空氣幕對城際鐵路地下車站火災煙氣控制數值分析*

王明年，郭曉晗，于 麗，田 源

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國城際鐵路網絡規劃日益完善，涌現出越來越多的城際鐵路地下車站(以下簡稱地下車站)，如天津于家堡站、深圳福田站等。地下車站為地下半封閉空間，與地面建筑相比，地下車站直通地面的疏散通道數量較少，煙氣生成量較大且難以消散[1]。地下車站較地鐵地下車站埋深大10～30 m，火災規模大5～10 MW[2]，同時存在人員攜帶大件行李多等特點。因此，地下車站內一旦發生火災，高溫煙氣將嚴重地影響站內疏散人員的生命財產安全，空氣幕作為柔性阻斷，可有效隔絕高溫煙氣蔓延，而且不影響人員正常疏散[3]，在高層建筑及地鐵車站中應用廣泛，可考慮作為城際鐵路地下車站的控煙措施進行設計。

目前，國內外學者多采用模型實驗和數值模擬等方法對不同建筑物中空氣幕控煙效果進行了研究。在高層建筑領域中：Luo等[4-5]通過縮尺模型實驗和FDS數值模擬明確了擋煙垂壁、單層、雙層空氣幕控煙效果，及設計參數；趙賢等[6]利用FDS建立長廊型高層建筑模型，研究空氣幕射流角度、風量、位置等參數。在地鐵車站領域中：陳靜等[7]利用FDS建立三維多層地鐵車站，論證站臺排煙和空氣幕應聯合作用；張培紅等[8]以5層地鐵車站為研究對象，利用FDS研究了射流角度對送風效果影響。在隧道、巷道領域中：Guo[9]等利用數值模擬方法雙噴空氣幕阻擋熱質交換和CO擴散，創造逃生通道進行了研究；Wang等[10]通過對比模型實驗與FLUENT數值模擬結果，給出用于巷道避難所的最優空氣幕形式及射流壓力。

綜上所述，目前空氣幕研究成果主要集中應用于高層建筑、地鐵車站、巷道等建筑形式，因此，現有研究成果應用于地下車站的合理性有待進一步研究證實。

基于此，以某典型城際鐵路地下車站島式站臺層為依托，建立全尺寸地下車站站臺層模型，采用三維火災動力學模擬軟件FDS，研究空氣幕設于站臺與軌行區間時對地下車站內火災高溫煙氣向樓梯和站臺區域擴散的控制效果，并對單吹式、吹吸式2種空氣幕的射流參數進行優化，以期為城際鐵路地下車站防災控煙技術提供一定參考。

1 空氣幕原理及模型建立

1.1 空氣幕原理

空氣幕由風幕機所送風量經一定寬度風口噴出而形成，具有較高能量，衰減較慢。當幕狀氣流動能水平向分量不小于煙氣來流動量時，空氣幕可有效阻隔煙氣。本文研究的空氣幕類型有2種，即單吹式空氣幕和吹吸式空氣幕，其幕狀氣流形成原理如圖1所示。單吹式空氣幕，采用自上向下的送風方式，若射流速度過大，將撞擊壁面引發回流，進而擾亂火災原有流場。吹吸式空氣幕，在單吹式的基礎上增加了回風口，將錐形狀態射流重新聚攏，減弱射流撞擊壁面后的回流現象，使空氣幕能量更充足、穩定。

圖1 空氣幕原理示意Fig.1 Schematic diagram of air curtain principles

1.2 站臺層模型建立

城際鐵路地下車站為包含站臺層、站廳層的多層結構。重點研究著火列車停靠站臺時煙氣擴散規律。因此，參考某典型島式城際鐵路地下車站實際尺寸構建站臺層三維模型，如圖2所示。站臺長度為220 m，寬度為11.5 m，著火列車為CRH3型，車廂尺寸為25.85 m×3.265 m×3.89 m，停靠于站臺右側到發線中部：考慮列車進站時火災已到達充分燃燒階段，火災規模為15 MW，著火區域已蔓延1/4個車廂[11]，大小為6.206 m×3.265 m。軌行區斷面為4.5 m×6.85 m，軌行區頂部分設4個2.5 m×2 m排煙口，樓梯寬度為4 m，由于已建成的地下車站工程實例較少設置站臺門且出于最不利工況考慮，模型中不設置站臺門。依據《鐵路防災疏散救援工程設計規范》[12]《建筑防煙排煙系統技術標準》[13]等相關規范計算排煙量，根據公式(1)確定排煙風速為3.5 m/s，燃燒開始后開啟排煙風機，總排煙量為252 000 m3/h。

圖2 計算模型(單位:m)Fig.2 Calculation model (unit:m)

(1)

式中：m為排煙量，m3/s；n為排煙口個數；A為排煙口面積，m2。

空氣幕設于靠近著火列車一側站臺與軌行區之間，射流寬度為0.4 m。在數值模擬過程中，網格尺寸越小，結果越精確，消耗的計算資源更多，因此一般采用火源特征直徑D*確定網格大小，當網格尺寸為特征直徑的1/10時，結果較為精確，火源特征直徑計算公式如下：

(2)

式中：Q為火災熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

經式(2)計算，網格尺寸選為0.5 m×0.3 m×0.2 m，樓梯處網格加密為0.3 m×0.3 m×0.2 m，網格數量約為103萬。

站臺和樓梯上均布置監測點，高度為人眼特征高度即2 m，如圖3所示。站臺橫向布置5列監測點，最靠近列車一列測點距站臺邊緣0.7 m，各列間距2.7 m；縱向布置27行監測點，距火源中心點前后30 m范圍內測點間距為5 m，超過此范圍測點間距為10 m；樓梯上測點位于踏步中間。根據《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》[12]、美國NFPA130規范[14]關于人員疏散時間不得大于6 min的規定，數值模擬時長取6 min。

圖3 測點布置(單位:m)Fig.3 Layout of measuring points (unit: m)

1.3 數值模型驗證

為驗證所建立數值模型的可靠性，采用數值模擬軟件FDS及邊界條件，對Hu等[15]研究的3 m/s空氣幕作用下隧道火災煙氣分布模型試驗開展數值模擬，通過對比360 s內空氣幕左側、右側對應測點溫度變化規律驗證數值模擬的可靠性。原模型尺寸為3.6 m×0.6 m×0.66 m，火災規模為2 kW，模型北側有一開孔，尺寸為0.2 m×0.42 m，空氣幕射流風速為3 m/s。空氣幕左側、右側對應測點溫度變化規律如圖4所示，可見數值計算結果與模型試驗結果較為吻合，說明運用該數值模擬方法研究空氣幕對地下結構火災煙氣可見度和溫度分布規律具有較好的適用性。

圖4 空氣幕左側、右側對應測點溫度變化規律Fig.4 Temperature variation of measuring points on left and right side of air curtain

2 單吹式空氣幕控煙效果分析

單吹式空氣幕的控煙效果主要由射流速度、射流角度控制，分別選擇5～15 m/s，0°～20°范圍進行分析。共設計15種工況，如表1所示。依據《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》[18]選取人眼特征高度2 m處煙氣溫度不超過60 ℃、可見度不低于10 m作為保證人員安全的控制標準。

2.1 射流風速對控煙效果的影響

單吹式空氣幕在不同射流風速下樓梯可見度、溫度分布規律如圖5～6所示。由圖5可知，布置單吹式空氣幕后，樓梯各測點位置處可見度均高于10 m，射流風速9 m/s達到可見度分布臨界狀態。當射流風速<9 m/s時，可見度隨高度升高逐漸下降，最小值在12～15 m之間；當射流風速≥9m/s時，可見度隨測點高度升高逐漸增大至30 m，且隨射流風速增大影響程度逐漸減小。

由圖6可知，射流風速9 m/s時達到溫度分布臨界狀態。當射流風速<9 m/s時，溫度隨高度升高逐漸增

表1 單吹式空氣幕工況設置Table 1 Setting of single-blowing air curtain working conditions

圖5 樓梯處可見度分布規律Fig.5 Distribution of visibility at stairs

加，在5.15～7.35 m高度范圍部分測點溫度超過60 ℃，最大值在66～76 ℃之間；當射流風速≥9 m/s時溫度隨測點高度升高逐漸下降，整體低于60 ℃，且隨射流風速增大影響程度逐漸減小。

圖6 樓梯處溫度分布規律Fig.6 Distribution of temperature at stairs

綜合樓梯處溫度和可見度分析，射流風速<9 m/s時單吹式空氣幕不能有效阻隔煙氣沿樓梯向上蔓延并存在煙氣在樓梯口聚集的現象，難以保證人員沿樓梯疏散過程中的安全；射流風速≥9 m/s時，可滿足安全要求。

單吹式空氣幕在不同射流風速下站臺可見度、溫度分布規律如圖7～8所示。在所有射流風速條件下，站臺可見度、溫度分布規律基本一致，距火源中心點前后50 m范圍內可見度急劇降低，逼近或低于10 m，超出此范圍，可見度均為30 m。距火源中心點前后40 m范圍內溫度急劇升高超過60 ℃，超出此范圍，溫度增長緩慢。因此，截取距火源點前后50，40 m范圍，分析射流風速對站臺可見度、溫度影響。

圖7 站臺可見度分布規律(距火源中心點前后50 m)Fig.7 Distribution of visibility at platform (front and back 50 m from center of fire source)

由圖7可知，射流風速為9 m/s時達到可見度分布臨界狀態，最小值在6～10 m之間。射流風速<9 m/s時，可見度低于10 m區域為距火源中心點前后5 m范圍；射流風速≥9 m/s時，僅火源中心點可見度低于10 m。

圖8 站臺溫度分布規律(距火源中心點前后40 m)Fig.8 Distribution of temperature at platform (front and back 40 m from center of fire source)

由圖8可知，射流風速12 m/s時達到溫度分布臨界狀態，溫度最大值在130～220 ℃之間。射流風速>12 m/s時溫度超過60 ℃區域在距火源中心點前20 m后15 m范圍內波動，最小達到距火源中心點前10 m后15 m范圍。

通過分析站臺溫度和可見度可知，調整單吹式空氣幕射流風速并不能完全保證站臺絕對安全，但由于危險區域距離人員疏散路徑較遠，因此當其長度基本不隨射流風速變化時認為站臺相對安全。綜合考慮射流風速對樓梯、站臺區域的影響，認為單吹式空氣幕射流風速為12 m/s時防煙效果良好且趨于穩定。

2.2 射流角度對控煙效果的影響

當射流風速為15 m/s時，在不同射流角度下樓梯可見度均為30 m，不同射流角度下樓梯溫度分布規律，如圖9所示。溫度均低于40 ℃，最大值在20～37 ℃之間，隨射流角度增大，整體溫度逐漸降低，影響程度逐漸減小，證明射流角度變化不會引起樓梯處煙氣分布規律發生巨大變化。

圖9 樓梯處溫度分布規律Fig.9 Distribution of temperature at stairs

射流角度的變化不會影響采用單吹式空氣幕時站臺可見度、溫度分布規律，因此仍分別截取距火源中心點前后50，40 m范圍進行分析。單吹式空氣幕在不同射流角度下站臺可見度、溫度分布規律如圖10，11所示。

圖10 站臺可見度分布規律(距火源中心點前后50m)Fig.10 Distribution of visibility at platform (front and back 50 m from center of fire source)

圖11 站臺溫度分布規律(距火源中心點前后40 m)Fig.11 Distribution of temperature at platform (front and back 40 m from center of fire source)

由圖10可知，射流角度為10°時達到可見度分布臨界狀態，可見度最小值在5～8 m之間，相差不大。當射流角度<10°時，可見度低于10 m區域為距火源中心點前后5 m范圍；當射流角度≥10°時，可見度低于10 m區域逐漸由累計7 m增大至累計15 m且向火源中心點后方偏移。

由圖11可知，射流角度為15°時達到溫度分布臨界狀態，最大值在187～276 ℃之間。當射流角度<15°時，溫度超過60 ℃區域基本為距火源中心點前10 m后15 m范圍；當射流角度≥15°時，隨射流角度逐漸增大，溫度超過60 ℃區域逐漸增大由累計24 m增大至累計31 m。

通過分析站臺溫度和可見度可知，在一定范圍內調整單吹式空氣幕射流角度可以提高控煙效果，但射流角度過大時反而會加速煙氣擴散。因此，在射流角度為15 m/s時，綜合考慮射流角度對樓梯、站臺區域的影響，認為單吹式空氣幕射流角度為10°時防煙效果良好且趨于穩定。

3 吹吸式空氣幕控煙效果分析

吹吸式空氣幕的控煙效果主要由射流速度控制，同樣選取5～15 m/s范圍分析吹吸式空氣幕防煙效果受射流風速的影響。因此，共設計11種工況，如表2所示。人員安全控制標準與上文一致。

吹吸式空氣幕在不同射流風速下樓梯可見度、溫度規律如圖12～13所示。由圖12可知，布置吹吸式空氣幕后，樓梯可見度高于15 m，射流風速8 m/s達到可見度分布臨界狀態。當射流風速≤8 m/s時，各測點位置處可見度隨高度升高逐漸降低，最小值在16～24 m之間；當射流風速>8 m/s時，可見度均為30 m。

表2 吹吸式空氣幕工況設置Table 2 Setting of blow-draw air curtain working conditions

圖12 樓梯處可見度分布規律Fig.12 Distribution of visibility at stairs

由圖13可知，射流風速7 m/s時達到溫度分布臨界狀態。當射流風速<7 m/s時，溫度高度升高逐漸增加，在5.75～7.35 m高度范圍部分測點溫度超過60℃，最大值分別為64.0，62.4 ℃；當射流風速≥7 m/s時，溫度均低于60 ℃，高度對溫度變化影響逐漸減弱；射流風速≥12 m/s后溫度基本為20～25 ℃間一定值。

圖13 樓梯處溫度分布規律Fig.13 Distribution of temperature at stairs

綜合樓梯處溫度和可見度分析，射流風速<7 m/s時空氣幕不能有效阻隔煙氣沿樓梯向上蔓延并存在煙氣在樓梯口聚集的現象，難以保證人員沿樓梯疏散過程中的安全；射流風速≥7 m/s時，可滿足安全要求。

吹吸式空氣幕在不同射流風速下站臺可見度及溫度分布規律如圖14～15所示，站臺可見度、溫度規律與單吹式基本一致，但急劇變化區域均縮小為距火源中心點前后25 m范圍。因此，截取距火源中心點前后25 m范圍分析吹吸式空氣幕射流風速對站臺可見度、溫度分布規律的影響。

圖14 站臺可見度分布規律(距火源中心點前后25 m)Fig.14 Distribution of visibility at platform (front and back 25 m from center of fire source)

圖15 站臺溫度分布規律(距火源中心點前后25 m)Fig.15 Distribution of temperature at platform (front and back 25 m from center of fire source)

由圖14可知，所有射流風速下，可見度低于10 m區域均為火源中心點，隨射流風速增大可見度低于10 m區域基本不變，可見度最小值在6～11 m之間。

由圖15可知，射流風速8 m/s時達到溫度分布臨界狀態，溫度最大值在140～230 ℃范圍內波動。當射流風速≥8 m/s時，溫度超過60 ℃區域不超過距火源中心點前后10 m范圍，最小達到距火源中心點前后5 m范圍。

與單吹式空氣幕類似，調整吹吸式空氣幕射流風速并不能完全保證站臺絕對安全，只能實現相對安全。綜合考慮射流風速對樓梯、站臺區域的影響，認為吹吸式空氣幕射流風速為8 m/s時防煙效果良好且趨于穩定。

4 單吹式、吹吸式空氣幕控煙效果對比

經過上述分析，采用單吹式、吹吸式空氣幕雖然不能保證站臺絕對安全，但均可有效阻隔高溫煙氣向樓梯蔓延。分別選取控煙效果相近的單吹式、吹吸式空氣幕工況進行對比分析，如表3所示，控煙效果相近時，吹吸式空氣幕射流風速較小。采用單吹式、吹吸式空氣幕下站臺最小危險區域，如表4所示，采用吹吸式空氣幕時站臺最小危險區域較單吹式空氣幕小15 m。因此，認為火災情況下吹吸式空氣幕控煙效果優于單吹式空氣幕，建議在城際鐵路地下車站中使用吹吸式空氣幕進行防災控煙設計。

表3 不同形式空氣幕控煙效果對比Table 3 Comparison of smoke control effect with different forms of air curtain

表4 極限狀態下不同形式空氣幕控煙效果對比Table 4 Comparison of smoke control effect with different forms of air curtain under limit state

5 結論

1)通過分析射流風速5～15 m/s、射流角度0～20°共15種工況下站臺及樓梯處溫度與可見度分布規律，確定單吹式空氣幕射流風速為12 m/s、射流角度為10°時防煙效果良好，可將站臺危險區域控制在距火源點前20 m后15 m范圍。

2)通過分析射流風速5～15 m/s共11種工況下站臺及樓梯處溫度與可見度分布規律，確定吹吸式空氣幕射流風速為8 m/s時防煙效果良好，可將站臺危險區域控制在距火源點前后10 m范圍。

3)對比單吹式、吹吸式空氣幕控煙效果可知，控煙效果相近時吹吸式空氣幕射流風速較單吹式小50%；射流風速相近時吹吸式空氣幕所能實現的站臺最小危險區域較單吹式小15 m。綜合以上2點，建議在城際鐵路地下車站中使用吹吸式空氣幕。