地鐵車站列車火災煙氣蔓延規律模擬分析*

趙蘭英 曹 鴿

(商丘工學院土木工程學院， 476100, 商丘//第一作者,講師)

地鐵車站人員密集，且環境較封閉。一旦發生火災，煙氣及熱量難以迅速排出，因此地鐵車站一旦發生火災就會造成較大的人員傷亡及慘重的經濟損失。研究表明，燃燒產生的煙氣和有毒氣體擴散方向同人員逃生方向一致，如煙氣不能及時排除，煙氣濃度過大就會造成人員傷亡。因此地鐵火災中的煙氣控制很重要[1]。本文通過對地鐵列車關鍵部位的火災煙氣擴散過程進行數值模擬，根據火源燃燒過程中煙氣橫向和豎向擴散的溫度云圖、煙氣濃度云圖及相關分布曲線，總結火源燃燒過程中煙氣蔓延規律，并據此提出人員安全疏散的有效措施，為火災中的人員安全逃生提供理論依據。

1 研究方法及火災場景設計

1.1 研究方法

目前，地鐵火災煙氣擴散規律的研究方法有數值模擬、縮尺模型試驗、現場試驗等。由于列車火災和車站火災無法進行現場試驗，所以目前關于地鐵列車火災及車站火災的研究主要以數值模擬為主。文獻[2-3]對裝備有屏蔽門系統的地鐵車站內發生列車火災時的煙氣流動情況進行了CFD(計算流體動力學)數值模擬研究，驗證了發生火災時車站緊急通風系統對煙氣流動和溫度的控制能力，并討論了屏蔽門系統在不同的火災狀況下所起的作用。文獻[4-5]利用FDS軟件進行模擬計算，發現混合通風模式能比傳統的機械通風模式更有效地抑制火災煙氣擴散。文獻[6]設計特定情況下的地鐵火災場景，利用FDS軟件模擬得出了只有機械送排風和擋煙設施配合使用才可以有效地控制煙氣和溫度的研究結論。文獻[7]基于典型換乘站，按照火災常發生點建立物理模型，研究了在一定通風工況下換乘站煙氣流動特點，并指出特定火災下的安全逃生路徑。上述研究僅將火源設置為具有一定體積的、穩定不變的熱源，并未模擬出火源的具體燃燒過程。而實際的火災燃燒會受到燃燒材料、環境溫度、通風情況等諸多因素的影響，而且在火災發展的不同階段，其熱釋放率有不同的規律。這就在一定程度上限制了對火災時煙氣濃度場及不利氣體(如CO氣體)濃度的研究。

本文在數值模擬過程中采用了燃燒模型的火源設置方法，深入進行火災時的煙氣溫度場、速度場和CO濃度場的研究，為火災時人員安全逃生提供理論參考。本文采用STAR-CCM+軟件進行CFD數值模擬[8]，通過對燃燒模型、火源功率與燃燒時間、通風口大小及流量等幾何參數和燃燒過程數值的設置，模擬得到火災煙氣在空間上的發展變化云圖及數據，進而總結煙氣擴散規律[9-10]。

1.2 列車火災場景及模型

與列車運行相關的設備系統均位于列車底部，只有空調及照明系統位于頂部，所以一般列車火災起火位置主要位于列車底部[11]。根據鄭州市地鐵列車運行可行性研究報告的相關數據，列車發生火災時每節車廂的燃燒能量為5 MW，列車火災蔓延按燒毀1.5節/h車廂計算，得到的列車火災的功率約為7.5 MW/h，起火1 h后的火災范圍約為35 m長。火場溫度在起火后約10 min達到峰值。

假設列車在車站停靠時起火，并按列車中部位置處發生火災的最不利情況進行模擬計算[12]。列車車廂底部起火點功率為7.5 MW，開啟軌頂排煙機(單側排煙量為60 m3/s)，開啟區間隧道排煙機(排煙量為60 m3/s)，并關閉站廳層排風管和站臺板下通風道。建立的模型網格局部加密，網格數約為6.9×105個。物理模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 空間模型及網格劃分圖

2 模擬結果分析

2.1 隧道內的火災增長及煙氣蔓延

列車起火后，隧道內煙氣運動的模擬結果見圖2，隧道內溫度分布的模擬結果見圖3，CO分布模擬結果見圖4。

a) 起火后100 s時

b) 起火后300 s時

c) 起火后500 s時

d) 起火后600 s時

圖2 隧道內煙氣運動情況模擬結果

a) 起火后100 s時b) 起火后300 s時c) 起火后500 s時d) 起火后600 s時

圖3 隧道內溫度分布模擬結果

從圖2可以看出，隧道內著火區域內的煙氣逐漸上升，并逐漸向兩側擴散。隨著火源功率不斷增加，著火區域的溫度逐漸升高。在熱氣壓力作用下，隧道內的煙氣擴散到站臺區域。在通風排煙工況下，煙氣被軌頂排煙風口及時排除。從煙氣運動云圖上可以看出，煙氣運動并沒有明顯變化。煙氣主要是通過軌頂排煙風口排除的，而區間隧道通風機的排煙效果不明顯。這是由于區間隧道風機的通風主要是從區間內補充，在隧道兩端較大的向內空氣流速作用下，形成了空氣“短路”。

a) 起火后100 s時b) 起火后300 s時c) 起火后500 s時d) 起火后600 s時

圖4 隧道內CO分布的模擬結果

從圖3～4可以看出，煙氣溫度和濃度最先在著火區域升高。隨著燃燒時間的增加，在熱壓作用下，煙氣上升，但煙氣高溫和高濃度出現在頂棚排煙口附近；在火源功率達到峰值時(起火后600 s時)，隧道內著火車廂區域的頂棚煙氣層溫度可以達到170 ℃，CO質量濃度為550×103mg/m3，隧道內其他區域的溫度和CO濃度都逐漸降低。

2.2 煙氣向車站站臺及站廳的蔓延

列車發生火災時，在煙氣向車站站臺及站廳蔓延過程中，車站中心截面的煙氣溫度變化云圖見圖5，車站中心截面的CO質量濃度變化見圖6，車站中心截面的煙氣運動情況見圖7，車站站臺層的煙氣蔓延情況見圖8。

a) 起火后100 s時

b) 起火后300 s時

c) 起火后500 s時

d) 起火后600 s時

由圖5～6可知，該隧道內的煙氣溫度和煙氣濃度均沿隧道壁周圍擴散而升高。由該火災工況下煙氣溫度及濃度云圖可以看出，由于軌頂及隧道通風排煙口不能及時排除煙氣，再加上地鐵車站的敞式通風排煙系統設計，在起火后大約150 s時，煙氣層開始擴散到站臺區域，在起火后200 s左右,煙氣擴散到對面未著火隧道；但在通排風系統作用下，擴散到未著火隧道的煙氣溫度及濃度均較低，并未影響到運行安全。

由圖7～8可以看出，當列車在站臺中心位置處發生起火時，火災煙氣基本以順時針方向圍繞火災車廂流動。在隧道通排風機正常運行下，大部分煙氣主要由軌頂排風口排出，還有一部分沿隧道向兩側蔓延。隨著火源功率的不斷增加，煙氣不能及時被軌頂排煙排出。當煙氣擴散到站臺頂棚高度后，將向站臺區域蔓延。

a) 起火后100 s時

b) 起火后300 s時

c) 起火后500 s時

d) 起火后600 s時

a) 起火后100 s時

b) 起火后300 s時

c) 起火后500 s時

d) 起火后600 s時

2.3 站臺到站廳的煙氣蔓延

列車在站臺中心位置處起火后，煙氣從站臺層沿樓梯及扶梯開口處蔓延到站廳。相應區域的煙氣蔓延速度模擬結果見圖9，煙氣溫度場分布見圖10。

由圖9 可見，列車發生火災后，在通風工況下，煙氣逐漸向扶梯開口流動，但并未流入站臺前的樓梯開口。煙氣在扶梯開口處的流速約為3 m/s。當煙氣進入站臺后，中間樓梯開口處煙氣的向下蔓延速度將逐漸減小。在起火后500～600 s時，煙氣蔓延速度將減少為0，且煙氣流動方向將發生改變。

a) 起火后100 s時

b) 起火后300 s時

c) 起火后500 s時

d) 起火后600 s時

圖9 站臺-站廳扶梯和樓梯開口截面速度場

圖10 站臺-站廳扶梯和樓梯開口截面溫度變化

由圖10可見，煙氣在列車起火后300 s時已經蔓延入站臺。在站臺通風工況下，煙氣逐漸流向站臺兩端，當起火后600 s時，站臺中間區域的煙氣有明顯的分層，且煙氣層溫度不高。在火源燃燒到功率最大時(起火后500～600 s時)，有少量煙氣通過中間扶梯開口處向上層蔓延，說明中間樓梯開口處的向下風壓已不能克服煙氣的熱壓。蔓延至站廳層的煙氣溫度和濃度都很低，不會對人員造成傷害。但此時中間樓梯已經被煙氣籠罩，人員疏散將受到影響。

3 結 語

通過對一定通風工況下列車火災煙氣的蔓延過程進行數值模擬，分析了煙氣在隧道內、隧道向站臺與站廳,以及站臺向站廳的蔓延模式,分析了煙氣蔓延速度場、溫度場、CO濃度場分布情況，總結了在火災工況下煙氣運行規律。分析結果為：

(1) 在火災工況下，現有排煙量的設計合理。在列車起火后300 s時，煙氣并未蔓延出車站區域，滿足人員安全疏散的時間要求。在火源燃燒到最大功率時(起火后600 s時)，煙氣也未蔓延出車站區域，說明本通排風系統設置能給人員疏散提供更長的安全疏散時間，滿足疏散要求。但區間隧道風機對車站列車火災的排煙作用不明顯。

(2) 列車發生火災時，煙氣層有明顯的分層作用，且沿著隧道邊緣和站臺墻體邊緣沉降，故人員逃生時應沿著隧道或站臺中部壓低身位沿下風向逃離。

(3) 當列車火災產生的煙氣蔓延至站臺及站廳時，如果機械通風不足或無擋煙裝置，樓梯口逃生路徑就難以保證人員疏散的安全。

(4) 列車火災煙氣蔓延至站廳層的溫度和濃度都很低，不會對人員造成傷害，但起火后600 s時，站臺通向站廳的中間樓梯已被煙氣籠罩，人員疏散將受到影響。