站臺火災側向排煙擋板機械排煙數值分析

孟華寧 趙伶玲 鄧博譽 疏學明

1東南大學能源與環(huán)境學院，能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室

2清華大學公共安全研究院

地鐵車站屬于地下狹長空間建筑，與地面通過特定出口連通，通風能力有限。當發(fā)生火災時大量熱量和高溫煙氣積聚在地鐵站內，使得站內人員易煙氣中毒和窒息，人員生命安全受到威脅[1-2]。在地鐵車站中主要采用機械排煙方式排除高溫煙氣，保證人員生命安全[3]。排煙效率取決于排煙口排出的煙氣量，因此通常采取增大排煙功率來增加排煙量的措施。但是，在實際排煙過程中，選取較大排煙速率時，排煙口不僅排出煙氣，還會大量卷吸煙氣層下方的冷空氣，出現煙氣吸穿現象，使得機械排煙效率降低[4-5]。因此，開展排煙口優(yōu)化設計，減少煙氣吸穿影響的研究，可為機械排煙效率的提高，地鐵站防排煙的設計提供理論指導。

研究者們開展了一系列關于排煙口優(yōu)化設計的研究。胡隆華[6]等在地下長通道內進行了一組相對位置不同的補氣口 -排煙口排煙效果的全尺寸實驗，提出了“ 遠端補氣、近端排煙”的優(yōu)化方案。袁月明[7]研究了公路隧道集中排煙模式中排煙口間距及個數對煙氣吸穿的影響，發(fā)現在同一排煙速率下，排煙口間距越大，個數越多，越易發(fā)生吸穿。楊娟[8]等研究了隧道中側向排煙口排煙風速對煙氣的影響，得出了適當加大排煙風速有利于加快排煙進程，但是排煙風速過大會造成煙氣吸穿現象的結論。向健宇[9]等對防護工程排煙口布置方式進行了優(yōu)化，發(fā)現排煙口開在管道側面進行側向排煙比管道底面排煙的效果更好。Cong等[10-12]提出了板-豎井耦合式排煙方法，研究表明通過在自然排煙豎井下方加裝排煙擋板，可以有效抑制煙氣吸穿和邊界層分離現象，提高機械排煙效率。排煙進程受到煙囪效應和堵塞效應的共同控制，在自然排煙系統(tǒng)中排煙擋板的設置會影響排煙量。鐘委[11]研究了地鐵站內底面排煙口設置排煙擋板對排煙量的影響，發(fā)現加裝煙氣擋板后不會減小機械排煙的排煙量，即在機械排煙系統(tǒng)中排煙量不受排煙擋板影響。綜上所述，排煙擋板的設置可強制改變煙氣層下方冷空氣的運動軌跡，避免和減少煙氣吸穿現象的發(fā)生。然而，目前對側向機械排煙口排煙擋板的研究較少。

鑒于上述分析，本文采用數值模擬的方法，以某雙層島式地鐵站為物理模型，針對側向機械排煙口設置排煙擋板對機械排煙效率的影響進行了研究，分析了排煙擋板寬度和設置方式對煙氣層的影響，探討在設置不同排煙擋板情況下排煙口下方煙氣層吸穿現象的變化。通過分析排煙口處的流場分布，溫度場分布，C O濃度分布得出最佳排煙擋板的設置參數，研究成果可為地鐵防排煙系統(tǒng)優(yōu)化設計提供參考。

1 數值模擬方法

1.1 數學模型

本文采用大渦數值模擬（LES）模型，基本控制方程包括質量、動量、組分質量、能量守恒方程等[13]。

計算中采用標準的 Smagorinsky亞格子模型保證小尺度旋渦結構的計算準確性?；?Smagorinsky模型，流體動力粘性系數為：

流體的導熱系數和物質擴散系數分別為：

在模擬過程中，Pr，Sc和C s的取值為 0.2，0.5 和0.2。

1.2 幾何模型

本文以某雙層島式地鐵站臺為原型建立模擬區(qū)域（圖1）。模擬區(qū)域長、寬、高分別為112，12和4 m，以圖 1 中所示基點劃定坐標軸 X 軸，Y 軸和 Z軸方向。在站臺右側頂部沿縱向分布一根長 112 m，截面積為1.0×1 .0 m2的排煙管道，忽略端部效應。排煙管道側面等距布置了 14 個排煙口，排煙口間距為 8 m，中心高度為 3.3 m，截面積為0.08（橫向）× 0 .06（縱向）m2，從距離站臺左端4 m處開始布置，依次編號為#1至#14。

圖1 地鐵站臺三維模型圖

根據《地鐵設計規(guī)范》[14]要求，站臺層每個防煙分區(qū)不能超過2000 m2，因此將整個站臺作為一個防煙分區(qū)，排煙量為60 m3/ (m2· h)。站臺通過兩個樓梯與上層連接進行補風。

1.3 模擬細節(jié)

本文采用 NIST開發(fā)的火災動力學模擬軟件 FDS（Fire Dynamic Simulator）進行數值模擬。在計算模型網格劃分時，為了保證網格的精確解析，本文在流動和熱交換迅速的區(qū)域采用局部網格加密的網格劃分方法。火源及排煙口附近區(qū)域的網格尺寸為0.1 m，其他區(qū)域的網格尺寸為0.2 m。

由于計算模型在站臺層未設置商業(yè)設施，且主體建筑多使用不燃材料，因此火災荷載主要來自于乘客攜帶的行李物品。參考前人研究成果[15]，取火災荷載為2 MW，火災增長速率按t2超快速增長火設置?；鹪丛O置在站臺左側6 m處，燃燒區(qū)域面積為1.0×1 .0 m2。計算中，在排煙口處設置 CO 濃度測量裝置，在站臺頂棚設置溫度監(jiān)測點。環(huán)境溫度為20℃，壓力為101 kPa，模擬時間為200 s。

1.4 計算工況

本文研究中排煙擋板設置在側向排煙口下沿，選取煙氣吸穿現象對排煙影響較大的排煙口設置排煙擋板，即 #6排煙口。由于空氣是由排煙口下沿被吸入排煙口，因此在本系統(tǒng)中排煙擋板寬度和角度是影響吸穿現象的主要設計參數。本文重點分析這兩個因素對站臺火災排煙進程的影響。

具體工況設計為：保持排煙擋板長度0.8 m、厚度0.2 m不變，分別改變寬度和角度，具體布置位置和尺寸示于圖2。其中，寬度w為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m，與水平面角度θ為0°、15°、30°、45°，共 21個工況。

圖2 站臺模型左視圖

2 數值模擬結果與分析

本文首先對排煙擋板寬度和角度進行研究，其次將排煙口處的壓力損失和CO體積濃度納入考慮來選擇最佳排煙擋板參數，最終通過比較站臺整體溫度分布驗證了排煙擋板的有效性。

2.1 排煙擋板角度

排煙擋板的角度對于排煙口處的流場分布以及溫度場分布有著重要影響。本文計算所得不同排煙擋板角度和無排煙擋板時的排煙口溫度與速度分布，結果示于圖3。

圖3 不同排煙擋板角度的排煙口溫度和速度分布

圖3左列為溫度分布計算結果，圖中黑框表示排煙口的位置。由于煙氣相比于空氣溫度較高，因此溫度越高表示此處煙氣占比越大。從溫度分布圖中可以發(fā)現，在無排煙擋板時（圖 3（a）），排煙口的左下方存在低于 22 ℃的低溫區(qū)域，說明此處空氣占比大，發(fā)生了煙氣吸穿現象。然而，隨著排煙擋板角度的增大（圖3（b）（-e）），排煙口左下角低溫區(qū)域面積不斷減少，排煙口區(qū)域各等溫線逐漸下移，頂棚處溫度高溫區(qū)域面積不斷增加，說明在排煙口處的溫度越來越高，空氣的占比降低。分析其原因，是由于排煙擋板角度增加，所以具有一定高度的煙氣才能夠進入排煙口，而煙氣的溫度隨高度增加而增加。因此，隨著排煙擋板角度的增加，被排煙口排走的氣體中煙氣比例不斷增加。

圖3右列為速度分布計算結果，圖中左上角黑色正方形表示排煙風道，白色長方形表示排煙口所在位置，白色長方形右下角的黑色長方形表示排煙擋板。從圖3(a)中可知，無排煙擋板時，排煙口下方的空氣直接進入排煙口。然而，隨著排煙擋板角度的增大（圖 3 (b)～(e)），進入排煙口的氣體運動軌跡不斷改變，空氣被排煙擋板阻擋難以進入排煙口。排煙口處氣體流速增大，當θ=45°時流速比未設置排煙擋板時的流速增大約 2 m/s，這是因為進入排煙口的氣體流通面積減少，所以流速增大。綜合不同排煙擋板角度時的排煙口溫度和速度分布可知，排煙擋板角度越大，能夠進入排煙口的煙氣占比越大，有效排煙量越大。

2.2 排煙擋板寬度

排煙擋板的寬度影響阻擋空氣的范圍。本文在排煙擋板角度（θ=0°）一定的情況下，改變擋板寬度，研究寬度對煙氣吸穿的影響。

不同排煙擋板寬度時，排煙口溫度分布的計算結果示于圖4。從圖 4中可以發(fā)現，排煙口處等溫線分布呈山峰狀，低溫區(qū)域集中在排煙口左下角。隨著排煙擋板寬度的增加，排煙口左下角低溫區(qū)域的面積均有所減少。無排煙擋板時排煙口低于27℃的區(qū)域面積約占排煙口總面積的 26%，而在排煙擋板寬度為 0.8 m時，該面積占比減小至 17%，說明在排煙口處溫度不升，空氣與煙氣的混合程度降低。這是由于排煙擋板寬度的增加可以阻斷排煙口下方空氣的豎直上升途徑，迫使排煙路徑以橫向為主，即增加空氣進入排煙口的流動距離，降低排煙口處空氣的比例，使得排煙口排出煙氣的比例增加。因此，排煙擋板寬度的增加可以抑制煙氣吸穿現象。

圖4 不同排煙擋板寬度的排煙口溫度分布

2.3 排煙口處CO體積濃度

排煙口處的CO體積濃度可用來衡量機械排煙效率，即排煙口處CO 體積濃度越高，機械排煙效率越高。圖5所示為計算所得設置排煙擋板與未設置排煙擋板時側向排煙口處CO體積濃度比φ擋板/φ。從該圖可以看出，排煙擋板角度為0°和 15°時，隨著寬度增加，C O體積濃度比近似線性不斷增加。排煙擋板角度為30°和 45°時，隨著寬度增加，C O體積濃度比先升高后降低。分析其原因，是由于排煙擋板角度較低時，寬度越大，能夠阻擋的低溫空氣量越多，對煙氣吸穿效果抑制越明顯，C O體積濃度比高。而當排煙擋板角度較高時，擋板寬度的過度增加反而會阻礙正常排煙過程，使得CO體積濃度比降低。詳細來說，當排煙擋板角度為30°和 45°，排煙擋板寬度為0.6 m時，C O 體積濃度比最高，而寬度為 0.8和1 m時，C O體積濃度比反而降低。因此，排煙擋板寬度為0.6 m，角度為30°或45°時機械排煙效率較高，排煙效果較好。

圖5 側向排煙口CO體積濃度比

2.4 排煙口處壓力損失

排煙擋板的設置可以提高機械排煙效率，但是也會帶來額外的壓力損失。為分析壓力損失的影響，本文分析了排煙口處的壓強分布及變化。

未設置排煙擋板時排煙口處壓力損失為 4.23 Pa。本文將計算所得設置排煙擋板時的排煙口處的壓力損失相對于未設置排煙擋板時壓力損失的增加值 ΔP作為衡量壓力損失變化的參數，其結果示于圖6。

圖6 排煙口處壓力損失增加量

由圖6 可以看出，當 θ為 0°和 15°時，不同排煙擋板寬度的 ΔP保持大致不變，平均增加量分別為0.58 Pa 和 1.1 Pa。當 θ為 30°和 45°時，隨著排煙擋板寬度的增加，ΔP不斷增加，而排煙擋板角度為 45°時ΔP最大。這是由于角度較大時，排煙擋板寬度增加，使得煙氣流通面積減少，煙氣流速增加，致使排煙口處壓力損失增大。因此，考慮到排煙擋板帶來的壓力損失，排煙擋板寬度為 0.6 m，角度為30°時機械排煙的效果最佳。

2.5 排煙擋板對地鐵站臺整體影響

為驗證排煙擋板對于輔助機械排煙、降低站臺溫度的有效性，本文在所有排煙口處加裝角度為 30°，寬度為0.6 m的排煙擋板，預測和分析站臺溫度場變化。計算所得站臺溫度場變化示于圖7。由圖7可以看出，與無排煙擋板相比，加裝排煙擋板時同等溫度范圍煙氣分布區(qū)域變小，40 ℃以上區(qū)域面積降低了 8.3%，蔓延距離減少約12 m，煙氣的蔓延得到了有效控制。這說明排煙擋板的設置可以抑制煙氣吸穿，提高機械排煙的排煙量，有效控制火場溫度，有助于人員逃生和后續(xù)安全救援。

圖7 站臺溫度場變化圖

3 結論

本文提出了在島式地鐵站臺的側式排煙口加裝排煙擋板的措施來阻止煙氣吸穿現象的發(fā)生，進而提高機械排煙效率。針對排煙擋板的寬度和安裝角度進行了一系列全尺寸火災數值模擬，得出以下結論：

1）在側向排煙口外設置排煙擋板可以有效防止煙氣吸穿現象的發(fā)生，使排煙口處流場更加穩(wěn)定，穩(wěn)定排煙過程，提高機械排煙效率。

2）排煙擋板具有一定角度可以有效提高機械排煙效率，排煙擋板角度越大，機械排煙效率越高，但是壓力損失也越大。排煙擋板寬度一定時，排煙擋板角度為45°時，排煙口排出的氣體CO體積濃度最大，機械排煙效率最高。

3）排煙擋板寬度越大，抑制煙氣吸穿效果越好，但當排煙擋板角度較大時，較大的擋板寬度反而阻礙了正常排煙過程。綜合考慮機械排煙效果和壓力損失，排煙擋板角度為 30°，排煙擋板寬度為0.6 m 時有效排煙量最高，機械排煙效率高。