地鐵煙氣過站火災(zāi)特性研究

石 銳

西咸新區(qū)軌道交通投資建設(shè)有限公司 西安 713200

0 研究背景

地鐵車站在主城區(qū)一般為地下敷設(shè)，當(dāng)線路敷設(shè)在主城區(qū)以外時(shí)，多采用地面或地上敷設(shè)，線路從地下轉(zhuǎn)至地面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)地下車站與短隧道連接的形式，在短隧道一段設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)（TVF）時(shí)明顯是不經(jīng)濟(jì)的，此時(shí)可利用連接車站的另一端隧道的隧道風(fēng)機(jī)（TVF）服務(wù)于短隧道，但存在洞口區(qū)間出故障時(shí)，可能出現(xiàn)區(qū)間煙氣過站的現(xiàn)象，影響站臺(tái)安全。

由于車站靠洞口側(cè)隧道未設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)（TVF），僅在洞口至車站的隧道區(qū)間內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，一旦出洞口列車車尾或進(jìn)洞口列車頭在隧道內(nèi)著火并滯留其中，為了及時(shí)排除火災(zāi)有害煙氣，則須開啟射流風(fēng)機(jī)向著火列車送風(fēng)，同時(shí)車站另一端兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)（TVF）開啟排風(fēng)，此時(shí)會(huì)造成高溫?zé)煔饨?jīng)過車站軌行區(qū)，若煙氣溫度過高造成屏蔽門破裂以致高溫有害氣體進(jìn)入站臺(tái)區(qū)域，將對(duì)站臺(tái)人員安全造成不利影響，為此本文采用FDS建立計(jì)算模型，模擬煙氣過站車站屏蔽門附近的溫度場(chǎng)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(shù)值計(jì)算模型

常用的商業(yè)模擬軟件有Fluent、Star-CD等，這些軟件在模擬建筑物熱濕環(huán)境方面有不可逾越的優(yōu)勢(shì)，因此其可以應(yīng)用到列車進(jìn)站時(shí)站臺(tái)熱濕環(huán)境的模擬當(dāng)中；但這些軟件在模擬車站火災(zāi)時(shí)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(duì)車站火災(zāi)進(jìn)行模擬。

1. 1 火災(zāi)控制方程

火災(zāi)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算。大渦模擬把包括脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)通過某種濾波方法分解成大尺度運(yùn)動(dòng)和亞尺度運(yùn)動(dòng)兩部分。大尺度渦是載能渦，且各向異性，大尺度運(yùn)動(dòng)通過對(duì)Navier-Stokes方程式直接求解計(jì)算出來；亞尺度渦是耗散渦，且各向同性，亞尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響將在運(yùn)動(dòng)方程中表現(xiàn)為類似于雷諾應(yīng)力的應(yīng)力項(xiàng)，稱為亞尺度雷諾應(yīng)力，通過建立模型進(jìn)行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)能量耗散，F(xiàn)DS大渦模擬采用Smagorinsky亞尺度模型，粘性系數(shù)表示如下：

默認(rèn)采用的燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)（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(duì)于輻射換熱，F(xiàn)DS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(fèi)大量時(shí)間，默認(rèn)使用100個(gè)離散角求解，所花費(fèi)時(shí)間大約占總計(jì)算時(shí)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(biāo)準(zhǔn)站模式，火災(zāi)發(fā)生在上行線列車進(jìn)站前，火災(zāi)位置位于列車頭部，由于著火列車被迫?？吭谶M(jìn)站前隧道內(nèi)，此時(shí)通風(fēng)模式為：著火列車側(cè)四臺(tái)隧道射流風(fēng)機(jī)開啟送風(fēng)，同時(shí)車站大里程端兩臺(tái)TVF開啟排風(fēng)。

2. 2 邊界條件

邊界條件：車站小里程端區(qū)間隧道長(zhǎng)140m，內(nèi)?？恐鹆熊?，為使車站大里程端邊界流場(chǎng)接近實(shí)際情況，大里程端同樣設(shè)置

140 m長(zhǎng)隧道，兩端隧道出口均為自由邊界條件。

2. 3 參數(shù)設(shè)置

火源大?。?0.5MW；

射流風(fēng)機(jī)：4臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)量18m3/s；

TVF排風(fēng)口：2臺(tái)TVF風(fēng)機(jī)總風(fēng)量120m3/s；

軌頂排風(fēng)口：60個(gè)，總風(fēng)量40 m3/s；

溫度測(cè)點(diǎn)：沿站臺(tái)方向設(shè)置140個(gè)溫度和CO濃度測(cè)點(diǎn)；

2. 3 網(wǎng)格設(shè)置

由于本次模型規(guī)模相對(duì)較大，且存在很多細(xì)小風(fēng)口，若采取統(tǒng)一網(wǎng)格尺寸比較導(dǎo)致網(wǎng)格規(guī)模較大，以致超過計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，為此本次采用局部加細(xì)網(wǎng)格處理方法，在所有涉及風(fēng)口、射流風(fēng)機(jī)的位置網(wǎng)格統(tǒng)一加密，這樣可在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，大幅度減少網(wǎng)格規(guī)模，提高計(jì)算收斂時(shí)間。

3 模擬結(jié)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(tái)區(qū)域；最低溫度49℃，主要分布在靠近TVF排風(fēng)口的站臺(tái)區(qū)域（圖1中橫坐標(biāo)140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）4臺(tái)射流風(fēng)機(jī)和2臺(tái)TVF的共同作用，將大部分高溫?zé)煔馀胖潦彝?，致使隧道?nèi)煙氣溫度相對(duì)較低，最高不超過65.5℃；

（2）屏蔽門頂部至軌頂排風(fēng)到之間有2.4m的距離，余留的高溫?zé)煔庠诟∩Φ淖饔孟麓蟛糠志奂诖?，?dǎo)致屏蔽門處煙氣溫度相對(duì)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(diǎn)65.5℃降至最低點(diǎn)49℃，在靠近TVF排風(fēng)口處溫度出現(xiàn)上下波動(dòng)，但波動(dòng)幅度不大，基本維持在0.15℃左右（圖1中橫坐標(biāo)140m—0m為射流方向）。

原因分析：

（1）煙氣在流動(dòng)過程中會(huì)與周圍隧道壁熱交換，導(dǎo)致溫度逐步降低；

（2）大里程端TVF排風(fēng)抽吸作用使周圍大量冷空氣從大里程端隧道下部卷入導(dǎo)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(fēng)機(jī)和TVF的共同作用，將大部分高溫?zé)煔馀胖潦彝?，以致屏蔽門處CO濃度相對(duì)較低，局部區(qū)域接近0ppm；

（2）屏蔽門頂部至軌頂排風(fēng)到之間有2.4m的距離，余留的高溫?zé)煔獯蟛糠志奂诖?，?dǎo)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(xiàn)局部跳躍后逐漸降低，接近TVF排風(fēng)口處co濃度基本為零（圖1中橫坐標(biāo)140m—0m為射流方向）。

原因分析：

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

（2）大里程端TVF排風(fēng)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(dǎo)致其周圍煙氣CO降低；

4 結(jié)論及展望

1）煙氣過站雖然會(huì)導(dǎo)致屏蔽門處溫度上升，但遠(yuǎn)小于屏蔽門破裂安全值800℃（目前市場(chǎng)常用的耐高溫玻璃耐溫限制）；煙氣過站CO濃度也遠(yuǎn)小于安全值1000ppm，即使屏蔽門破裂或漏風(fēng)也不會(huì)對(duì)站內(nèi)人員造成傷害。

2）雖然煙氣過站時(shí)煙氣溫度和CO濃度對(duì)站臺(tái)區(qū)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(qū)域內(nèi)有大量塑膠材料，65.5℃的煙氣不會(huì)致使屏蔽門破裂，但會(huì)對(duì)這些材料在成破壞，而這些材料對(duì)站臺(tái)區(qū)域的影響可在以后的研究分析中展開研究。