6510,National Institute of Standards and Technology Gaithersburg,MD 20899,April2000.

[3] 叢北華,廖光煊,韋亞星.計算機模擬在火災科學與工程研究中的應用[J].防災減災工程學報,2003,23(2):63-69.

[4] 趙聲萍,鄭潔,仝慶貴,等.火源釋熱速率的實驗研究[J].消防技術與產品信息,2002(12):35-38.