代長(zhǎng)青，袁 慧，王佳慧

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，安徽 合肥 230601）

消防水噴淋系統(tǒng)是一種應(yīng)用十分廣泛的固定消防滅火設(shè)施，根據(jù)功能不同，可以分為人工控制和自動(dòng)控制兩種形式，具有系統(tǒng)滅火控制面積大、出水量大等特點(diǎn)，能夠撲滅初期火災(zāi)，抑制火勢(shì)蔓延和火場(chǎng)溫度快速上升，因而在地鐵站廳和站臺(tái)層逐漸推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)安全問題的研究主要集中在地鐵火災(zāi)煙氣控制方面[1-6]，部分學(xué)者對(duì)水噴淋系統(tǒng)的應(yīng)用開展了研究。李賢斌[7]等對(duì)大型地下空間水噴淋流量變化對(duì)火災(zāi)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；孫磊[8]等開展了水噴淋系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)對(duì)滅火救援的影響全尺寸商場(chǎng)模型實(shí)驗(yàn)研究；徐明俊[9]等對(duì)高大空間不同噴水強(qiáng)度時(shí)水噴淋系統(tǒng)進(jìn)行了滅火試驗(yàn)；Sun Jiayun[10]等應(yīng)用CFD 軟件對(duì)小尺度隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中噴水系統(tǒng)引起的流場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算研究；Dombrovsky[11]等對(duì)水噴淋滅火初期蒸發(fā)液滴的紅外散射變化進(jìn)行了研究；Wang Jie[12]等開展了縱向通風(fēng)隧道火災(zāi)中噴水流速對(duì)頂板煙氣溫度分布的影響研究；張雷[13]等應(yīng)用數(shù)值模擬方法探討了水噴淋系統(tǒng)對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響。

通過對(duì)以上文獻(xiàn)分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水噴淋系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)水噴淋系統(tǒng)的應(yīng)用性和對(duì)火災(zāi)煙氣的影響，對(duì)水噴淋系統(tǒng)撲救地鐵站廳和站臺(tái)層火災(zāi)以及水噴淋系統(tǒng)對(duì)地鐵火災(zāi)參數(shù)的影響研究較少。筆者以合肥某地鐵站臺(tái)為火災(zāi)模型，應(yīng)用FDS 軟件對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，在火災(zāi)模擬中分別設(shè)置火場(chǎng)煙氣溫度、CO 濃度、煙氣能見度等三個(gè)火災(zāi)煙氣主要參數(shù)探測(cè)點(diǎn)，分析水噴淋系統(tǒng)與應(yīng)急排煙系統(tǒng)協(xié)同作用對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)參數(shù)的影響。在數(shù)值模擬計(jì)算方面，F(xiàn)DS 軟件能夠?qū)Ω鞣N火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果可以作為消防設(shè)計(jì)理論依據(jù)[14]。

1 地鐵站臺(tái)物理模型建立

1.1 地鐵站臺(tái)物理模型

本文以合肥地鐵某站臺(tái)為研究對(duì)象，該地鐵車站為島式地下二層結(jié)構(gòu)，站臺(tái)層長(zhǎng)、寬、高分別為120.0 m、10.0 m、5.0 m，站廳層長(zhǎng)、寬、高分別為120.0 m、24.0 m、5.0 m。站廳層與站臺(tái)層連通設(shè)有2 部自動(dòng)扶梯和1 部步行梯連通，站廳層設(shè)置三個(gè)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(tái)應(yīng)急排煙系統(tǒng)

地鐵站臺(tái)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，站廳層啟動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)，站臺(tái)層關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng)，啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2018）規(guī)定，地鐵站臺(tái)排煙量應(yīng)按照建筑面積1 m3/（m2·min）計(jì)算，地鐵站臺(tái)層建筑面積為1 200 m2，地鐵站臺(tái)層設(shè)置排煙口10 個(gè)，排煙口尺寸為0.5 m×0.5 m。為研究不同排煙風(fēng)速時(shí)的火災(zāi)煙氣參數(shù)變化情況，排煙口風(fēng)速設(shè)定為10 m/s 與20 m/s 兩種工況，排煙口均勻布置在站臺(tái)頂部，排煙量均滿足規(guī)范要求。

1.3 地鐵站臺(tái)水噴淋系統(tǒng)

根據(jù)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50084-2017），地鐵車站火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)按照中危險(xiǎn)級(jí)Ⅰ級(jí)設(shè)置水噴淋系統(tǒng)，系統(tǒng)噴水強(qiáng)度為6 L/min，作用面積為160 m2。水噴淋系統(tǒng)的噴頭采用直立型灑水噴頭，噴頭流量系數(shù)K 為80，保護(hù)面積為12.5 m2，噴頭啟動(dòng)溫度為57 ℃，水噴淋系統(tǒng)的初始開啟時(shí)間設(shè)置為60 s。

2 地鐵站臺(tái)數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型基本方程

FDS 火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件采用大渦數(shù)值模擬（large eddy simulation，LES），根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)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(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分方程和狀態(tài)方程，通過聯(lián)立求解，最終得到計(jì)算區(qū)域火災(zāi)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(shí)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(xiàng)；τij為應(yīng)力張量值，N；h 為焓，J/kg；K 為熱導(dǎo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；mi′為單位體積內(nèi)第i 種組分的質(zhì)量生成率；R 為氣體摩爾常數(shù)，J/（mol·K）；Mi為第i 種組成成分的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

2.2 火源及初始條件設(shè)定

在地鐵站臺(tái)中部x=67 m 處設(shè)置一個(gè)行李箱火源，火源尺寸為1.0 m×0.5 m，站臺(tái)初始環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃，火源最大熱釋放速率Q 為3 MW，HRRPUA 設(shè)置為2 000 kW/m2?；鹪闯跏荚鲩L(zhǎng)階段選擇t2火源，設(shè)置火災(zāi)為快速型，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)a=0.046 89。根據(jù)t2火災(zāi)模型，由Q=0.046 89 t2，計(jì)算可得在火災(zāi)發(fā)生后大約252.9 s 時(shí)刻火源熱釋放速率達(dá)到最大值。在模型中設(shè)置了火場(chǎng)煙氣溫度、CO 濃度、煙氣能見度等火災(zāi)煙氣主要特征參數(shù)探測(cè)點(diǎn)，按照人體特征尺寸，測(cè)點(diǎn)高度均設(shè)為1.6 m，如圖2 所示。為獲得水噴淋系統(tǒng)與應(yīng)急排煙系統(tǒng)協(xié)同作用對(duì)地鐵站臺(tái)火災(zāi)參數(shù)的影響，數(shù)值模型模擬工況設(shè)置三個(gè)工況，如表1 所示。

圖2 地鐵站臺(tái)火災(zāi)參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 數(shù)值模擬工況設(shè)計(jì)

2.3 火源及初始條件設(shè)定

為保證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)值模型網(wǎng)格尺寸劃分需要一定的精密性，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)數(shù)值模型中的網(wǎng)格尺寸與火源特征直徑D*的關(guān)系為0.06 D*—0.25 D*時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(huán)境空氣密度，kg/m3，一般取1.204 kg/m3；cp為環(huán)境空氣比熱，kJ/（kg·K），一般取1.005 kJ/（kg·K）；T0為環(huán)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(shù)值模型的火源功率為3.0 MW，火源特征直徑計(jì)算結(jié)果為1.49 m，因此，本文數(shù)值模型網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.25 m，滿足數(shù)值模擬計(jì)算準(zhǔn)確性要求。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 人員安全疏散的判據(jù)指標(biāo)

本文數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果主要分析地鐵站臺(tái)火災(zāi)煙氣溫度、站臺(tái)CO 濃度、站臺(tái)煙氣能見度等火災(zāi)煙氣主要特征參數(shù)的變化情況，并根據(jù)國(guó)內(nèi)建筑防火性能化設(shè)計(jì)與安全評(píng)估廣泛采用的人員安全疏散判據(jù)指標(biāo)[16]（見表2）和美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA502 給出的人員安全疏散的耐受極限[17]（見表3）分析火災(zāi)煙氣主要特征參數(shù)對(duì)地鐵站臺(tái)人員安全疏散及逃生的影響。

表2 人員安全疏散判據(jù)指標(biāo)

表3 狹長(zhǎng)空間火災(zāi)人員疏散的耐受極限

3.2 站臺(tái)火災(zāi)煙氣溫度分析

為研究不同工況下站臺(tái)火災(zāi)煙氣溫度的變化情況，在地鐵站臺(tái)z=1.6 m、y=3 m 沿站臺(tái)長(zhǎng)度x 方向間隔4 m 均勻布置了30 個(gè)煙氣溫度探測(cè)點(diǎn)，地鐵站臺(tái)初始環(huán)境溫度為25 ℃，站臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)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(shè)置在站臺(tái)中部，三種工況下站臺(tái)煙氣測(cè)點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)中部高、兩端較低的變化規(guī)律，在同一時(shí)刻工況1、2、3 的煙氣測(cè)點(diǎn)溫度有較大變化。100 s 時(shí)，工況1 與工況2 的煙氣測(cè)點(diǎn)溫度大小與變化規(guī)律基本一致，最高溫度達(dá)到42.7 ℃，說明排煙口排煙速度對(duì)初起火災(zāi)空氣溫度影響較??；工況3 的煙氣測(cè)點(diǎn)溫度明顯低于工況1、2 的溫度，這是由于開啟水噴淋系統(tǒng)對(duì)初起火災(zāi)溫度影響較大，可有效降低火場(chǎng)溫度。隨著火災(zāi)的發(fā)展，三種工況下同一時(shí)刻和同一測(cè)點(diǎn)的煙氣溫度呈現(xiàn)中部溫度差異較小、兩端溫度差異較大的特點(diǎn)。站臺(tái)中部區(qū)域煙氣測(cè)點(diǎn)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(tái)兩端區(qū)域煙氣測(cè)點(diǎn)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(jié)果表明，三種工況下的地鐵站臺(tái)煙氣溫度均沒有達(dá)到人員疏散的耐受極限空氣溫度60 ℃，不會(huì)造成人員傷害。增大排煙口的排煙速度和開啟水噴淋系統(tǒng)均可以有效降低站臺(tái)煙氣測(cè)點(diǎn)溫度，其中開啟水噴淋系統(tǒng)和應(yīng)急排煙是降低站臺(tái)煙氣溫度最有效措施，在同一時(shí)刻和同一測(cè)點(diǎn)最大可以降低站臺(tái)煙氣溫度達(dá)10℃左右。

圖3 站臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)煙氣溫度

3.3 站臺(tái)火災(zāi)煙氣CO 濃度分析

為研究不同工況下站臺(tái)火災(zāi)煙氣CO 濃度的變化情況，在地鐵站臺(tái)z=1.6 m、y=3 m 沿站臺(tái)長(zhǎng)度x 方向間隔4 m 均勻布置了30 個(gè)CO 濃度探測(cè)點(diǎn)，站臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)CO 濃度變化如圖4 所示。

圖4 站臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)CO 濃度

由圖4（a）—圖4（f）可知，工況1、2、3 的火災(zāi)煙氣CO 濃度變化規(guī)律基本一致。由于站臺(tái)中部區(qū)域距離著火源較近，三種工況下站臺(tái)火災(zāi)煙氣CO 濃度在站臺(tái)中部區(qū)域較高，在站臺(tái)兩端區(qū)域較低。工況1 與工況3 的火災(zāi)煙氣CO 濃度大小差異不大，說明地鐵站臺(tái)火災(zāi)時(shí)開啟與關(guān)閉消防水噴淋系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)煙氣CO 濃度的影響不大。為了研究工況1、2、3 的火災(zāi)煙氣CO 濃度對(duì)人員逃生的影響，選擇人員逃生出口x=87 m 的CO 濃度數(shù)據(jù)為比較值，工況2 與工況1、3 的火災(zāi)煙氣CO 濃度大小在100 s 時(shí)差異不大，200 s 以后差異變大，500 s 時(shí)工況1、2、3 的火災(zāi)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(zāi)煙氣CO 濃度減少一半，說明增大應(yīng)急排煙速度能夠有效降低火災(zāi)煙氣CO 濃度。在整個(gè)火災(zāi)發(fā)展過程中，工況1、2、3 的火災(zāi)煙氣CO 濃度的最大值是107 ppm，可見在短時(shí)間內(nèi)三種工況下的火災(zāi)煙氣CO 濃度均沒有達(dá)到人員疏散的CO 濃度耐受極限。

3.4 站臺(tái)火災(zāi)煙氣能見度分析

為研究不同工況下站臺(tái)火災(zāi)煙氣能見度對(duì)人員疏散的影響，在地鐵站臺(tái)z=1.6 m、y=3 m 沿站臺(tái)長(zhǎng)度x 方向間隔4 m 均勻布置了30 個(gè)煙氣能見度傳感器探測(cè)點(diǎn)，煙氣能見度變化如圖5 所示。由圖5（a）—圖5（f）可知，站臺(tái)中部區(qū)域距離著火源較近，煙氣濃度較高，三個(gè)工況下的煙氣能見度均較小；站臺(tái)兩端區(qū)域遠(yuǎn)離著火源，煙氣濃度較低，三個(gè)工況下的煙氣能見度均較大。300 s 以內(nèi)，工況1在站臺(tái)兩端區(qū)域的煙氣能見度比工況3 的煙氣能見度小，且隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣能見度的差異越來越小，在站臺(tái)中部區(qū)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(tái)兩端區(qū)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(tái)中部區(qū)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(tǒng)不能提高站臺(tái)火災(zāi)煙氣能見度。100 s 時(shí)，在站臺(tái)全部區(qū)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(zāi)的發(fā)展，站臺(tái)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(yīng)急排煙速度能夠有效提高站臺(tái)火災(zāi)煙氣能見度。根據(jù)人員安全疏散判據(jù)指標(biāo)，人員在站臺(tái)區(qū)域疏散臨界指標(biāo)選擇5 m，200 s 以內(nèi)，三個(gè)工況在站臺(tái)端部區(qū)域的煙氣能見度均大于5 m，在站臺(tái)中部區(qū)域的煙氣能見度均小于5 m；200 s 以后，工況1、3 在站臺(tái)端部區(qū)域的煙氣能見度略大于5 m，在站臺(tái)中部區(qū)域的煙氣能見度小于5 m。工況2 在站臺(tái)端部區(qū)域的煙氣能見度大于5 m，在站臺(tái)中部區(qū)域的煙氣能見度小于5 m。可見，200 s 以內(nèi)遠(yuǎn)離著火源的站臺(tái)端部區(qū)域的煙氣能見度較大，有利于人員疏散和逃生。

圖5 站臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)煙氣能見度

4 結(jié)論

（1）三種工況下站臺(tái)火災(zāi)煙氣溫度均沒有達(dá)到人員疏散耐受極限溫度。降低站臺(tái)火災(zāi)煙氣溫度有效性對(duì)比結(jié)果：排煙速度10 m/s 且開啟水噴淋系統(tǒng)＞排煙速度20 m/s 且關(guān)閉水噴淋系統(tǒng)＞排煙速度10 m/s 且關(guān)閉水噴淋系統(tǒng)，同一時(shí)刻同一測(cè)點(diǎn)開啟水噴淋系統(tǒng)比其他兩種工況最大可降低火災(zāi)煙氣溫度10℃左右，開啟水噴淋系統(tǒng)可有效降低站臺(tái)火災(zāi)煙氣溫度。

（2）三種工況下500 s 時(shí)人員逃生出口x=87 m的CO 濃度情況：排煙速度20 m/s 且關(guān)閉水噴淋系統(tǒng)為31 ppm；排煙速度10 m/s 且開啟水噴淋系統(tǒng)為70 ppm；排煙速度10 m/s 且關(guān)閉水噴淋系統(tǒng)為69 ppm。降低站臺(tái)火災(zāi)煙氣CO 濃度有效性對(duì)比結(jié)果：增大應(yīng)急排煙速度可以有效降低站臺(tái)火災(zāi)煙氣CO 濃度，開啟水噴淋系統(tǒng)不能有效降低站臺(tái)火災(zāi)煙氣CO 濃度。

（3）三種工況下提高站臺(tái)煙氣能見度有效性對(duì)比結(jié)果：增大應(yīng)急排煙速度對(duì)提高煙氣能見度效果最好，開啟水噴淋系統(tǒng)不能有效提高煙氣能見度。200 s 以后，排煙速度20 m/s 且關(guān)閉水噴淋系統(tǒng)時(shí)，在人員逃生出口區(qū)域煙氣能見度大于人員疏散耐受極限5 m，不會(huì)對(duì)人員疏散產(chǎn)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(huì)對(duì)人員疏散產(chǎn)生危害。