新型排煙模式下地鐵氣流組織模擬研究

崔奇杰1，鄭文科，何 峰1，蔡偉華，姜益強

(1．中國鐵路設(shè)計集團有限公司 廣東分公司，廣東 深圳 518000；2．哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

改革開放四十年來，我國經(jīng)濟高速增長，城市化率已從改革開放初的20%飛速增長至目前的60%，同時機動車保有量也實現(xiàn)了迅猛增長，到2018年已達3.27億輛，伴隨而來的交通擁堵已經(jīng)成為大中型城市亟需解決的難題。相對于汽車，公交等地面出行方式，地鐵可以大大緩解交通擁堵，越發(fā)受到人們的重視。地鐵地下車站人流密集，不易疏散，如果發(fā)生火災(zāi)，高溫煙氣會影響乘客的疏散安全，很容易造成人員傷亡，因此地鐵車站需要采取有效的防排煙措施，保障地鐵車站的人員安全。

目前國內(nèi)外研究人員對地鐵車站的防排煙系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)做了很多研究。Zigh[1]對發(fā)生火災(zāi)后，地鐵站內(nèi)的溫度與煙氣分布情況開展模擬研究，并對比了不同的湍流模型對于計算效果的影響，發(fā)現(xiàn)k-e模型能夠較好地仿真真實的氣流組織。J.S. Roh[2]對火災(zāi)蔓延和人流疏散進行模擬，分析了防排煙系統(tǒng)對于火災(zāi)煙氣蔓延的影響，發(fā)現(xiàn)站臺門系統(tǒng)的布置能有效阻止火災(zāi)蔓延并有利于人流疏散。W.H.Park[3]采用FDS軟件仿真了火災(zāi)發(fā)生時煙氣在不同排煙系統(tǒng)下的擴散情況，并給出了最優(yōu)的排煙方案。Sanchenz[4]使用FLUENT軟件對標準回風，站臺下排風以及頂?shù)琅棚L等在火災(zāi)發(fā)生時的氣流組織情況開展研究，對比在典型通風形式下的煙氣蔓延效果，并對地鐵站的環(huán)控系統(tǒng)給出了最優(yōu)設(shè)計方案。

梁暉[5]等總結(jié)前人的研究成果，提出綜合利用隧道通風系統(tǒng)與機械排煙系統(tǒng)進行排煙的模式可以實現(xiàn)站臺煙氣有效排除。顧正洪[6]研究發(fā)現(xiàn)設(shè)置擋煙垂壁是防排煙設(shè)計中的有效方式，可以阻擋煙氣，有利于人員疏散，但是對臨界通風速度有一定影響。孟娜[7]通過實驗與模擬的方法探究了在站臺與站廳處設(shè)置擋煙垂壁對于火災(zāi)煙氣的影響，并研究了不同煙氣控制系統(tǒng)對于煙氣擴散的影響，同時提出了較優(yōu)的控制模式。

紀杰[8]通過研究發(fā)現(xiàn)當多層發(fā)生火災(zāi)時，同時開啟起火層與上下層送風系統(tǒng)，有利提升排煙效果。鐘茂華[9]通過研究發(fā)現(xiàn)，采用防煙分區(qū)的辦法有利于控制煙氣的擴散，并且在每個防煙分區(qū)應(yīng)當采取全排煙的通風方式。田向亮[10]等設(shè)計了地鐵換乘車站的全尺寸火災(zāi)實驗，驗證了地鐵機械通風排煙系統(tǒng)可以有效引導煙氣流動，抑制其擴散，并建議在設(shè)計地鐵站時，充分考察自然風壓與機械排煙與通風風壓對于煙氣蔓延的影響。籃杰[11]和李建[12]分別對排煙的吸穿現(xiàn)象以及排煙口形式進行研究，發(fā)現(xiàn)二者對于地鐵站的排煙效率有一定影響。

盡管前人已經(jīng)對地鐵車站的通風排煙系統(tǒng)對煙氣氣流組織和控制措施的影響等進行了較多的研究，但由于《地鐵設(shè)計防火標準》 GB51298-2018的施行對地鐵站臺排煙模式產(chǎn)生了較大影響，以往開站臺門輔助站臺公共區(qū)排煙的模式不再被允許，地鐵站站臺公共區(qū)需要采用新的排煙模式。

目前工程設(shè)計中推薦采用的替代方案是利用隧道排熱風機接風管至公共區(qū)進行輔助排煙。本文采用數(shù)值模擬的方法針對此方案對車站進行了研究。首先驗證站臺公共區(qū)火災(zāi)時這種排煙方案能否滿足站廳站臺樓扶梯口部氣流速度的規(guī)范要求。其后對輔助排煙口的不同位置的工況進行模擬計算，探究排煙口的位置分布對火災(zāi)時樓扶梯口部風速影響的具體規(guī)律。最終的結(jié)果可為實際工程中站臺輔助排煙風管與排煙口的布置提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文以某6A車站為參照，建立了簡化的二層車站模型。車站為島式車站，整體模型如圖1所示。站廳層有三個氣流入口，對應(yīng)實際由地面進入站廳的三個出入口。站臺層通過4部樓扶梯與站廳層進行連接。站臺層在人員活動區(qū)上方設(shè)置有通風空調(diào)系統(tǒng)排風口，包括24個大系統(tǒng)排風兼排煙口，兩側(cè)布置有與隧道排熱風機連接的8個排煙口。排熱風機的風量為40 m3/s，全壓650 Pa。整個車站模型的三維尺寸為180×19.55×8.15 m。截面1為豎直方向上經(jīng)過4個樓梯出口的豎切面，截面2為水平方向上距排煙口0.1 m的橫切面。

圖1 地鐵模型整體示意圖

為減小樓扶梯口部截面積，考慮用防火玻璃對樓扶梯側(cè)面進行封堵，且在樓扶梯口部上方設(shè)置擋煙垂壁。

1.2 物理模型與網(wǎng)格

模型前處理軟件采用 ICEM。由于車站模型為幾何尺寸巨大，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格會導致的網(wǎng)格數(shù)目較多，不利于計算，且模型平面相接處網(wǎng)格質(zhì)量較差。為保證計算精度與速度，因此本研究采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型圖

1.3 模型設(shè)置

本文模擬的是地鐵車站內(nèi)復雜的氣流組織形式，考慮到排風口與排煙風機處氣體流速較快，處于湍流狀態(tài)，湍流模型采用k-ε模型?？紤]到標準壁面函數(shù)良好的魯棒性，近壁面處理方式選擇標準壁面函數(shù)。車站A、B、C三個出入口設(shè)置為壓力入口邊界條件。排風口與排煙口設(shè)置為速度出口邊界條件。數(shù)值離散格式及計算方法簡述如下：壓力梯度設(shè)置為PRESTO!格式，其他梯度項都設(shè)置為二階迎風離散格式；控制方程組采用PISO算法進行數(shù)值計算。采用穩(wěn)態(tài)計算，迭代13 000步，殘差值控制到10-4。

1.4 網(wǎng)格獨立性驗證

為確保計算精度，進行了網(wǎng)格獨立性分析驗證。建立網(wǎng)格數(shù)分別為224826、515440、831754的車站模型，對排煙速度為6.944 m/s、排風速度為5.74 m/s條件下的工況進行模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)為515440與831754的模型在截面1與2上的速度云圖分布更加接近，綜合考慮計算要求，最終選擇網(wǎng)格數(shù)目為515440的模型進行模擬。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)目模型截面1與截面2速度分布云圖

2 模擬分析及討論

2.1 僅開啟站臺公共區(qū)排煙風機工況

首先考慮在站臺發(fā)生火災(zāi)時，僅開啟站臺公共區(qū)機械排煙系統(tǒng)的方案。此種情況下，僅開啟公共區(qū)排煙風機對站臺進行排煙，空氣在負壓作用下通過車站三個出入口自然補入。對火災(zāi)工況下的地鐵站內(nèi)進行氣流組織仿真，從左到右分別為1號至4號樓扶梯口。由圖4可知，4個樓扶梯口的平面速度分布不均勻。1至3號樓扶梯口垂直平面在兩側(cè)有高速區(qū)，中間偏上部區(qū)域則為明顯的低速區(qū)。4號樓扶梯口右側(cè)流速較高，左側(cè)有一定的低速區(qū)。各個出口平面的空氣分布流速不同與樓扶梯所在位置以及結(jié)構(gòu)有很大的相關(guān)性。同時可以看到2號樓扶梯出口出現(xiàn)速度最大值。

圖4 僅開啟站臺公共區(qū)排煙風機模式下不同樓梯入口的速度云圖

表1為正常工況下各樓扶梯口的氣流速度。由表1可知2號樓扶梯口與其他樓扶梯口平均速度有較大差異。樓扶梯口2至4號的總風量接近。但是出口面1,3和4的平均風速遠小于1.5 m/s，證明僅啟動公共區(qū)排煙系統(tǒng)排煙風機無法滿足《地鐵設(shè)計防火標準》GB51298-2018中排煙時站廳到站臺的樓扶梯口向下氣流不小于1.5 m/s的要求[13]，需要加大站臺排煙量，以滿足發(fā)生火災(zāi)時各樓扶梯口對于隔絕煙氣的需要。

表1正常工況下各樓扶梯口的氣流速度分布情況

樓扶梯口名稱樓扶梯口1樓扶梯口2樓扶梯口3樓扶梯口4出口寬度/m3.82.84.74.1口部面積10.267.5612.6911.07口部面平均流速/m·s-10.831.520.911.02口部流量/m3·s-18.5211.4911.4511.934

2.2 隧道排熱風機接風管至公共區(qū)輔助排煙工況

考慮用排熱風機接排煙管至站臺輔助排煙，根據(jù)實際工程中輔助排煙風管可能設(shè)置的位置，設(shè)置三種排煙口設(shè)置方案，如圖5所示。對火災(zāi)工況下輔助排煙風管上三種排煙口位置方案的氣流組織開展仿真研究。以方案 A為例，各樓扶梯口的速度分布云圖如圖6所示，可知各樓扶梯口速度分布情況均體現(xiàn)為上部風速較小，下部風速較大，但具體分布情況有顯著不同。而且2號樓扶梯口平面出口風速最大，局部最大風速可達6 m/s以上。對三種不同排煙口布置方案條件下樓扶梯口風速取平均，如表2所示?？芍N方案條件下，各樓扶梯口的向下氣流速度均大于1.5 m/s，能夠滿足規(guī)范要求。

圖5 三種方案的排煙口分布形式

圖6 排熱風機連接輔助排煙管形式下不同樓梯入口的速度云圖

表2不同排煙風口位置方案各樓扶梯口的速度分布情況

樓扶梯口名稱樓扶梯口1樓扶梯口2樓扶梯口3樓扶梯口4方案A口部平均流速/m·s-12.414.902.993.21方案A口部流量/m3·s-124.7337.0437.9435.53方案B口部平均流速/m·s-12.674.912.503.39方案B口部流量/m3·s-127.437.1131.7337.53方案C口部平均流速/m·s-12.965.442.662.73方案C口部流量/m3·s-130.9839.4933.7630.22

3 結(jié)論

本文建立了地鐵車站仿真模型，針對《地鐵設(shè)計防火標準》GB51298-2018施行后地鐵站臺火災(zāi)工況下無法開啟站臺門輔助排煙的情況，考慮用隧道排熱風機接風管至公共區(qū)進行輔助排煙，并設(shè)計了不同的排煙口位置方案，對地鐵站內(nèi)的氣流組織進行研究，分析輔助排煙口位置對地鐵火災(zāi)工況下站廳站臺樓扶梯口部氣流速度的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同以及樓梯布置位置的影響，地鐵站內(nèi)各樓扶梯口的風速各不相同，各出口平面速度分布并不均勻。

(2)利用隧道排熱風機輔助站臺公共區(qū)排煙時，各個方案下各樓扶梯口部空氣流速都可以達到規(guī)范大于1.5 m/s的要求，2號樓扶梯口始終擁有最大風速。

(3)對比三種輔助排煙口布置形式，方案B中各樓扶梯口風速的最小值大于方案A，最大值小于方案C，因此方案B可作為隧道排熱風機連接輔助排煙風管上排煙口布置的優(yōu)選方案。