細水霧對地鐵站廳層火災煙氣危險特性參數的影響*

樊 艷 韓雪峰 蔣軍成

細水霧對地鐵站廳層火災煙氣危險特性參數的影響*

樊 艷1，2韓雪峰1，2蔣軍成1，2

（1.南京工業大學火災與消防工程研究所，210009，南京；2.南京工業大學安全科學與工程學院，210009，南京∥第一作者，碩士研究生）

針對地鐵站廳層的火災特點，在自然通風的情況下，分別對有無細水霧作用的地鐵站廳層火災煙氣情況進行數值模擬。得出火場內溫度以及CO2、CO、O2的摩爾分數等煙氣危險特性參數的變化和疏散安全指數的變化，指出細水霧對站廳層火災煙氣CO2、O2的摩爾分數降低作用明顯，更利于人員安全疏散。

地鐵站廳層；細水霧；火災煙氣；特性參數；數值模擬

地鐵站廳層為人們往返站臺層的相對狹小的空間，人員密集，一旦發生火災，容易造成群死群傷。從20世紀80年代開始，相關學者就開始研究如何防治地鐵火災［1］。文獻［1-3］對地鐵車站火災進行了數值模擬及疏散方案研究，文獻［4］對地鐵內樓梯口進行了全尺寸火災試驗及數值模擬。細水霧具有滅火、吸熱、降低煙氣中有害物質濃度和提高能見度的作用，在封閉空間主動滅火方面得到廣泛應用。

本文應用火災動力學模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator），分別在有、無細水霧作用兩種工況下，對地鐵站廳層火災進行數值模擬，對比分析兩種工況下的煙氣特性參數，以此來探究細水霧對火災煙氣危險特性參數的影響。

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層為站臺層，地下1層為站廳層。本文模擬的是乘客未刷卡進入，在通道內的工況。站廳長度為120 m，寬為23 m，高為4 m。此站臺有4個出入口，各出入口寬度設置均為4 m，每個出入口都分布有樓梯或扶梯與站臺層和外界相連，且滿足技術和防火要求。模擬計算僅對站廳層發生火災時煙氣的運動進行模擬。具體平面布置如圖1所示。

2 網格設定

在實際模擬過程中，根據具體的計算區域大小來確定網格的大小，只要網格大小達到0.05D~0.10D（D為火源特征直徑），都可認為滿足數值模擬網格質量的要求［5］。D 由以下公式［6］計算：

式中：

Q——熱釋放速率，取10 MW；

ρ0——環境空氣密度，取1.205 kg/m3；

C0——空氣比熱，取1 012 J/（kg·℃）；

T0——環境溫度，取25℃；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

經計算，D=6 m，故0.05 D=0.3 m，0.10 D=0.6 m。因此，為了精確模擬細水霧對地鐵站廳層火災煙氣危險特性參數的影響，確定網格大小為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 參數設定

根據國內外地鐵的燃燒研究結果，可燃物多為纖維類物質。對于地鐵火災熱釋放速率的大小，英美等國研究大多采用的火源功率為5~50 MW［7］，且重點研究10 MW工況。我國學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，平時可作為地下商場、商業街使用，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。本文結合國內外的研究現狀和研究模型特點，采用較不利的狀況。較不利狀況計算結果可以用來判斷細水霧能否滿足此站廳層火災模式下的需要，將火源功率設置為10 MW，火源設置在報刊亭，尺寸為2 m×1 m。火災形式為快速增長火，即滿足如下公式：

式中：

Q——火源功率，kW；

α ——火源增長系數，取0.046 89 kW/s2［12］；

t——火災發展時間，s。

通過計算可知，在t=462 s時，火源功率達到最大值。

3.2 模型的建立

真實的地鐵站廳層具有復雜的結構，而本文主要研究自然通風條件下地鐵站廳層發生火災后細水霧對煙氣特性參數的影響，而站廳層處于地下，受外界干擾氣流的影響小，空氣齡較長，空間內一些小的功能性建筑設施對細水霧作用的影響不大。因此，為了便于建模，本文作如下簡化：

（1）站廳簡化為長方體，忽略站廳立柱；

（2）站廳內商鋪、設備間處于常閉狀態，發生火災時，煙氣不進入此區域，故站廳模型中各商鋪、設備間未一一建模；

（3）忽略廣告燈箱、指示牌、門把手等附屬物。

3.3 工況設定

工況一：在站廳層未設置任何滅火系統。模擬地鐵站廳層在自然通風的情況下，煙氣擴散蔓延和危險特性參數變化情況。

工況二：在站廳層配置高壓細水霧系統。根據相關資料［13］，高壓細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置8組閉式噴頭，相鄰兩組距離3.0 m，同組內兩噴頭間距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5 000，急流偏移0.05 m。

在火源上方設置測點，監測火源強度變化；在站廳層出入口設置測點，人員疏散及消防救援都必須經過此位置，便于掌握此處煙氣及溫度變化規律，為火災工況下逃生提供數據參考。7個測點的分布圖、位置坐標以及設置的測量裝置見圖2和表1。

圖2 測點坐標分布圖

表1 測點位置坐標

火災工程學認為，當實際的煙氣層高度h大于臨界安全高度Hc時，則認為是安全的。Hc可按下式計算［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。在此高度測量站廳層火災煙氣溫度及CO2、CO、O2的摩爾分數等特性參數。

4 模擬結果及分析

4.1 工況一模擬結果及分析

4.1.1 溫度及CO2、CO、O2的摩爾分數

溫度及CO2、CO、O2的摩爾分數是反映火災煙氣屬性的重要特性參數。圖3為2 m安全高度不同測點的溫度及CO2、CO、O2的摩爾分數的變化圖。

由圖3 a）可知，火災發生后，測點2溫度迅速增加至500℃，大約540 s時達到最高溫度930℃左右。根據相關文獻，2 m以下空間內的煙氣溫度超過100℃人的安全就會受到嚴重威脅［14］。模擬結束時，測點2煙氣溫度已增加至825℃，遠遠高于安全溫度，其余測點煙氣溫度均低于100℃。

圖3 工況一火場各特性參數隨時間的變化圖

由圖3 b）可知，火災發生后，在0~200 s，測點2的CO2的摩爾分數緩慢增加至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。根據相關文獻，允許人員逃生避難的環境CO2的摩爾分數需低于0.05［15］。模擬結束時，測點2的CO2的摩爾分數為0.074 6，已嚴重高于安全摩爾分數，其他區域CO2的摩爾分數均低于安全摩爾分數0.05。

由圖3 c）可知，模擬結束時，所有測點的CO摩爾分數均低于1.400×10-3。根據相關文獻，通常允許人員逃生避難的CO摩爾分數需低于1.400×10-3［15］。這是因為在自然通風的情況下，O2量充足，燃燒充分，生成的CO很少。

由圖3 d）可知，火災發生后，在0~400 s，測點2的O2摩爾分數緩慢減少至18.6%；400~450 s，呈直線下降，降至13.1%；450 s后，O2摩爾分數變化緩慢，但總體呈下降趨勢。根據相關文獻，允許人員逃生避難的O2最低摩爾分數為14%［16］。模擬結束時，測點2的O2摩爾分數為12.5%，已低于最低安全濃度，其他測點的O2摩爾分數均高于最低安全濃度。

通過以上分析可知，在自然通風情況下，工況一發生火災后，隨著煙氣不斷向起火點周圍擴散，2 m安全高度處截面的溫度、CO2摩爾分數不斷增加，O2摩爾分數不斷減少。模擬結束時，火羽流區2 m安全高度處溫度已達825℃，CO2摩爾分數度已達0.074 6，O2摩爾分數已低至12.5%。此時煙氣已經擴散至站廳層兩端、樓梯和扶梯處。在2 m安全高度除火羽流區外的其他測點的溫度及CO2、CO、O2處摩爾分數均在安全范圍內。

4.1.2 Y方向不同位置火災煙氣溫度場變化

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

圖4 工況一火場不同位置溫度場分布圖

從圖4可以看出，隨著煙氣不斷向起火點周圍擴散，2 m安全高度截面處的煙氣溫度不斷增加。300 s時，除火羽流區外，2 m安全高度截面其他位置均低于安全溫度，此時煙氣并未擴散開來。600 s時，火羽流區2 m安全高度截面處煙氣溫度約220℃，此時煙氣已經擴散到站廳層兩端和樓梯、扶梯處，但除火羽流區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 工況二模擬結果及分析

4.2.1 溫度及CO2、CO、O2摩爾分數

工況二設置高壓細水霧滅火系統，通過細水霧進行滅火、降溫、稀釋和吸收，并運用FDS軟件模擬細水霧對煙氣危險特性參數的影響。圖5為工況二不同測點的溫度及CO2、CO、O2摩爾分數比較圖。

模擬結束時，工況二測點2處的煙氣溫度已增加至758℃，而工況一測點2的煙氣溫度已增加至825℃，其他測點的煙氣溫度有不同程度的降低。雖然此模擬中，細水霧對煙氣的降溫作用不是很明顯，但也可以看出細水霧的降溫作用。

模擬結束時，工況二測點2的CO2摩爾分數已降至0.022 4，而工況一測點2的CO2摩爾分數已增加至0.074 6，已嚴重高于0.05，其他測點的CO2摩爾分數有不同程度的降低。

模擬結束時，工況二測點2處O2摩爾分數已增加至17%，而工況一測點2的O2摩爾分數已降至12.5%。其他測點的O2摩爾分數變化不明顯，但均已在安全范圍內。

因自然通風，工況二和工況一測點2處CO摩爾分數均低于危險CO摩爾分數。

本次模擬采用閉式噴頭，閉式噴頭的啟動條件為其所在位置的溫度達到57℃。通過表2的各測點模擬數據可以看出，雖然整個站廳層設置了很多細水霧噴頭，但能達到啟動溫度的噴頭并不多，而測點2正好處于火源的上方1 m處，所以溫度變化并不明顯。

隨著燃燒的進行，工況二O2摩爾分數迅速下降，在細水霧作用之后，又迅速回升，結合圖5 c中CO的摩爾分數迅速上升的現象，可知此時細水霧吸收空氣中的熱量蒸發為水蒸氣，水蒸氣搶占空間中O2的位置，稀釋O2，使得O2摩爾分數降低，使此時燃燒不完全，CO的摩爾分數增加。這體現了細水霧的隔氧阻燃效果。這與文獻［17］利用細水霧抑制煤油火源的實驗結果有相似的變化趨勢。

圖5 工況二火場各特征參數隨時間的變化圖

表2 有無細水霧對站廳層火災煙氣的危險特性參數的影響（火災發生600 s）

4.2.2 Y方向不同位置火災煙氣溫度變化

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

從圖6可以看出，施加細水霧后，煙氣從起火點向周圍擴散，2 m安全高度截面溫度不斷增加。600 s時，通過與圖4對比可以看出，細水霧作用后火羽流區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。模擬結束時，除火羽流區，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 工況二火場不同位置溫度場分布圖

4.3 使用細水霧前后人員疏散安全指數對比

因為本模擬是在自然通風工況下，氧氣比較充分，故基本能燃燒完全，生成的CO量較少，故以CO2摩爾分數達到安全閾值的時間為量化指標［18］。

使用細水霧前：

使用細水霧后：

式中：

Is——安全指數；

tase——可用疏散時間；

trse——必需疏散時間。

其中trse通過GB 50157—2013《地鐵設計規范》第28.2.12條計算公式計算得到。

通過計算可得：Is2比Is1增加了1.08倍。由此可見，使用細水霧可增加人員安全疏散時間，為人員安全疏散提供了保障。

5 結論

本文應用FDS軟件對站廳層火災時有無細水霧作用的煙氣情況進行模擬研究，分析細水霧對煙氣溫度以及CO2、CO、O2摩爾分數等危險特性參數的影響情況。通過對比分析，得出以下結論：

（1）在站廳層，細水霧對火災煙氣的CO2摩爾分數、O2摩爾分數作用明顯，但在火羽流區對煙氣的降溫作用并不明顯。雖然施加細水霧后，CO摩爾分數比未施加細水霧的工況高，但CO摩爾分數并未超過安全范圍；施加細水霧后，測點2（火源上方1 m處）的CO2摩爾分數在0.022 4左右，O2摩爾分數和CO摩爾分數均控制在安全范圍內。雖然測點2溫度在758℃左右，已超過安全溫度，但已比工況一有好轉。其余測點均符合要求。

（2）采用細水霧，一方面可以有效滅火；另一方面可以將煙氣溫度、CO2摩爾分數、CO摩爾分數、O2摩爾分數等危險特性參數控制在安全范圍內，有效降低了煙氣的危害性，人員疏散安全指數增加1.08倍，為保證人員安全疏散提供了保障。同時，建議在此站廳層設置機械排煙和細水霧共同作用，但其耦合作用效果有待進一步驗證。

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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年國家安全生產重大事故防治關鍵技術項目

2016-02-24）