售票機的不同位置對地鐵車站火災(zāi)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(xué)上海防災(zāi)減災(zāi)研究所,上海 200092;2.同濟安泰工程防災(zāi)研發(fā)中心,上海 200032)

0 引言

社會經(jīng)濟的發(fā)展進步使人們的生活水平得到不斷改善,對交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求也越來越高,國內(nèi)外許多大中城市紛紛修建軌道交通。地鐵在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來越重要作用的同時,其安全性便成為人們關(guān)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(zāi)發(fā)生的概率較低,但一旦發(fā)生火災(zāi)事故,極易導(dǎo)致大量人員傷亡和財產(chǎn)損失,并造成極為惡劣的社會影響。

火災(zāi)發(fā)生時所產(chǎn)生的煙氣、高溫、缺氧是地鐵車站火災(zāi)造成人員傷亡和財產(chǎn)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(dǎo)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(zāi)煙氣特性的研究,主要集中在通風(fēng)方式以及排煙口布置等方面,對售票機火災(zāi)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(zāi)煙氣特性的影響,并為實際工程提供可參考的依據(jù),本文以某城市在建的地鐵站站廳層為研究對象,基于FDS數(shù)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(zāi)特性影響,并在此基礎(chǔ)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST National Institute of Standards and Technology)建筑火災(zāi)實驗室(Building and Fire Research Laboratory)開發(fā)的基于場模擬的火災(zāi)模擬軟件[1],該軟件采用先進的大渦模擬技術(shù),得到眾多實例驗證,在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。場模擬也稱物理模擬,是基于火災(zāi)過程的質(zhì)量、動量、能量和化學(xué)反應(yīng)諸方面基本方程的一種高層次的復(fù)雜模擬[3]。

Pyrosim是在FDS的基礎(chǔ)上發(fā)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(shè)置、火源設(shè)置和燃燒材料設(shè)置等。在Pyrosim中完成建模后直接導(dǎo)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(shù)據(jù)。

1.2 幾何條件及火災(zāi)場景的設(shè)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(tǒng)采用自然排煙方式。由于考慮售票機的布置方位對火災(zāi)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(shè)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(zāi)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(zāi)早期的發(fā)展與時間的平方成正比關(guān)系,因此通常稱之為t2火災(zāi),即Qf=αt2。在消防安全工程學(xué)中,這一計算方法常用于性能化防火設(shè)計中的火災(zāi)場景設(shè)計。美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA 204M《排煙標(biāo)準(zhǔn)(Standard of Smoke and Heat Venting)》(2002年)中根據(jù)α的值定義了四種標(biāo)準(zhǔn)t2火災(zāi),即慢速火、中速火、快速火和超快速火。根據(jù)對本文計算對象內(nèi)可燃物——售票機的分析,設(shè)定火災(zāi)增長系數(shù)可取為快速火,α=0.047 kW/s2。

火災(zāi)在經(jīng)歷了早期的發(fā)展之后,將進入完全燃燒階段,在這個階段火災(zāi)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(shè)水系統(tǒng)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(zāi)熱釋放速率峰值為2 MW,對應(yīng)達到該最大熱釋放速率峰值的時間為206 s,火災(zāi)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(nèi)部布置情況建立數(shù)值計算模型,為更好的獲取計算結(jié)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(jié)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(zāi)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(chǎn)生了隱患。

圖2 900 s時各售票機火災(zāi)工況的溫度示意圖

圖3 900 s時各售票機火災(zāi)工況的CO2濃度示意圖

圖4 900 s時各售票機火災(zāi)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(guān)系,使得計算結(jié)果數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 B測點溫度、煙氣濃度

從以上數(shù)據(jù)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(jié)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(dāng)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(jù)上述分析,本文提出售票機與疏散出口之間的距離應(yīng)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(jīng)濟損失。

3 結(jié)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(zāi)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(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:

(1)地鐵車站的空間布局對火災(zāi)煙氣特性影響較大,售票機是地鐵車站中的必須設(shè)備,容易出現(xiàn)故障而起火,它的擺放位置合理與否將對人員安全疏散產(chǎn)生重大影響,因而在實際工程中需對售票機的布局經(jīng)過數(shù)據(jù)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(chǎn)生隱患。

(3)模擬結(jié)果表明,當(dāng)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(yīng)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(zāi)科學(xué)與工程研究中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)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(shù)與產(chǎn)品信息,2002(12):35-38.