地鐵站臺火災煙氣擴散的鹽水模型試驗研究*

王太晟 王雪穎 林曉巍 姜 昕 張琳英 王麗慧

（上海理工大學環境與建筑學院，200093，上海∥第一作者，碩士研究生）

地鐵站臺火災煙氣擴散的鹽水模型試驗研究*

王太晟 王雪穎 林曉巍 姜 昕 張琳英 王麗慧

（上海理工大學環境與建筑學院，200093，上海∥第一作者，碩士研究生）

為獲得地鐵火災煙氣在有活塞風和無活塞風影響下的擴散規律，在滿足相似準則的情況下，搭建地鐵站臺液體縮尺模型試驗臺。用帶顏色的水模擬火災煙氣，在獲得煙氣擴散現象的同時，測出煙氣在典型位置處的流速分布與變化。試驗結果表明，火源強度為1.5 k W時，無活塞風作用下，煙氣要充滿182 m×12 m×4 m的站臺需180 s，乘客有120 s的時間從左、右樓梯疏散；有活塞風時煙氣充滿站臺只需30 s，乘客僅有25 s從右側樓梯逃生。

地鐵站臺；液體縮尺模型試驗臺；火災煙氣擴散

Author's address School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，200093，Shanghai，China

火災防排煙是地鐵安全運行的重要方面，認識地鐵火災煙氣流動規律并采取合理的防排煙控制措施和乘客疏散方案，是減小地鐵火災危害的關鍵所在。研究受限空間下活塞風對火災煙氣運動影響的手段主要有3種，即全尺寸火災試驗、小尺寸模型試驗和計算機數值模擬。全尺寸實體試驗費用昂貴，較難在正常運營的地鐵車站進行。數值模擬研究結果受限于計算機軟件邊界條件的設定，需其他研究手段加以驗證。鹽水試驗相對于數值模擬和現場實測［1-2］具有過程直觀、可重復性好、花費較低、可再現等優點，在國內外火災研究中應用廣泛［3-4］。現有研究對受限空間下煙氣的運動特性和采用鹽水試驗模擬煙氣運動的可行性進行了大量的理論分析和實測［5-6］，文獻［7］驗證了利用鹽水試驗模擬煙氣運動的可行性和準確性；文獻［8-9］對煙氣羽流的鹽水模型進行了討論。然而，若站臺發生火災，行駛中的列車只能加速通過此站臺把乘客安全輸送到下一站臺，此時列車行進所引起的活塞風勢必會對站臺煙氣的擴散帶來很大影響，關于這方面的研究尚未見報道。因此，利用液體縮尺模型試驗臺研究活塞風對站臺煙氣擴散的影響規律，進而采取針對性的防排煙措施和乘客疏散方式，是一項具有實際意義的基礎性研究工作。

1　試驗臺及試驗方案

1.1試驗原理與相似準則

在受限空間內，由低強度火源引發的煙氣受浮力作用，形成煙羽流和頂篷射流。鹽水在清水中的運動受重力作用，形成重力流和底部射流。若兩種流動滿足流體力學相似性原理，便可以用鹽水縮尺模型試驗臺模擬地鐵火災的煙氣運動狀況：以鹽水的重力流模擬煙氣羽流，以鹽水沿試驗臺底部的水平流動模擬煙氣的頂篷射流，以清水模擬周圍的冷空氣環境。由于試驗臺幾何尺寸和流動介質等與實際地鐵站臺有較大變化，要滿足兩者的動力相似，要求主要力的對應準則數在一定范圍內近似相等。在用鹽水試驗模擬煙氣擴散的可行性和準確性方面，麻柏坤、張和平等人做過大量的理論推導，具體的研究過程可參閱文獻［7］和文獻［10］。

本試驗著重研究地鐵火災煙氣在有、無活塞風作用下的擴散現象及速度場的變化規律，并未涉及溫度場。因此，影響兩種流動狀態動力相似的準則數主要有：反應源強分布的G、弗勞德數Fr、雷諾數Re，以及表征煙氣和鹽水流動特性的普朗特數Pr和施密特數Sc。G為空間體積與源體積之比。本試驗臺只在中間位置處有一個鹽源，故在火焰區以外的其他空間不必考慮源強分布，只模擬火源的空間位置并根據火源強度確定特征速度即可。Fr為慣性力與重力之比，在模擬煙氣的頂篷射流時應著重考慮。Pr和Sc用來反應煙氣擴散的溫度場與鹽水擴散的濃度場的相似特性，在試驗中雷諾數為104量級，流動處于湍流狀態，此時Pr（煙氣）≈Sc（鹽水）。這樣，決定兩種流動狀態相似的準則數便只剩Re。此次試驗模擬火源強度為1.5 k W，對應鹽水的質量流量為0.02 kg/s時的煙氣運動情況，由相似原理可得出各相似準則數如表1所示。由表1知，兩種流動的Fr相差不大且遠小于1，故可滿足此準則；兩者雷諾數處于同一數量級，且差值在可接受范圍內，并不會對鹽水模擬的有效性產生太大影響。所以，完全可以用鹽水試驗模擬煙氣的運動過程。

表1　站臺原型與縮尺模型各相似準則數對照表

本試驗所模擬的活塞風最大風速為4 m/s，此時模型試驗臺隧道入口處的Re遠大于50 000，流動處于自模區。即只需原型與模型滿足幾何相似，便可實現其在速度分布上的相似，達到用模型試驗臺模擬實際中4 m/s活塞風的目的。

1.2試驗臺簡介

本試驗通過搭建地鐵站臺液體縮尺模型試驗臺，以液體代替氣體模擬地鐵火災煙氣在活塞風影響下的運動特性。液體模型試驗臺以上海軌道交通2號線南京西路站為原型，幾何比例尺為1：16。原型和模型的幾何尺寸對應見表2。試驗臺原理圖如圖1所示，實體照片如圖2所示。

表2　站臺原型與縮尺模型尺寸對照表

圖1　試驗臺原理圖

圖2　試驗臺實體照片

1.3試驗方案

本試驗分為有4 m/s活塞風和無活塞風兩種工況。當火源強度為1.5 k W時，根據Re相似求得鹽水的特征流速，再由特征流速反推得到鹽水的質量流量，進而求得鹽水的各參數如表3所示。

表3　鹽水參數表

為了清楚地獲得火災煙氣的擴散現象，用品紅染色劑將用來模擬煙氣的鹽水染成紅色，并用攝像機全程記錄下煙氣的整個擴散過程。試驗中，在樓梯口、鹽源下方布置速度測點1、2。其中，速度探頭1垂直于豎直方向，探頭2垂直于水平方向。測點位置如圖3所示。利用精度為1 cm/s的LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀，每5 s采集一次數據，以獲得兩測點的煙氣擴散速度。

圖3　模型試驗臺測點布置圖

2　試驗結果與分析

通過試驗錄像可清楚地觀察到地鐵火災煙氣的擴散過程，比較有、無活塞風時的試驗現象，進一步得到煙氣在兩種工況下的擴散規律。

2.1無活塞風時煙氣擴散現象

在0 min 02 s時刻，模擬煙羽流到達試驗臺底部。如圖4所示，注入的煙羽流很快發展為湍流狀，只有鹽源入口處的一小段煙氣呈層流狀。并且隨著模擬煙羽流的向下流動，能發現明顯的大的渦旋結構。這與實際當中的煙羽流運動特點一致。

圖4　2 s時刻煙羽流試驗圖

在0 min 36 s時刻，模擬煙羽流到達試驗臺底部后以煙羽流中心線與試驗臺底部交點為中心沿下底面向四周擴散，由于受底面和周圍流體的粘性力作用，煙氣流速會減慢。當煙氣到達左右壁之后沿壁上升，受重力及粘性力作用，煙氣動量逐漸減小至零。隨后煙氣在重力和密度差的影響下向斜下方折返，在試驗臺左、右部分別形成渦旋。試驗現象及原理如圖5和圖6所示。

圖5　36 s時刻煙羽流試驗圖

圖6　36 s時刻煙氣運動原理圖

隨著煙氣的不斷注入和試驗臺左右部煙氣的折返，煙氣層厚度逐漸趨于均勻。圖7為1 min 28 s時的試驗現象，此時煙層厚度約為10 cm，可見煙氣與清水之間有較為清晰的分界面。隨后，鹽水不斷注入，分界面逐漸上升，直至煙氣充滿整個試驗臺。

圖7　88 s時刻煙羽流試驗圖

由圖4～圖7可見，在火源強度為1.5 k W，站臺尺寸為182 m×12 m×4 m的實際火災中，無活塞風作用時煙氣的擴散規律為：火災發生，煙羽流2 s后到達站臺頂部，形成頂篷射流向四周擴散，15 s后到達壁面；煙氣沿壁面下降2 m后向斜上方折返；隨后煙層趨于均勻，厚度逐漸增加，直至充滿站臺。從火災發生到煙氣擴散至離地面1.8 m高度處約需120 s，此前在人員活動高度下幾乎沒有煙氣，可組織人員從左右樓梯疏散逃生。180 s后煙氣充滿整個站臺。

2.2有活塞風時煙氣的擴散現象

地鐵站臺火災煙氣的擴散受活塞風的影響巨大，在探究煙氣擴散現象和速度場變化規律之前，應首先明確地鐵活塞風的風速變化規律。根據文獻［11］，地鐵活塞風的風速變化呈圖8所示規律。

圖8　地鐵活塞風風速變化

有活塞風時試驗初始階段現象與無活塞風時一致，模擬煙羽流到達試驗臺底部后，形成水平射流向四周擴散。活塞風在0 min 08 s開始作用，如圖9所示，流向試驗臺后部的水平射流并未受到影響，而流向試驗臺前部的水平射流有一部分受活塞風吸卷作用向左上部蔓延，另一部分仍然沿下底面向右壁運動；且在活塞風作用下煙羽流能更快地發展為湍流（由圖9可看出，無活塞風作用時鹽源入口處的一小段呈層流狀的煙氣已發展成湍流狀）。

圖9　煙羽流試驗圖（8 s時刻）

水平射流繼續運動，到達右壁后沿壁面攀升；而試驗臺右部被吸卷起來的煙氣被活塞風吹到左部。圖10為0 min 18 s時煙氣的擴散現象。此時試驗臺左部已充滿煙氣但濃度并不太高。煙羽流被活塞風吹散，煙氣直接擴散到左部。圖11為煙氣運動原理圖。

圖10　煙羽流試驗圖（18 s時刻）

圖11　煙氣運動原理圖（18 s時刻）

鹽水繼續注入，煙氣濃度逐漸升高，煙氣由試驗臺左部向右部擴散。圖12為0 min 30 s時的實驗現象。可以發現，原先沿底部擴散至右壁并沿壁上升的煙氣受活塞風影響，也向試驗臺左方運動。與圖10相比較可見，原先前部的清水區域現已充滿一定濃度的煙氣，而原先右壁面處的煙氣區域卻變為了清水。與圖7相比可明顯看出，有活塞風時煙氣迅速充滿試驗臺左部，后蔓延至右部，并無煙氣與清水分層現象。

圖12　煙羽流試驗圖（30 s時刻）

觀察圖9～圖12可以看出，煙氣在活塞風的影響下擴散更迅速，運動更復雜。設火災發生8 s后列車被迫以10 m/s的速度經過，活塞風開始作用，原本沿頂篷向站臺右側（列車入口側）運動的水平射流受到活塞風的吸卷作用，一部分向左下部蔓延，另一部分繼續沿頂篷運動，13 s到達壁面，沿壁面下降一段距離后向斜上方折返；20 s左右站臺左部（列車出口側）已充滿煙氣，煙羽流被吹散，左部煙氣濃度逐漸增加；隨后煙氣由左部向右部迅速擴散，30 s便可充滿整個站臺；但是，站臺右部（右側墻壁處除外）在前25 s內，1.8 m高度下幾乎沒有煙氣，站臺乘客應充分利用此25 s從右側樓梯口逃生。

表4列出了站臺中部發生火災（火源強度為1.5 k W，站臺尺寸為182 m×12 m×4 m）時，煙氣在有活塞風和無活塞風工況下擴散至典型位置處所需的時間。

2.3有、無活塞風工況下煙氣擴散速度場的比較

利用LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀可測得煙氣在1、2號測點處不同時刻的運動速度，如圖13～15。

由于1、2號速度探頭分別平行于水平、豎直方向，故兩探頭分別檢測豎直、水平方向的速度。由圖13可見，無活塞風時，煙氣與周圍空氣存在密度差，在豎直方向上會存在速度的變化，而在水平方向上基本無速度。1號測點處速度在整個變化過程中存在3個峰值。t=20 s時，煙氣到達試驗臺底部后向上反沖至1號測點處，致使該點速度增大。隨后煙氣受密度差影響向下沉降離開測點，速度減小。隨著煙層趨于均勻，厚度逐漸增加，煙氣又一次達到1號測點，t=40 s時有第二個速度峰值。隨后一段時間內煙層厚度幾乎不變，但濃度逐漸增加，t=65 s時，煙氣達到一定濃度后煙層開始上升，此時有第三個峰值。

表4　煙氣到達典型位置所需時間對照表

圖13　無活塞風時煙氣速度變化圖

圖14　有活塞風時煙氣速度變化圖

由圖14和圖15可見，在有活塞風時，煙氣在豎直方向上的變化規律與無活塞風時基本相似，而煙氣在水平方向上的速度受活塞風影響明顯。測點2的速度先增大，后穩定不變，最后減小，體現出了活塞風的速度變化規律。

圖15　有、無活塞風下1號測點速度對照圖

通過以上分析可見，地鐵站臺火災時，煙氣在有活塞風和無活塞風下的擴散現象和流速分布有很大不同，研究此規律，對于地鐵站臺防排煙系統的設計和站臺乘客火災逃生方案的確定具有一定的指導意義。

3　結語

（1）無活塞風時，煙氣運動較緩和，煙羽流到達頂篷后向四周擴散至墻壁，然后煙層趨于均勻，與清水有明顯界限，煙層厚度逐漸增加直至充滿整個站臺。整個過程需180 s左右，站臺乘客有120 s的時間從左、右兩側的樓梯逃離。

（2）有活塞風時，煙氣運動更迅速，煙羽流到達頂篷后，一部分沿頂篷擴散至墻壁，另一部分被吹到左部，短時間內站臺左部便充滿煙氣，隨后煙氣向右部擴散，迅速充滿站臺。整個擴散過程僅用時30 s，乘客有25s左右的時間從右側樓梯疏散逃生。

（3）煙氣豎直方向上的速度主要受密度差影響，與有、無活塞風關系不大；煙氣水平方向上的速度受活塞風作用明顯，變化規律與活塞風的變化相似。

［1］ 王麗慧，吳喜平，黃建林.地鐵車站環控溫度場的研究［J］.制冷空調與電力機械，2007（1）：30.

［2］ 王麗慧，吳喜平.地鐵活塞風對車站環控速度場的影響［J］.地下空間與工程學報，2007（2）：161.［3］ Thomas P H.Modeling of compartment fires［J］.Fire Safety Journal，1967，2（5）：181.

［4］ 張和平，姜錫權，謝之康，等.中庭建筑天井內火災煙氣運動特性的鹽水實驗模擬［J］.實驗力學，1999（14）：69.

［5］ 王磊，高軍，趙加寧.采用鹽水模型實驗法研究自然通風［J］.建筑熱能通風空調，2007（5）：20.

［6］ 孫云雷，王麗慧.地鐵活塞風與空調送風耦合的溫度場的試驗研究［J］.制冷空調，2010（11）：54.

［7］ 麻柏坤，張人杰，張和平，等.煙氣運動的鹽水模擬實驗［J］.實驗力學，1994（4）：317.

［8］ Fleischman C M，Pagni P J，Williamson R B.Saltwater modeling of fire compartment gravity currents［J］.Fire Safety Science Proceeding of the Fourth International Symposium，1994（4）：253.

［9］ Steckler K D，Baum H R，Quintiere J G.Salt water modeling of fire induced flows in multicompartment enclosures［J］. Symposium（International）on Combustion，1998，21（1）：143.

［10］ 張和平，周曉冬，萬玉田，等.受限空間煙氣運動鹽水模擬研究的現狀和展望［J］.中國安全科技學報，1999（9）：30.

［11］ 沈翔，吳喜平，董志周.地鐵活塞風特性的測試研究［J］.暖通空調，2005，35（3）：103.

［12］ 劉佳妮，沈麗，唐道發，等.基于液體縮尺模型的地鐵活塞風與站臺送風耦合［J］.城市軌道交通研究，2013（8）：81.

［13］ 李文博.基于地鐵環境模擬（SES）的區間火災工況通風模式研究［J］.城市軌道交通研究，2013（4）：65.

Test of Saltwater Model in Subway Fire Smoke Diffusion

Wang Taisheng，Wang Xueying，Lin Xiaowei，Jiang Xin，Zhang Linying，Wang Lihui

Taisheng，Wang Xueying，Lin Xiaowei，Jiang Xin，Zhang Linying，Wang LihuiAbstract In meeting the related similarity criterion，a liquid scale model is set up to obtain the law of smoke diffusion influenced or not influenced by pistol wind.In the test，the fire smoke is simulated with colored water，the velocity rules and changes at typical location are measured when the smoke diffusion phenomenon appears.The experiment results show that when the fire intensity is 1.5 kilowatt，the platform sized 182×12×4 meters will be smoke filled in 180 seconds without piston wind，and the passengers can be evacuated from the left and right stairs in 120 seconds.While under the influence of piston wind，the platform will be smoke filled within 30 seconds，in this situation，passengers could only escape from the right stairs in 25 seconds.

metro station；liquid scale model test；fire smoke diffusion

10.16037/j.1007-869x.2015.07.021

2013-10-16）

*國家自然科學基金項目（50908147）；上海市教委重點學科建設項目（J50502）；上海市大學生創新實驗項目（SH1110252104）

U 231.96