地鐵煙氣過站火災特性研究

石 銳

西咸新區軌道交通投資建設有限公司 西安 713200

0 研究背景

地鐵車站在主城區一般為地下敷設，當線路敷設在主城區以外時，多采用地面或地上敷設，線路從地下轉至地面時，會出現地下車站與短隧道連接的形式，在短隧道一段設置隧道風機（TVF）時明顯是不經濟的，此時可利用連接車站的另一端隧道的隧道風機（TVF）服務于短隧道，但存在洞口區間出故障時，可能出現區間煙氣過站的現象，影響站臺安全。

由于車站靠洞口側隧道未設置隧道風機（TVF），僅在洞口至車站的隧道區間內設置射流風機，一旦出洞口列車車尾或進洞口列車頭在隧道內著火并滯留其中，為了及時排除火災有害煙氣，則須開啟射流風機向著火列車送風，同時車站另一端兩臺隧道風機（TVF）開啟排風，此時會造成高溫煙氣經過車站軌行區，若煙氣溫度過高造成屏蔽門破裂以致高溫有害氣體進入站臺區域，將對站臺人員安全造成不利影響，為此本文采用FDS建立計算模型，模擬煙氣過站車站屏蔽門附近的溫度場和CO濃度分布，校核其溫度是否超過屏蔽門破裂上限值800℃以及CO濃度是否超過安全值1000ppm。

1 數值計算模型

常用的商業模擬軟件有Fluent、Star-CD等，這些軟件在模擬建筑物熱濕環境方面有不可逾越的優勢，因此其可以應用到列車進站時站臺熱濕環境的模擬當中；但這些軟件在模擬車站火災時常遇到的問題是火源附近的溫度和速度被高估。為此，采用FDS (Fire Dynamics Simulation)對車站火災進行模擬。

1. 1 火災控制方程

火災控制微分方程如下：

1.2 紊流及燃燒模型

FDS的湍流模型分為大渦模擬(LES)和直接模擬(DNS)。本文采用大渦模擬湍流模型進行數值計算。大渦模擬把包括脈動運動在內的湍流瞬時運動通過某種濾波方法分解成大尺度運動和亞尺度運動兩部分。大尺度渦是載能渦，且各向異性，大尺度運動通過對Navier-Stokes方程式直接求解計算出來；亞尺度渦是耗散渦，且各向同性，亞尺度運動對大尺度運動的影響將在運動方程中表現為類似于雷諾應力的應力項，稱為亞尺度雷諾應力，通過建立模型進行計算來實現能量耗散，FDS大渦模擬采用Smagorinsky亞尺度模型，粘性系數表示如下：

默認采用的燃燒模型為混合分數（mixture fraction）燃燒模式。如果采用了DNS 模式，則可以選擇其他的燃燒模型。

1. 3 換熱模型

對于輻射換熱，FDS使用類似于有限體積的方法求解非散射灰體輻射換熱方程。由于輻射換熱求解需花費大量時間，默認使用100個離散角求解，所花費時間大約占總計算時間的15%。

2 模型建立

2. 1 車站模型及模擬工況

車站模型采用標準站模式，火災發生在上行線列車進站前，火災位置位于列車頭部，由于著火列車被迫停靠在進站前隧道內，此時通風模式為：著火列車側四臺隧道射流風機開啟送風，同時車站大里程端兩臺TVF開啟排風。

2. 2 邊界條件

邊界條件：車站小里程端區間隧道長140m，內停靠著火列車，為使車站大里程端邊界流場接近實際情況，大里程端同樣設置

140 m長隧道，兩端隧道出口均為自由邊界條件。

2. 3 參數設置

火源大小：10.5MW；

射流風機：4臺，每臺風量18m3/s；

TVF排風口：2臺TVF風機總風量120m3/s；

軌頂排風口：60個，總風量40 m3/s；

溫度測點：沿站臺方向設置140個溫度和CO濃度測點；

2. 3 網格設置

由于本次模型規模相對較大，且存在很多細小風口，若采取統一網格尺寸比較導致網格規模較大，以致超過計算機計算能力，為此本次采用局部加細網格處理方法，在所有涉及風口、射流風機的位置網格統一加密，這樣可在保證計算結果準確的前提下，大幅度減少網格規模，提高計算收斂時間。

3 模擬結果

3.1 屏蔽門處溫度分布

圖1屏蔽門處溫度分布Fig.1 Temperature distribution at the screen door

由圖1可知：

1）屏蔽門處溫度最高為65.5℃，主要分布在靠近列車頭部的站臺區域；最低溫度49℃，主要分布在靠近TVF排風口的站臺區域（圖1中橫坐標140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）4臺射流風機和2臺TVF的共同作用，將大部分高溫煙氣排至室外，致使隧道內煙氣溫度相對較低，最高不超過65.5℃；

（2）屏蔽門頂部至軌頂排風到之間有2.4m的距離，余留的高溫煙氣在浮生力的作用下大部分聚集在此，導致屏蔽門處煙氣溫度相對隧道頂部較低。

2）屏蔽門溫度沿射流方向逐漸降低，從最高點65.5℃降至最低點49℃，在靠近TVF排風口處溫度出現上下波動，但波動幅度不大，基本維持在0.15℃左右（圖1中橫坐標140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）煙氣在流動過程中會與周圍隧道壁熱交換，導致溫度逐步降低；

（2）大里程端TVF排風抽吸作用使周圍大量冷空氣從大里程端隧道下部卷入導致周圍煙氣溫度降低；

3.2 屏蔽門處CO濃度分布：

圖2屏蔽門處co濃度分布Fig.2 Co concentration distribution at the screen door

由圖2可知：

1 ) 屏蔽門處CO濃度最高為5.5ppm，最低維持在0ppm。

原因分析：

（1）射流風機和TVF的共同作用，將大部分高溫煙氣排至室外，以致屏蔽門處CO濃度相對較低，局部區域接近0ppm；

（2）屏蔽門頂部至軌頂排風到之間有2.4m的距離，余留的高溫煙氣大部分聚集在此，導致在屏蔽門處的CO濃度維持在5.5ppm以下。

2）屏蔽門處CO濃度出現局部跳躍后逐漸降低，接近TVF排風口處co濃度基本為零（圖1中橫坐標140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）煙氣在流動過程中，軌頂排風口將大量煙氣排出，極度削減了隧道內CO存量；

（2）大里程端TVF排風抽吸作用使周圍大量新鮮冷空氣從大里程端隧道下部卷入導致其周圍煙氣CO降低；

4 結論及展望

1）煙氣過站雖然會導致屏蔽門處溫度上升，但遠小于屏蔽門破裂安全值800℃（目前市場常用的耐高溫玻璃耐溫限制）；煙氣過站CO濃度也遠小于安全值1000ppm，即使屏蔽門破裂或漏風也不會對站內人員造成傷害。

2）雖然煙氣過站時煙氣溫度和CO濃度對站臺區域人員安全影響較小，但考慮到屏蔽門以及與煙氣接觸的部分區域內有大量塑膠材料，65.5℃的煙氣不會致使屏蔽門破裂，但會對這些材料在成破壞，而這些材料對站臺區域的影響可在以后的研究分析中展開研究。