細(xì)水霧對(duì)地鐵站廳層火災(zāi)煙氣危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響*

樊 艷 韓雪峰 蔣軍成

細(xì)水霧對(duì)地鐵站廳層火災(zāi)煙氣危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響*

樊 艷1，2韓雪峰1，2蔣軍成1，2

（1.南京工業(yè)大學(xué)火災(zāi)與消防工程研究所，210009，南京；2.南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，210009，南京∥第一作者，碩士研究生）

針對(duì)地鐵站廳層的火災(zāi)特點(diǎn)，在自然通風(fēng)的情況下，分別對(duì)有無細(xì)水霧作用的地鐵站廳層火災(zāi)煙氣情況進(jìn)行數(shù)值模擬。得出火場(chǎng)內(nèi)溫度以及CO2、CO、O2的摩爾分?jǐn)?shù)等煙氣危險(xiǎn)特性參數(shù)的變化和疏散安全指數(shù)的變化，指出細(xì)水霧對(duì)站廳層火災(zāi)煙氣CO2、O2的摩爾分?jǐn)?shù)降低作用明顯，更利于人員安全疏散。

地鐵站廳層；細(xì)水霧；火災(zāi)煙氣；特性參數(shù)；數(shù)值模擬

地鐵站廳層為人們往返站臺(tái)層的相對(duì)狹小的空間，人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，容易造成群死群傷。從20世紀(jì)80年代開始，相關(guān)學(xué)者就開始研究如何防治地鐵火災(zāi)［1］。文獻(xiàn)［1-3］對(duì)地鐵車站火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬及疏散方案研究，文獻(xiàn)［4］對(duì)地鐵內(nèi)樓梯口進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬。細(xì)水霧具有滅火、吸熱、降低煙氣中有害物質(zhì)濃度和提高能見度的作用，在封閉空間主動(dòng)滅火方面得到廣泛應(yīng)用。

本文應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator），分別在有、無細(xì)水霧作用兩種工況下，對(duì)地鐵站廳層火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析兩種工況下的煙氣特性參數(shù)，以此來探究細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)煙氣危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響。

1 地鐵站廳工程概況

本文以某地鐵站地下1層站廳為例。該地鐵站有2層，地下2層為站臺(tái)層，地下1層為站廳層。本文模擬的是乘客未刷卡進(jìn)入，在通道內(nèi)的工況。站廳長度為120 m，寬為23 m，高為4 m。此站臺(tái)有4個(gè)出入口，各出入口寬度設(shè)置均為4 m，每個(gè)出入口都分布有樓梯或扶梯與站臺(tái)層和外界相連，且滿足技術(shù)和防火要求。模擬計(jì)算僅對(duì)站廳層發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。具體平面布置如圖1所示。

2 網(wǎng)格設(shè)定

在實(shí)際模擬過程中，根據(jù)具體的計(jì)算區(qū)域大小來確定網(wǎng)格的大小，只要網(wǎng)格大小達(dá)到0.05D~0.10D（D為火源特征直徑），都可認(rèn)為滿足數(shù)值模擬網(wǎng)格質(zhì)量的要求［5］。D 由以下公式［6］計(jì)算：

式中：

Q——熱釋放速率，取10 MW；

ρ0——環(huán)境空氣密度，取1.205 kg/m3；

C0——空氣比熱，取1 012 J/（kg·℃）；

T0——環(huán)境溫度，取25℃；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

經(jīng)計(jì)算，D=6 m，故0.05 D=0.3 m，0.10 D=0.6 m。因此，為了精確模擬細(xì)水霧對(duì)地鐵站廳層火災(zāi)煙氣危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響，確定網(wǎng)格大小為0.4 m×0.4 m×0.4 m。

圖1 某地鐵站廳層平面布置圖

3 模型的建立

3.1 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)國內(nèi)外地鐵的燃燒研究結(jié)果，可燃物多為纖維類物質(zhì)。對(duì)于地鐵火災(zāi)熱釋放速率的大小，英美等國研究大多采用的火源功率為5~50 MW［7］，且重點(diǎn)研究10 MW工況。我國學(xué)者采用的火源功率為 5 MW 和 10 MW［7］、10.5 MW［8］、10.8 MW［9］、7.5 MW［10-11］。本文建立的站廳層模型，與人防工程相融合，平時(shí)可作為地下商場(chǎng)、商業(yè)街使用，緊急情況下作為人防工程，建筑面積較大、人員密集、人流量大、可燃物多。本文結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和研究模型特點(diǎn)，采用較不利的狀況。較不利狀況計(jì)算結(jié)果可以用來判斷細(xì)水霧能否滿足此站廳層火災(zāi)模式下的需要，將火源功率設(shè)置為10 MW，火源設(shè)置在報(bào)刊亭，尺寸為2 m×1 m?；馂?zāi)形式為快速增長火，即滿足如下公式：

式中：

Q——火源功率，kW；

α ——火源增長系數(shù)，取0.046 89 kW/s2［12］；

t——火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，s。

通過計(jì)算可知，在t=462 s時(shí)，火源功率達(dá)到最大值。

3.2 模型的建立

真實(shí)的地鐵站廳層具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而本文主要研究自然通風(fēng)條件下地鐵站廳層發(fā)生火災(zāi)后細(xì)水霧對(duì)煙氣特性參數(shù)的影響，而站廳層處于地下，受外界干擾氣流的影響小，空氣齡較長，空間內(nèi)一些小的功能性建筑設(shè)施對(duì)細(xì)水霧作用的影響不大。因此，為了便于建模，本文作如下簡(jiǎn)化：

（1）站廳簡(jiǎn)化為長方體，忽略站廳立柱；

（2）站廳內(nèi)商鋪、設(shè)備間處于常閉狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣不進(jìn)入此區(qū)域，故站廳模型中各商鋪、設(shè)備間未一一建模；

（3）忽略廣告燈箱、指示牌、門把手等附屬物。

3.3 工況設(shè)定

工況一：在站廳層未設(shè)置任何滅火系統(tǒng)。模擬地鐵站廳層在自然通風(fēng)的情況下，煙氣擴(kuò)散蔓延和危險(xiǎn)特性參數(shù)變化情況。

工況二：在站廳層配置高壓細(xì)水霧系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)資料［13］，高壓細(xì)水霧閉式噴頭的安裝間距不大于3.0 m，不小于2.0 m，距離墻不大于1.5 m。因此，本模型沿站廳層長度方向設(shè)置8組閉式噴頭，相鄰兩組距離3.0 m，同組內(nèi)兩噴頭間距3.0 m，噴頭與墻的距離1.0 m。噴頭流量10 L/min，每秒液滴數(shù)5 000，急流偏移0.05 m。

在火源上方設(shè)置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)火源強(qiáng)度變化；在站廳層出入口設(shè)置測(cè)點(diǎn)，人員疏散及消防救援都必須經(jīng)過此位置，便于掌握此處煙氣及溫度變化規(guī)律，為火災(zāi)工況下逃生提供數(shù)據(jù)參考。7個(gè)測(cè)點(diǎn)的分布圖、位置坐標(biāo)以及設(shè)置的測(cè)量裝置見圖2和表1。

圖2 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分布圖

表1 測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)

火災(zāi)工程學(xué)認(rèn)為，當(dāng)實(shí)際的煙氣層高度h大于臨界安全高度Hc時(shí)，則認(rèn)為是安全的。Hc可按下式計(jì)算［10］：

式中：

Hc——煙氣臨界安全高度，m；

H——站廳頂棚高度，m。

本文站廳層高度為4 m，所以臨界安全高度為2 m。在此高度測(cè)量站廳層火災(zāi)煙氣溫度及CO2、CO、O2的摩爾分?jǐn)?shù)等特性參數(shù)。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 工況一模擬結(jié)果及分析

4.1.1 溫度及CO2、CO、O2的摩爾分?jǐn)?shù)

溫度及CO2、CO、O2的摩爾分?jǐn)?shù)是反映火災(zāi)煙氣屬性的重要特性參數(shù)。圖3為2 m安全高度不同測(cè)點(diǎn)的溫度及CO2、CO、O2的摩爾分?jǐn)?shù)的變化圖。

由圖3 a）可知，火災(zāi)發(fā)生后，測(cè)點(diǎn)2溫度迅速增加至500℃，大約540 s時(shí)達(dá)到最高溫度930℃左右。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，2 m以下空間內(nèi)的煙氣溫度超過100℃人的安全就會(huì)受到嚴(yán)重威脅［14］。模擬結(jié)束時(shí)，測(cè)點(diǎn)2煙氣溫度已增加至825℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全溫度，其余測(cè)點(diǎn)煙氣溫度均低于100℃。

圖3 工況一火場(chǎng)各特性參數(shù)隨時(shí)間的變化圖

由圖3 b）可知，火災(zāi)發(fā)生后，在0~200 s，測(cè)點(diǎn)2的CO2的摩爾分?jǐn)?shù)緩慢增加至0.008 7；在200~550 s，急劇增加至0.074；550 s后增幅緩慢，但總體呈增加趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，允許人員逃生避難的環(huán)境CO2的摩爾分?jǐn)?shù)需低于0.05［15］。模擬結(jié)束時(shí)，測(cè)點(diǎn)2的CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.074 6，已嚴(yán)重高于安全摩爾分?jǐn)?shù)，其他區(qū)域CO2的摩爾分?jǐn)?shù)均低于安全摩爾分?jǐn)?shù)0.05。

由圖3 c）可知，模擬結(jié)束時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)的CO摩爾分?jǐn)?shù)均低于1.400×10-3。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，通常允許人員逃生避難的CO摩爾分?jǐn)?shù)需低于1.400×10-3［15］。這是因?yàn)樵谧匀煌L(fēng)的情況下，O2量充足，燃燒充分，生成的CO很少。

由圖3 d）可知，火災(zāi)發(fā)生后，在0~400 s，測(cè)點(diǎn)2的O2摩爾分?jǐn)?shù)緩慢減少至18.6%；400~450 s，呈直線下降，降至13.1%；450 s后，O2摩爾分?jǐn)?shù)變化緩慢，但總體呈下降趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，允許人員逃生避難的O2最低摩爾分?jǐn)?shù)為14%［16］。模擬結(jié)束時(shí)，測(cè)點(diǎn)2的O2摩爾分?jǐn)?shù)為12.5%，已低于最低安全濃度，其他測(cè)點(diǎn)的O2摩爾分?jǐn)?shù)均高于最低安全濃度。

通過以上分析可知，在自然通風(fēng)情況下，工況一發(fā)生火災(zāi)后，隨著煙氣不斷向起火點(diǎn)周圍擴(kuò)散，2 m安全高度處截面的溫度、CO2摩爾分?jǐn)?shù)不斷增加，O2摩爾分?jǐn)?shù)不斷減少。模擬結(jié)束時(shí)，火羽流區(qū)2 m安全高度處溫度已達(dá)825℃，CO2摩爾分?jǐn)?shù)度已達(dá)0.074 6，O2摩爾分?jǐn)?shù)已低至12.5%。此時(shí)煙氣已經(jīng)擴(kuò)散至站廳層兩端、樓梯和扶梯處。在2 m安全高度除火羽流區(qū)外的其他測(cè)點(diǎn)的溫度及CO2、CO、O2處摩爾分?jǐn)?shù)均在安全范圍內(nèi)。

4.1.2 Y方向不同位置火災(zāi)煙氣溫度場(chǎng)變化

在 Y=2.0 m、Y=4.5 m、Y=11.5 m、Y=21.0 m 4處設(shè)置溫度切片，站廳層火災(zāi)煙氣溫度情況如圖4所示。

圖4 工況一火場(chǎng)不同位置溫度場(chǎng)分布圖

從圖4可以看出，隨著煙氣不斷向起火點(diǎn)周圍擴(kuò)散，2 m安全高度截面處的煙氣溫度不斷增加。300 s時(shí)，除火羽流區(qū)外，2 m安全高度截面其他位置均低于安全溫度，此時(shí)煙氣并未擴(kuò)散開來。600 s時(shí)，火羽流區(qū)2 m安全高度截面處煙氣溫度約220℃，此時(shí)煙氣已經(jīng)擴(kuò)散到站廳層兩端和樓梯、扶梯處，但除火羽流區(qū)和站廳層左端稍有超過安全溫度外，其他2 m安全高度截面位置的煙氣溫度均低于安全溫度，滿足要求。

4.2 工況二模擬結(jié)果及分析

4.2.1 溫度及CO2、CO、O2摩爾分?jǐn)?shù)

工況二設(shè)置高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，通過細(xì)水霧進(jìn)行滅火、降溫、稀釋和吸收，并運(yùn)用FDS軟件模擬細(xì)水霧對(duì)煙氣危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響。圖5為工況二不同測(cè)點(diǎn)的溫度及CO2、CO、O2摩爾分?jǐn)?shù)比較圖。

模擬結(jié)束時(shí)，工況二測(cè)點(diǎn)2處的煙氣溫度已增加至758℃，而工況一測(cè)點(diǎn)2的煙氣溫度已增加至825℃，其他測(cè)點(diǎn)的煙氣溫度有不同程度的降低。雖然此模擬中，細(xì)水霧對(duì)煙氣的降溫作用不是很明顯，但也可以看出細(xì)水霧的降溫作用。

模擬結(jié)束時(shí)，工況二測(cè)點(diǎn)2的CO2摩爾分?jǐn)?shù)已降至0.022 4，而工況一測(cè)點(diǎn)2的CO2摩爾分?jǐn)?shù)已增加至0.074 6，已嚴(yán)重高于0.05，其他測(cè)點(diǎn)的CO2摩爾分?jǐn)?shù)有不同程度的降低。

模擬結(jié)束時(shí)，工況二測(cè)點(diǎn)2處O2摩爾分?jǐn)?shù)已增加至17%，而工況一測(cè)點(diǎn)2的O2摩爾分?jǐn)?shù)已降至12.5%。其他測(cè)點(diǎn)的O2摩爾分?jǐn)?shù)變化不明顯，但均已在安全范圍內(nèi)。

因自然通風(fēng)，工況二和工況一測(cè)點(diǎn)2處CO摩爾分?jǐn)?shù)均低于危險(xiǎn)CO摩爾分?jǐn)?shù)。

本次模擬采用閉式噴頭，閉式噴頭的啟動(dòng)條件為其所在位置的溫度達(dá)到57℃。通過表2的各測(cè)點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)可以看出，雖然整個(gè)站廳層設(shè)置了很多細(xì)水霧噴頭，但能達(dá)到啟動(dòng)溫度的噴頭并不多，而測(cè)點(diǎn)2正好處于火源的上方1 m處，所以溫度變化并不明顯。

隨著燃燒的進(jìn)行，工況二O2摩爾分?jǐn)?shù)迅速下降，在細(xì)水霧作用之后，又迅速回升，結(jié)合圖5 c中CO的摩爾分?jǐn)?shù)迅速上升的現(xiàn)象，可知此時(shí)細(xì)水霧吸收空氣中的熱量蒸發(fā)為水蒸氣，水蒸氣搶占空間中O2的位置，稀釋O2，使得O2摩爾分?jǐn)?shù)降低，使此時(shí)燃燒不完全，CO的摩爾分?jǐn)?shù)增加。這體現(xiàn)了細(xì)水霧的隔氧阻燃效果。這與文獻(xiàn)［17］利用細(xì)水霧抑制煤油火源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有相似的變化趨勢(shì)。

圖5 工況二火場(chǎng)各特征參數(shù)隨時(shí)間的變化圖

表2 有無細(xì)水霧對(duì)站廳層火災(zāi)煙氣的危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響（火災(zāi)發(fā)生600 s）

4.2.2 Y方向不同位置火災(zāi)煙氣溫度變化

在 Y=2.0 m、Y=4.5 m、Y=11.5 m、Y=21.0 m 4處設(shè)置溫度切片，站廳層火災(zāi)煙氣溫度情況如圖6所示。

從圖6可以看出，施加細(xì)水霧后，煙氣從起火點(diǎn)向周圍擴(kuò)散，2 m安全高度截面溫度不斷增加。600 s時(shí)，通過與圖4對(duì)比可以看出，細(xì)水霧作用后火羽流區(qū)2 m安全高度截面處煙氣溫度有所降低。站廳層左端溫度在100℃左右，基本滿足要求。模擬結(jié)束時(shí)，除火羽流區(qū)，其他2 m安全高度截面位置的煙氣溫度均低于安全溫度，滿足要求。

圖6 工況二火場(chǎng)不同位置溫度場(chǎng)分布圖

4.3 使用細(xì)水霧前后人員疏散安全指數(shù)對(duì)比

因?yàn)楸灸M是在自然通風(fēng)工況下，氧氣比較充分，故基本能燃燒完全，生成的CO量較少，故以CO2摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到安全閾值的時(shí)間為量化指標(biāo)［18］。

使用細(xì)水霧前：

使用細(xì)水霧后：

式中：

Is——安全指數(shù)；

tase——可用疏散時(shí)間；

trse——必需疏散時(shí)間。

其中trse通過GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第28.2.12條計(jì)算公式計(jì)算得到。

通過計(jì)算可得：Is2比Is1增加了1.08倍。由此可見，使用細(xì)水霧可增加人員安全疏散時(shí)間，為人員安全疏散提供了保障。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用FDS軟件對(duì)站廳層火災(zāi)時(shí)有無細(xì)水霧作用的煙氣情況進(jìn)行模擬研究，分析細(xì)水霧對(duì)煙氣溫度以及CO2、CO、O2摩爾分?jǐn)?shù)等危險(xiǎn)特性參數(shù)的影響情況。通過對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）在站廳層，細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)煙氣的CO2摩爾分?jǐn)?shù)、O2摩爾分?jǐn)?shù)作用明顯，但在火羽流區(qū)對(duì)煙氣的降溫作用并不明顯。雖然施加細(xì)水霧后，CO摩爾分?jǐn)?shù)比未施加細(xì)水霧的工況高，但CO摩爾分?jǐn)?shù)并未超過安全范圍；施加細(xì)水霧后，測(cè)點(diǎn)2（火源上方1 m處）的CO2摩爾分?jǐn)?shù)在0.022 4左右，O2摩爾分?jǐn)?shù)和CO摩爾分?jǐn)?shù)均控制在安全范圍內(nèi)。雖然測(cè)點(diǎn)2溫度在758℃左右，已超過安全溫度，但已比工況一有好轉(zhuǎn)。其余測(cè)點(diǎn)均符合要求。

（2）采用細(xì)水霧，一方面可以有效滅火；另一方面可以將煙氣溫度、CO2摩爾分?jǐn)?shù)、CO摩爾分?jǐn)?shù)、O2摩爾分?jǐn)?shù)等危險(xiǎn)特性參數(shù)控制在安全范圍內(nèi)，有效降低了煙氣的危害性，人員疏散安全指數(shù)增加1.08倍，為保證人員安全疏散提供了保障。同時(shí)，建議在此站廳層設(shè)置機(jī)械排煙和細(xì)水霧共同作用，但其耦合作用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Effect of Water Mist on Hazardous Characteristic Parameters of Fire Smoke in Subway Station Hall

FAN Yan，HAN Xuefeng，JIANG Juncheng

Aiming at the characteristics of subway station hall fire and under the natural ventilation，subway station fire is simulated in the condition of water mist and the condition without water mist separately.The variation of hazardous characteristic parameters,including fire temperature，the mole fraction of CO2，CO and O2，and the changes of SI(safety index)are obtained.The collected data show that the effect of water mist in reducing the mole fraction of CO2and O2is obvious，that will help passengers in safety evacuation.

subway station hall；water mist；fire smoke；characteristic parameter；numerical simulation

U231+.96

10.16037/j.1007-869x.2017.11.010

Author′s address Fire and Fire Engineering Research Institute of Nanjing Tech University，210009，Nanjing，China

*2013年國家安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目

2016-02-24）