基于超細水霧作用下的地鐵站臺空間火災煙氣溫度特性

李安桂，成勁光，高 然

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

地鐵作為城市人群出行的重要交通工具，是城市發展程度的體現，也是城市現代化進程的標志.然而其為人類的出行提供便利的同時也帶來一系列嚴重的消防問題.過去幾十年，地鐵火災已成為重要的安全問題，造成大量財產損失和人員傷亡[1-4].如1995年10月28日發生在阿塞拜疆首府巴庫地鐵站內的火災，造成至少289人死亡，265人受傷；2003年2月18日發生在韓國大邱市地鐵一號線中央路車站的火災共造成198人死亡，146人受傷，289人失蹤等.地鐵火災事故中，高溫煙氣及有毒氣體是威脅乘客生命安全的直接因素[5-6].

和地上建筑有所不同，地鐵空間散熱條件差且環境較為封閉，火災發生時熱量和煙氣在其內部蔓延并大量積累，極易導致人員燙傷和窒息[7-8].傳統的防煙或排煙方式主要以通風策略對地鐵空間進行煙氣控制[9-13].隨著科學技術的發展，人們對地鐵空間煙氣控制提出更高的要求.研究表明，超聲波霧化技術可在液面產生粒徑非常小的霧滴[14].粒徑小于10 μm的水霧呈現出類似氣體的擴散特性，同時擁有巨大的滅火潛力.獲得超細水霧的一種手段是將超聲霧化器置于液面以下，通過電子高頻振蕩，可在液面形成超細水霧.由于超細水霧的粒徑只有微米級別，這不僅顯著增大了其表面積和蒸發速率，而且使得其擴散性能更加良好，不少研究人員已對其抑制火源的特性進行了大量研究[15-20].然而，抑制火源的過程中同樣存在煙氣產生和擴散問題，超細水霧與火災煙氣之間的相互作用這類問題至今還不太清楚，這也驅使本文對其進行了相關的研究.

地鐵站臺一般位于地鐵空間的底層，人員密集且疏散困難，因此研究站臺空間的煙氣特性具有重要意義.本文通過構建超細水霧發生裝置以及地鐵站臺模型，采用試驗手段對超細水霧作用下地鐵站臺空間煙氣溫度特性進行了相關研究.這為保障逃生人員不被煙氣燙傷提供了一定參考價值.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要由三部分組成：超細水霧發生系統、地鐵站臺模型及數據采集系統.超細水霧發生系統主要由霧化池、超聲霧化器、動力輸送系統、溢流管等組成，見圖1.其基本工作過程是超聲霧化器高頻振蕩在液面產生超細水霧，水霧在風機氣流的驅動下進入站臺模型.為滿足試驗需求，每個霧化器可獨立控制，風機風速可調.

圖1 超細水霧發生系統Fig.1 Ultra-fine water mist generating system

模型選取體積較小，防火性能要求較高的地鐵站臺及與之相連的樓梯井，在試驗過程中為了便于觀察煙氣擴散狀況，試驗模型使用防火玻璃制作，見圖2.模型由尺寸為217 mm(長)×308 mm(寬)×500 mm(高)的樓梯井及尺寸為850 mm(長)×308 mm(寬)×250 mm(高)的地鐵站臺兩部分組成.為了使模型具有通用性的同時能夠反映問題的本質，將樓梯簡化成傾斜擋板，并在車站廊道一側開挖了12個尺寸為35 mm(長)×35 mm(寬)的孔洞，超細水霧入口為直徑Φ等于150 mm圓形入口，設置在模型底部中心位置.由于超細水霧具有類似于氣體的相關特性[17]，故可通過長度為800 mm的風管將超細水霧發生系統與模型連接以輸送超細水霧.火源初始中心位置設置在站臺縱向中軸線上，距離樓梯口95 mm處.試驗中火源采用直徑為30 mm的圓形油盤，燃料選用95#汽油.

圖2 地鐵站臺模型Fig.2 Subway platform model

試驗采用熱電偶進行煙氣溫度測量，在模型內布置了一系列K型熱電偶溫度測點.為研究煙氣溫度的縱向分布特性，在地鐵站臺頂部縱向中軸線距離頂棚5 mm處水平布置14個均勻分布的熱電偶測點，用來測量頂棚下方最大煙氣溫度，其間隔為60 mm.火災逃生過程中，樓梯口是人員疏散的重要通道，為研究樓梯口處豎直方向煙氣溫度梯度分布，在樓梯口處布置6個豎向的熱電偶測點，其間隔均勻且都為40 mm，最高點距離頂棚5 mm.熱電偶布置見圖2(a)，所有熱電偶都與2701Ethernet Multimeter / Data Acquisition System型數據采集儀連接，采樣時間間隔為1 s.

1.2 試驗過程及工況

試驗中對不同霧化量、驅動氣流速度、自由燃燒時間以及不同火源位置等情形分別進行研究，試驗工況可參照表1.數據采集系統記錄30 s時開始點火，點火30 s后施加超細水霧，即試驗中火源至少有30 s的自由燃燒時間(其中工況11～14施加超細水霧時間以表1為準).

表1 試驗工況表Tab.1 Test condition table

2 結果與討論

2.1 超細水霧作用下煙氣溫度分布特征

超細水霧在火災空間擴散過程中勢必受熱而迅速蒸發，蒸發過程吸熱造成環境溫度降低，圖3(a)為工況1和工況4頂棚下最高煙氣溫度縱向分布，其中ΔT為測點溫度相對于環境溫度的升高.可以看出，自由燃燒和施加超細水霧兩種工況在距火源無量綱水平距離小于0.2時都呈現出迅速衰減趨勢，不一樣的是兩者衰減快慢不同，自由燃燒表現出更快的衰減趨勢；而當無量綱距離大于0.2時差異主要體現在：自由燃燒工況隨水平距離的增加頂棚下煙氣溫度仍然緩慢衰減，而施加超細水霧的結果使得溫度隨距離的增加不再衰減.施加超細水霧不僅降低了頂棚下煙氣溫度而且改變了溫度衰減趨勢，說明超細水霧對頂棚下煙氣溫度分布具有一定影響作用.

圖3 超細水霧作用下溫度分布Fig.3 Temperature distribution under ultra-fine water mist

煙氣在擴散過程中不斷席卷周圍環境空氣，造成煙氣層質量增加、高度下降，煙氣下沉現象對逃生人員安全構成威脅，當煙氣層下降到人員高度時，不僅容易造成逃生人員中毒和窒息，而且高溫煙氣還會導致人員灼燒.豎向煙氣溫度主要體現在煙氣層高度上，煙氣層內的溫度遠高于煙氣層外溫度，煙氣溫度在豎直方向存在明顯的溫度梯度.圖3(b)為工況1和工況4樓梯口處的豎向煙氣溫度分布，研究樓梯口處的豎向煙氣溫度分布為避免逃生人員被高溫煙氣燙傷具有一定價值意義.從圖中可以看出：(1) 工況3較工況1相應各處的溫度普遍降低，這種降溫效果對位于高處的V1和V2測點尤為明顯；(2) 兩種工況測點V4～V5的溫度差別較小且不存在明顯的溫度梯度，說明煙氣層未下降到此高度范圍內，施加超細水霧對煙氣層高度無顯著影響.

2.2 超細水霧對煙氣溫度的影響

圖4給出了其他試驗條件相同的條件下，霧化量在15～75 ml/min范圍內的頂棚下煙氣溫度縱向分布及樓梯口處豎向溫度分布.

圖4 霧化量對煙氣溫度的影響Fig.4 Effect of atomization amount on smoke temperature

從圖4(a)可以看出，當距火源無量綱水平距離小于0.2時，霧化量大小對此部分區域溫度有明顯影響，霧化量越大相應各處的溫度越低.霧化量從15 ml/min增至75 ml/min過程中火源正上方煙氣溫度下降約55%.當無量綱距離大于0.2時，霧化量大小對溫度影響不大，不同霧化量作用下溫度差別甚微.圖4(b)所示為樓梯口處的豎向煙氣溫度分布，可以看出兩點：(1) 霧化量增大可降低V1、V2兩處溫度；(2)V3～V4在不同工況溫度分布類似.導致上述現象的原因可能是：霧化量大小實際反映了超細水霧的濃度，無論是縱向近火源區域還是樓梯口較高位置都屬于煙氣高溫區，霧滴在這些區域蒸發劇烈，霧化量越大單位時間單位體積越多霧滴受熱蒸發，因此降溫作用越明顯.而其他區域只需低濃度水霧即可達到降溫效果，因此增大霧化量對高溫區外降溫效果無明顯影響.

圖5所示為其他試驗條件相同的條件下，驅動氣流速度分別為0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s和1.4 m/s作用下的溫度分布.

圖5 不同驅動氣流速度下溫度分布Fig.5 Temperature distribution at different drive air speeds

從圖5(a)可以看出，工況6～10頂棚下煙氣溫度縱向衰減趨勢存在類似之處，但又各自不同.類似之處在于，各種工況其溫度隨著與火源之間的水平距離增加而衰減，當距離大于一定值時，頂棚下溫度便不再衰減，呈現穩定分布趨勢.差別之處體現在改變驅動氣流速度，此距離也相應改變.例如，當驅動氣流速度為0.6 m/s時，無量綱水平距離增加到0.3之后溫度便不再衰減；而當驅動氣流速度大于1.0 m/s時，無量綱水平距離大于0.2時溫度便不再衰減.圖5(b)反映了驅動氣流速度對樓梯口處豎向煙氣溫度的影響，顯然驅動氣流速度越大最高煙氣溫度越低，當氣流速度大于1 m/s時，最高煙氣溫度降低趨勢已經變得微乎甚微，工況9和10的最高煙氣溫度相差不超過1 ℃.

實際上，煙氣在站臺空間擴散過程中溫度始終隨時間發生變化以及波動，圖6清楚地反映了煙氣溫度發展過程，其中每條曲線分別代表施加超細水霧過程中V1測點溫度隨時間的變化情況.可以看出，工況1火源自由燃燒，從30 s點火以后溫度迅速升高，約到90 s左右煙氣溫度達到最大值，之后一段時間煙氣溫度處于穩定階段，到240 s左右燃料逐漸耗盡溫度下降.另外，工況6及工況11～14的溫度變化過程表明，在施加超細水霧之前火源自由燃燒，各工況溫度相差不大；施加超細水霧后溫度驟然降低，這種降溫效果是十分迅速的，從施加時刻開始到溫度降低只需十幾秒的時間，說明超細水霧可以高效、迅速降低煙氣溫度.

圖7給出了煙氣發展不同時刻施加超細水霧之后頂棚下縱向煙氣溫度分布.對比其中5種工況可以發現，工況6的溫度相對于其他工況較低，說明在燃燒初期施加超細水霧的效果最好.隨著自由燃燒時間的增加(從30 s增加到150 s)，無量綱距離小于0.2范圍內的溫度衰減趨勢加快且火源正上方煙氣溫度升高.當自由燃燒時間大于120 s之后，溫度分布趨于穩定，工況13和工況14呈現出相似的溫度衰減趨勢且最高煙氣溫度差別甚微.

圖6 施加超細水霧過程溫度變化Fig.6 Temperature change during application of ultra-fine water mist

圖7 自由燃燒時間對縱向溫度衰減的影響Fig.7 Effect of free burning time on longitudinal temperature decay

2.3 火源位置對煙氣溫度的影響

火源位置一方面體現了實際火災場景中隨處可能發生燃燒，不同燃燒位置導致煙氣擴散過程也不盡相同；另一方面也反映了火源與超細水霧入口之間的相對位置對降溫效果的影響.本文開展了4組不同火源位置(見圖2(a))情形下煙氣溫度特性的研究.以超細水霧入口為界，根據火源與樓梯口之間的位置關系，將這4種情形分為兩類：(1) 火源位于超細水霧入口左側(工況15、16)，即火源和樓梯口在超細水霧入口的同一側；(2) 火源和樓梯口位于超細水霧入口的不同側(工況18、19)，即超細水霧入口在火源和樓梯口之間的位置.

以站臺縱向中心線為y軸，原點位于地鐵站臺與樓梯井的結合處建立坐標系，如圖2(a)所示.其中，無量綱水平距離為負數表示沿著y軸負方向.圖8(a)所示為火源中心位置分別位于y軸145 mm、285 mm、565 mm和705 mm位置的頂棚下煙氣溫度縱向分布特征.從圖中可以看出，火源位置改變對煙氣溫度分布產生影響，顯然，各種工況溫度都呈現出衰減趨勢，但是衰減趨勢并不相同，工況15和18曲線較為陡峭，溫度衰減迅速，且其溫度最大值均高于工況16和19.

圖8 火源位置對煙氣溫度影響Fig.8 The influence of the location of the fire source on the temperature of the smoke

圖8(b)所示為工況15～18樓梯口位置豎向煙氣溫度分布.可以看出，火源位置屬于第一類情況時的煙氣溫度均高于第二類位置的煙氣溫度，這是由于第二類位置火源和樓梯口之間隔著超細水霧入口，超細水霧對煙氣擴散造成一定阻擋作用，因此溫度降低.

4 結論

本文采用試驗方法研究了超細水霧對地鐵站臺煙氣溫度的影響，得出以下結論：

(1) 超細水霧作用的頂棚下煙氣溫度縱向分布大致可分為兩段：一般以無量綱水平距離0.2為界，當無量綱距離小于0.2時溫度迅速衰減，當其大于0.2時溫度基本保持不變.

(2) 超細水霧能夠迅速降低煙氣溫度，降溫效果與霧化量、驅動氣流速度、施加超細水霧時間等因素有關.霧化量和驅動氣流速度增大的過程溫度降低，燃燒初期施加超細水霧的效果最好.

(3) 火源位置改變對頂棚下縱向煙氣溫度衰減趨勢有影響：隨火源與超細水霧入口之間距離增大，曲線變的陡峭，溫度衰減趨勢也越快.同時，超細水霧入口對煙氣擴散具有一定阻隔作用.