基于FDS 的水噴淋系統對地鐵站臺火災參數的影響研究

代長青，袁 慧，王佳慧

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康監測與災害預防技術國家地方聯合工程實驗室，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學 數理學院，安徽 合肥 230601）

消防水噴淋系統是一種應用十分廣泛的固定消防滅火設施，根據功能不同，可以分為人工控制和自動控制兩種形式，具有系統滅火控制面積大、出水量大等特點，能夠撲滅初期火災，抑制火勢蔓延和火場溫度快速上升，因而在地鐵站廳和站臺層逐漸推廣應用。國內外學者對地鐵運營安全問題的研究主要集中在地鐵火災煙氣控制方面[1-6]，部分學者對水噴淋系統的應用開展了研究。李賢斌[7]等對大型地下空間水噴淋流量變化對火災的影響進行了數值模擬研究；孫磊[8]等開展了水噴淋系統和排煙系統對滅火救援的影響全尺寸商場模型實驗研究；徐明俊[9]等對高大空間不同噴水強度時水噴淋系統進行了滅火試驗；Sun Jiayun[10]等應用CFD 軟件對小尺度隧道火災實驗中噴水系統引起的流場變化進行了數值模擬計算研究；Dombrovsky[11]等對水噴淋滅火初期蒸發液滴的紅外散射變化進行了研究；Wang Jie[12]等開展了縱向通風隧道火災中噴水流速對頂板煙氣溫度分布的影響研究；張雷[13]等應用數值模擬方法探討了水噴淋系統對地鐵站臺火災煙氣流動的影響。

通過對以上文獻分析，國內外學者對水噴淋系統的研究內容主要針對水噴淋系統的應用性和對火災煙氣的影響，對水噴淋系統撲救地鐵站廳和站臺層火災以及水噴淋系統對地鐵火災參數的影響研究較少。筆者以合肥某地鐵站臺為火災模型，應用FDS 軟件對地鐵站臺火災進行數值模擬計算，在火災模擬中分別設置火場煙氣溫度、CO 濃度、煙氣能見度等三個火災煙氣主要參數探測點，分析水噴淋系統與應急排煙系統協同作用對地鐵站臺火災參數的影響。在數值模擬計算方面，FDS 軟件能夠對各種火災場景進行數值模擬，計算結果可以作為消防設計理論依據[14]。

1 地鐵站臺物理模型建立

1.1 地鐵站臺物理模型

本文以合肥地鐵某站臺為研究對象，該地鐵車站為島式地下二層結構，站臺層長、寬、高分別為120.0 m、10.0 m、5.0 m，站廳層長、寬、高分別為120.0 m、24.0 m、5.0 m。站廳層與站臺層連通設有2 部自動扶梯和1 部步行梯連通，站廳層設置三個出入口，地鐵車站物理模型如圖1 所示。

圖1 地鐵車站物理模型

1.2 地鐵站臺應急排煙系統

地鐵站臺層發生火災時，站廳層啟動送風系統，站臺層關閉送風系統，啟動排風系統。根據《地鐵設計規范》（GB50157-2018）規定，地鐵站臺排煙量應按照建筑面積1 m3/（m2·min）計算，地鐵站臺層建筑面積為1 200 m2，地鐵站臺層設置排煙口10 個，排煙口尺寸為0.5 m×0.5 m。為研究不同排煙風速時的火災煙氣參數變化情況，排煙口風速設定為10 m/s 與20 m/s 兩種工況，排煙口均勻布置在站臺頂部，排煙量均滿足規范要求。

1.3 地鐵站臺水噴淋系統

根據《自動噴水滅火系統設計規范》（GB50084-2017），地鐵車站火災危險等級按照中危險級Ⅰ級設置水噴淋系統，系統噴水強度為6 L/min，作用面積為160 m2。水噴淋系統的噴頭采用直立型灑水噴頭，噴頭流量系數K 為80，保護面積為12.5 m2，噴頭啟動溫度為57 ℃，水噴淋系統的初始開啟時間設置為60 s。

2 地鐵站臺數值模型

2.1 數值模型基本方程

FDS 火災動力學軟件采用大渦數值模擬（large eddy simulation，LES），根據質量守恒、動量守恒和能量守恒，對火災煙氣流動的主要物理量u、v、w、煙氣溫度T、煙氣壓力p 和煙氣密度ρ，建立了質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分方程和狀態方程，通過聯立求解，最終得到計算區域火災煙氣的溫度、密度、速度與壓力，其基本方程[15]如下：

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t 為時間，s；ui為i 方向上的速度，m/s；p 為靜壓力，Pa；ρgi為i 方向上的所受的體積力，N；g 為重力加速度，9.8 m/s2；Fi為由熱源引起的源項；τij為應力張量值，N；h 為焓，J/kg；K 為熱導率，W/（m·K）；qr為體積熱釋放率，W/m2；T 為溫度，K；Yi為第i 種組分的質量分數；Di為擴散系數，m2/s；mi′為單位體積內第i 種組分的質量生成率；R 為氣體摩爾常數，J/（mol·K）；Mi為第i 種組成成分的摩爾質量，kg/mol。

2.2 火源及初始條件設定

在地鐵站臺中部x=67 m 處設置一個行李箱火源，火源尺寸為1.0 m×0.5 m，站臺初始環境溫度設為25 ℃，火源最大熱釋放速率Q 為3 MW，HRRPUA 設置為2 000 kW/m2?；鹪闯跏荚鲩L階段選擇t2火源，設置火災為快速型，火災增長系數a=0.046 89。根據t2火災模型，由Q=0.046 89 t2，計算可得在火災發生后大約252.9 s 時刻火源熱釋放速率達到最大值。在模型中設置了火場煙氣溫度、CO 濃度、煙氣能見度等火災煙氣主要特征參數探測點，按照人體特征尺寸，測點高度均設為1.6 m，如圖2 所示。為獲得水噴淋系統與應急排煙系統協同作用對地鐵站臺火災參數的影響，數值模型模擬工況設置三個工況，如表1 所示。

圖2 地鐵站臺火災參數測點布置圖

表1 數值模擬工況設計

2.3 火源及初始條件設定

為保證數值模擬計算結果的準確性，數值模型網格尺寸劃分需要一定的精密性，美國國家標準研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）經實驗驗證，當數值模型中的網格尺寸與火源特征直徑D*的關系為0.06 D*—0.25 D*時，數值模擬計算結果能夠保證計算結果的準確性?；鹪刺卣髦睆紻*通常表示為：

式中：D*為火源特征直徑，m；Q 為火源熱釋放速率，kW；ρ0為環境空氣密度，kg/m3，一般取1.204 kg/m3；cp為環境空氣比熱，kJ/（kg·K），一般取1.005 kJ/（kg·K）；T0為環境空氣溫度，K，一般取293 K；g為重力加速度，m/s2，一般取9.8 m/s2。本文數值模型的火源功率為3.0 MW，火源特征直徑計算結果為1.49 m，因此，本文數值模型網格尺寸設置為0.25 m，滿足數值模擬計算準確性要求。

3 數值模擬結果分析

3.1 人員安全疏散的判據指標

本文數值模擬計算結果主要分析地鐵站臺火災煙氣溫度、站臺CO 濃度、站臺煙氣能見度等火災煙氣主要特征參數的變化情況，并根據國內建筑防火性能化設計與安全評估廣泛采用的人員安全疏散判據指標[16]（見表2）和美國消防協會NFPA502 給出的人員安全疏散的耐受極限[17]（見表3）分析火災煙氣主要特征參數對地鐵站臺人員安全疏散及逃生的影響。

表2 人員安全疏散判據指標

表3 狹長空間火災人員疏散的耐受極限

3.2 站臺火災煙氣溫度分析

為研究不同工況下站臺火災煙氣溫度的變化情況，在地鐵站臺z=1.6 m、y=3 m 沿站臺長度x 方向間隔4 m 均勻布置了30 個煙氣溫度探測點，地鐵站臺初始環境溫度為25 ℃，站臺不同測點煙氣溫度變化如圖3 所示。由圖3（a）—圖3（f）可知，由于著火源設置在站臺中部，三種工況下站臺煙氣測點溫度均呈現中部高、兩端較低的變化規律，在同一時刻工況1、2、3 的煙氣測點溫度有較大變化。100 s 時，工況1 與工況2 的煙氣測點溫度大小與變化規律基本一致，最高溫度達到42.7 ℃，說明排煙口排煙速度對初起火災空氣溫度影響較??；工況3 的煙氣測點溫度明顯低于工況1、2 的溫度，這是由于開啟水噴淋系統對初起火災溫度影響較大，可有效降低火場溫度。隨著火災的發展，三種工況下同一時刻和同一測點的煙氣溫度呈現中部溫度差異較小、兩端溫度差異較大的特點。站臺中部區域煙氣測點溫度工況1 的最大值為52.4 ℃、工況2 的最大值為49.2 ℃、工況3 的最大值為43.4 ℃；站臺兩端區域煙氣測點溫度工況1的最大值為30.9 ℃、工況2 的最大值為27.7 ℃、工況3 的最大值為24.1 ℃。上述結果表明，三種工況下的地鐵站臺煙氣溫度均沒有達到人員疏散的耐受極限空氣溫度60 ℃，不會造成人員傷害。增大排煙口的排煙速度和開啟水噴淋系統均可以有效降低站臺煙氣測點溫度，其中開啟水噴淋系統和應急排煙是降低站臺煙氣溫度最有效措施，在同一時刻和同一測點最大可以降低站臺煙氣溫度達10℃左右。

圖3 站臺不同測點煙氣溫度

3.3 站臺火災煙氣CO 濃度分析

為研究不同工況下站臺火災煙氣CO 濃度的變化情況，在地鐵站臺z=1.6 m、y=3 m 沿站臺長度x 方向間隔4 m 均勻布置了30 個CO 濃度探測點，站臺不同測點CO 濃度變化如圖4 所示。

圖4 站臺不同測點CO 濃度

由圖4（a）—圖4（f）可知，工況1、2、3 的火災煙氣CO 濃度變化規律基本一致。由于站臺中部區域距離著火源較近，三種工況下站臺火災煙氣CO 濃度在站臺中部區域較高，在站臺兩端區域較低。工況1 與工況3 的火災煙氣CO 濃度大小差異不大，說明地鐵站臺火災時開啟與關閉消防水噴淋系統對火災煙氣CO 濃度的影響不大。為了研究工況1、2、3 的火災煙氣CO 濃度對人員逃生的影響，選擇人員逃生出口x=87 m 的CO 濃度數據為比較值，工況2 與工況1、3 的火災煙氣CO 濃度大小在100 s 時差異不大，200 s 以后差異變大，500 s 時工況1、2、3 的火災煙氣CO 濃度分別是69 ppm、31 ppm、70 ppm。工況2 比工況1、3 的火災煙氣CO 濃度減少一半，說明增大應急排煙速度能夠有效降低火災煙氣CO 濃度。在整個火災發展過程中，工況1、2、3 的火災煙氣CO 濃度的最大值是107 ppm，可見在短時間內三種工況下的火災煙氣CO 濃度均沒有達到人員疏散的CO 濃度耐受極限。

3.4 站臺火災煙氣能見度分析

為研究不同工況下站臺火災煙氣能見度對人員疏散的影響，在地鐵站臺z=1.6 m、y=3 m 沿站臺長度x 方向間隔4 m 均勻布置了30 個煙氣能見度傳感器探測點，煙氣能見度變化如圖5 所示。由圖5（a）—圖5（f）可知，站臺中部區域距離著火源較近，煙氣濃度較高，三個工況下的煙氣能見度均較??；站臺兩端區域遠離著火源，煙氣濃度較低，三個工況下的煙氣能見度均較大。300 s 以內，工況1在站臺兩端區域的煙氣能見度比工況3 的煙氣能見度小，且隨著火災的發展，煙氣能見度的差異越來越小，在站臺中部區域接近著火源位置的煙氣能見度差異不大，工況1 的煙氣能見度比工況3 的煙氣能見度略大；300 s 以后，在站臺兩端區域，工況1 的煙氣能見度比工況3 的煙氣能見度略小，在站臺中部區域，工況1 的煙氣能見度比工況3 的煙氣能見度略大，說明開啟水噴淋系統不能提高站臺火災煙氣能見度。100 s 時，在站臺全部區域工況2的煙氣能見度介于工況1 與工況3 的煙氣能見度之間；200 s 以后，隨著火災的發展，站臺煙氣濃度增大，工況2 的煙氣能見度均較大于工況1、3 的煙氣能見度，說明提高應急排煙速度能夠有效提高站臺火災煙氣能見度。根據人員安全疏散判據指標，人員在站臺區域疏散臨界指標選擇5 m，200 s 以內，三個工況在站臺端部區域的煙氣能見度均大于5 m，在站臺中部區域的煙氣能見度均小于5 m；200 s 以后，工況1、3 在站臺端部區域的煙氣能見度略大于5 m，在站臺中部區域的煙氣能見度小于5 m。工況2 在站臺端部區域的煙氣能見度大于5 m，在站臺中部區域的煙氣能見度小于5 m?？梢?，200 s 以內遠離著火源的站臺端部區域的煙氣能見度較大，有利于人員疏散和逃生。

圖5 站臺不同測點煙氣能見度

4 結論

（1）三種工況下站臺火災煙氣溫度均沒有達到人員疏散耐受極限溫度。降低站臺火災煙氣溫度有效性對比結果：排煙速度10 m/s 且開啟水噴淋系統＞排煙速度20 m/s 且關閉水噴淋系統＞排煙速度10 m/s 且關閉水噴淋系統，同一時刻同一測點開啟水噴淋系統比其他兩種工況最大可降低火災煙氣溫度10℃左右，開啟水噴淋系統可有效降低站臺火災煙氣溫度。

（2）三種工況下500 s 時人員逃生出口x=87 m的CO 濃度情況：排煙速度20 m/s 且關閉水噴淋系統為31 ppm；排煙速度10 m/s 且開啟水噴淋系統為70 ppm；排煙速度10 m/s 且關閉水噴淋系統為69 ppm。降低站臺火災煙氣CO 濃度有效性對比結果：增大應急排煙速度可以有效降低站臺火災煙氣CO 濃度，開啟水噴淋系統不能有效降低站臺火災煙氣CO 濃度。

（3）三種工況下提高站臺煙氣能見度有效性對比結果：增大應急排煙速度對提高煙氣能見度效果最好，開啟水噴淋系統不能有效提高煙氣能見度。200 s 以后，排煙速度20 m/s 且關閉水噴淋系統時，在人員逃生出口區域煙氣能見度大于人員疏散耐受極限5 m，不會對人員疏散產生危害；其他兩種工況的煙氣能見度均小于人員疏散耐受極限5 m，會對人員疏散產生危害。