活塞风影响下地铁火灾烟气运动规律的数值模拟研究

第1页，共12页 重庆轨道交通四号线黑石子站

烟气模拟分析报告

1.分析目的

由于轻轨站人流量大，一旦发生火灾极易造成人员伤亡，因此对轻轨站进行火灾烟气模拟有重要意义。本次模拟以重庆轨道交通四号线黑石子站为研究对象，对发生火灾的站台层内部烟气扩散过程、特征位置的温度场、CO的体积分数分布、能见度变化情况及气流组织等进行分析研究，并与设计规范进行对比，在此基础上为该车站的防排烟系统优化设计提出合理建议，从而为加强车站的火灾防护提供参考。

2安全目标的确定

将防火安全目标量化为从火灾发生到危险状态所需的时间是否大于建筑物内人员安全疏散所需的时间，即可利用的疏散时间ASET（available safe escape

time）是否大于人员安全疏散所必需的疏散时间RSET（required safe escape time）。根据《地铁设计规范》GB 50157-20××第28.2.11条规定：车站站台公共区的楼梯、自动扶梯、出入口通道，应满足当发生火灾时在6min内将远期或客流控制期超高峰小时一列进站列车所载的乘客及站台上的候车人员全部撤离站台到达安全区的要求，故取人员安全疏散所必需的疏散时间为6min（360s）。参考NFPA130（National Fire Protection Association全国消防协会（美））等相关消防标准，取人眼特征高度（离站台地面1.8m）处的烟气的温度不超过82℃为温度危险程度的判断基准，CO体积分数在4.0×10－3作为烟气浓度危险程度的判断基准，能见度10m作为减光度达到影响人员行动速度的极限值。依据《地铁设计规范》，考虑火灾情况下，保证站厅到站台的楼梯具有不小于1.5m/s的向下气流，以防止烟气向站厅层蔓延。

第2页，共12页 3分析模型的建立

3.1土建模型

本次模拟的是地面两层、地下一层鱼腹式站型岛式明挖车站，地下一层为站台层，地面一层是站厅层，地面二层为预留附属设施。车站总长262m，总宽38m，总建筑面积26144平方米，主体建筑面积25769平方米。站台层层高5.9m，站台层（单面）通往站厅层设有三座自动扶梯（宽1.54m）、一座楼梯（2.15m），站厅层有四个出入口。本次模拟使用Revit导出的DXF格式车站模型进行分析。黑石子站土建模型如下图所示：

篱篓　骥；　蘩赞　地铁区间隧道火灾自然排烟模式的研究与应用　

杨庆　，杜礼全　，刘　沙　，陈　中　（１．四川省消防总队，四川成都６１００７２；２．成都地铁有限责任公司，四川成都６１００３１）　

摘要：成都地铁一号线南部浅埋区间隧道在国内首次采　用自然通风模式，本文对其在火灾工况下自然排烟模式的数值　模拟分析作了详细介绍，为自然排烟方式在地铁区间隧道的应　用，以及通风竖井的布置和区间隧道结构形式的选择提供了科　学的依据。　关键词：地铁隧道；自然排烟；通风竖井　中图分类号：Ｘ９２４，Ｕ４５８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—００２９（２００７）０５一Ｏ５１２一Ｏ５　１前　言　成都地铁一号线一期工程北起于大沙河南侧的红　花堰站，南止于会展中心站，线路全长１８．５０８　ｋｍ，其　南部区间隧道全长４．９１８　ｋｍ，且大部分为浅埋区，在　此区域内主要是农田和部分低矮的待拆迁房屋，这为　区间隧道采用自然通风的方式、降低初期投资和通风　空调系统的运行费用创造了良好的外部条件。区间隧　道自然通风方式是指区间隧道的顶部每隔一定距离开　设与外界大气直接接触的通风竖井，利用外界的空气　与隧道内的空气进行交换，以达到对地下空间的空气　温度、湿度、空气流速等进行控制的目的。正常运行时，　利用列车运行活塞效应以及隧道内热空气因其密度差　而产生的升力效应，引入室外空气以冷却隧道，排除余　热、余湿；列车发生阻塞情况时，隧道通过通风竖井直　接和外面的大气连接，区间隧道温度满足列车顶部的　空调器运转≤４５℃的要求；列车发生火灾时，烟气直　接从附近的通风竖井排出隧道，同时满足人员疏散所　需的新鲜空气。自然通风下地铁车辆发生火灾，烟气扩　散区域是以火灾源为中心，向隧道两端蔓延，其扩散区　域的大小取决于隧道区间构造、火灾规模以及通风情　况。笔者结合成都地铁一号线南部浅埋区间隧道在国　内首次采用自然通风模式，探讨在火灾工况下自然排　烟模式的数值模拟计算，研究自然排烟的可行性，重点　研究计算控制参数的确定，以及通风竖井间距大小和　区问结构形式对自然排烟效果的影响等。　２　自然排烟模拟计算模型和判据　成都地铁一号线南部浅埋区问隧道自然排烟数值　模拟分析的计算程序采用ＣＦＤ软件Ｐｈｏｅｎｉｃｓ３．５，计算　模型采用标准的ｋ一￡湍流模型。　由于区间隧道采用自然通风系统在国内尚属首　５１　２　次，究竟采用什么参数作为模拟计算结果的判定条件，　是需要首先解决的问题。在地铁区间隧道采用自然通　风模式情况下，发生火灾时，人员沿逃生通道平台进行　疏散，而火灾产生的烟气在洞内外的温差作用下沿通　风竖井排出洞外。在此过程中，人员逃生平台处的温度　和烟气分布将直接关系到人员的安全疏散。然而，对烟　气分布采用多大值作为判定条件，目前在内外都没有　相关的规定，找不到相关的依据。因此，参考文献１－３３、　［４］将人员逃生路线最高处（距轨面２．９　ｍ）的安全温　度上限６６　Ｃ作为人员安全疏散逃生的主要判定依据，　同时对不同情况下的烟气分布作定性分析。　３模拟分析条件　３．１　环境参数　室外计算温度为２５．６　Ｃ；室外大气压力为９．４７７　×１０　Ｐａ。　３．２火灾车厢发热量　假定火灾发生在列车中部，总发热量为１０　ＭＷ。　３．３　自然排烟条件及通风竖井位置尺寸　区间隧道内相隔一定距离设通风竖井，无机械通　风机。通风竖井中的气流为烟气和来自竖井另一侧的　空气。将通风竖井设计在地面道路中央分隔带内，地面　开启面积为１０．３×２．５—２５．７５　ｍ　，位置居中。通风竖　井的位置及其开口尺寸如图１所示。　

取消地铁区间联络通道防火门的探讨

王奕然;刘垚;祝岚;李炎锋

【摘 要】地铁两条地下区间之间联络通道中的防火门受列车活塞风压的长期往复作用,损坏脱落、威胁行车安全的情况时有发生,甚至造成较为严重的事故.通过火灾烟气模拟分析认为:车站设置全封闭站台门的情况下,采用设定的区间火灾纵向排烟模式,联络通道中能出现一定风速的气流以抵抗烟气向非火灾区间蔓延,对于设有1条联络通道和2条联络通道的区间,不设置联络通道防火门不会出现烟气向非火灾区间蔓延的情况,取消防火门是安全的;对于设有单渡线等配线的区间则存在烟气向非火灾区间蔓延的可能性,不应取消防火门.

【期刊名称】《都市快轨交通》

【年(卷),期】2019(032)001

【总页数】8页(P86-92,97)

【关键词】地铁;联络通道;防火门;火灾烟气;数值模拟

【作 者】王奕然;刘垚;祝岚;李炎锋

【作者单位】北京城建设计发展集团股份有限公司,北京100037;中交铁道设计研究总院有限公司,北京100088;北京城建设计发展集团股份有限公司,北京100037;北京工业大学建筑工程学院,北京100124

【正文语种】中 文

【中图分类】U231 《地铁设计防火标准》(GB 51298—2018)第5.4.2条规定：“两条单线载客运营地下区间之间应设置联络通道”“通道内应设置一道并列两樘且反向开启的甲级防火门”[1]。此外，城市轨道交通多项相关工程标准规范中亦有类似规定[2-4]。受列车活塞风压的长期往复作用，实际工程中联络通道内的防火门损坏脱落、威胁行车安全的情况时有发生，甚至造成十分严重的事故[5]。为解决此问题，目前工程中采用的方法是提高防火门产品抗风压性能[6]、提升防火门施工安装质量以及加强运营维护管理[7]。但是，这既提高了建设成本，又增加了运营管理难度。

当区间发生火灾时，非着火区间被视为安全区域，人员可从着火区间通过联络通道疏散至非着火区间。联络通道设置防火门的作用是在一定时间内阻止火灾从着火区间蔓延至非火灾区间[1]。在地铁防火设计中，有时会利用气流来抑制火灾的蔓延，例如：车站站台火灾时，站厅与站台之间楼扶梯口部的1.5 m/s向下风速，以及区间火灾时与人员疏散方向相反的2.0 m/s风速要求[1]。区间火灾时，着火区间隧道需启动纵向通风排烟系统，着火区间与非着火区间两条隧道之间随之产生一定的气压差。某工程若干冷态工况测试结果表明，在联络通道防火门打开的条件下，“假想烟气”流经的联络通道为“补风”，可阻止烟气向非着火隧道蔓延[8]。

地铁活塞风相关计算

活塞风的理论基础及风速计算

1.1 活塞风的基本概念

当列车在隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而顺着列车运行前进的方向流动，这一现象称为列车的活塞作用，所形成的气流称为活塞气流。

列车在空旷的地面上运行时，列车前面的空气可毫无阻挡地被排挤到列车的两侧和上方，然后绕流到列车的后面。列车在隧道中运行时，由于隧道壁所构成空间的限制，列车所推挤的空气不能全部绕流到列车后方，必然有部分空气会被列车向前推动，排出到隧道出口之外；而列车尾端后方存在着负压涡旋区域，因此也必然会有相应空气经开口被引入到隧道中，由此形成活塞风。如图2－1。地铁活塞风的大小与列车在隧道内的阻塞比、列车的行驶速度、列车行驶时的空气阻力、空气与隧道壁面间的摩擦力等因素有关。

隧道壁

图2-1 活塞风成因示意图

1.2 活塞风模型的简化

由于地铁隧道中活塞风的影响因素较多且活塞风速的计算复杂，在对计算结果误差影响较小的情况下，本文的计算中对活塞风的简化如下：

（1）根据流体力学的基本原理，当气流速度小于音速时，流体密度的变化很小，流体的压缩性可以忽略不计（在标准状况下，如果气流速度不超过60m/s，则不考虑压缩性所引起的相对误差不大于1％）。地铁车辆最大行驶速度一般不超过35m/s（126公里/每小时），产生的活塞风速远小于音速，因此在本论文

中，如无特殊说明，所进行分析的地铁隧道活塞风气流均认为是不可压缩流体。

（2）根据管内流动的基本性质，当流体的雷诺数Re2022年时，管内流动称为层流，粘性力起主要作用，空气横断面上的流速梯度明显。而当流体的雷诺数Re2022年时，管内流动逐渐转化为紊流。在靠近壁面的一个薄层内，流动仍

活塞风基本达到稳定流状态,活塞风压稳定不变,与列车走行位置无关[38~39]相对而言,地铁隧道长度远大于列车长度,故在本论文中,地铁隧道活塞风可按恒定流计算。