地铁站台火灾烟气流动与机械排烟模式

摘要

目前,我国地铁轨道交通建设进入了高速发展时期,随着地铁线路的不断增加,出现了越来越多的换乘车站,而空间交错地铁车站由于其换乘方便、结构设计简单被广泛应用于地铁换乘。由于换乘车站结构特殊且客流量大,一旦发生火灾,容易造成群死群伤事故,研究表明地铁火灾中的人员伤亡主要是因为吸入了大量的烟气导致昏迷甚至是窒息而死亡的,因此研究烟气在地铁站台内的流动规律以及空间交错地铁车站防排烟模式具有重要意义。
　　作者基于实验室已有模型建立1:10地铁站台局部模型实验台,实验研究了火灾发生在站台不同位置时火源强度以及机械排烟量对站台内的温度以及烟气层高度的影响;并且以西安地铁二号线行政中心车站为研究对象,对空间交错地铁车站进行FDS全尺寸数值模拟,研究了不同防烟分区内火灾的烟气流动规律、温度分布、CO浓度场、烟尘浓度及可见度场,并且对比了不同排烟模式下的烟气蔓延情况,根据地铁火灾中人员生命安全的判断标准选择出最佳防排烟方案,并对其不足之处进行优化分析。
　　根据相似理论推导出1:10地铁站台的模型率和比例尺,建立了1:10模型实验台,在实验台内进行了大量的基础性实验。1:10模型实验研究结果表明:
　　(1)地铁站台端部发生火灾时封闭端仅靠近火源处的温度要高于开敞端,其他区域相对于开敞端基本一致。
　　(2)地铁站台发生火灾时产生了大量的高温烟气,其温度分布在垂直方向上存在明显的温度梯度,上部的烟气温度高于下部的烟气温度,并且温度随时间的变化可以分为三个阶段:a)火源燃烧增长阶段;b)火源稳定燃烧阶段;c)火源减弱阶段。
　　(3)增大机械排烟量可以有效地降低站台内的温度,并且使烟气层高度下降速度减慢,当排烟量增大到一定程度时,可以使烟气维持在一定高度,即达到动态平衡。
　　利用FDS火灾模拟软件对典型空间交错地铁车站建立了全尺寸模型,对不同火灾工况进行了可视化研究,得出结论如下:
　　(1)加挡烟垂壁会在火源发生防烟分区内形成一个蓄烟池,会对烟气的蔓延起到一定延迟作用,但是会使该防烟分区内顶棚温度相对升高。
　　(2)当火灾发生在岛式站台中庭防烟分区时,穹顶对于控制烟气扩散速度具有重大的意义,它可以减缓烟气向其他防烟分区蔓延的时间,且烟气扩散出穹顶的时间随着穹顶高度的增加呈指数函数增加,另外烟气不能扩散至地下三层的侧式站台中,这将为人员逃生提供新的途径。
　　(3)当火灾发生在地下二层岛式站台端部时,打开屏蔽门进行辅助排烟时,关闭轨底排热风口仅开启轨顶排热风口进行排烟可以将烟气控制在该防烟分区内,并且保证360s内安全高度2m以下的环境达到人员安全标准。
　　(4)地下三层侧式站台发生火灾后,烟气上升到顶棚并沿顶棚纵向蔓延,当烟气撞击侧墙时发生“回流”现象降低了烟气层高度,240s时烟气下降到安全高度以下。
　　(5)顶棚温度随着距火源距离的增加而逐渐减小,并且符合指数衰减规律;并且在远离火源端温度没有竖向分层。
　　(6)侧式站台发生火灾时,楼梯口处的温度和CO浓度都是随着高度的增加而逐渐增大,但是其增长规律并不相同,温度随着高度的增加符合指数函数增长关系,而CO浓度随着高度的增加呈线性增长关系。
　　(7)打开屏蔽门进行辅助排烟可以完全将烟气控制在地下三层侧式站台,但是其在站台两端存在排烟死角,可见度降低到10m以下。
　　(8)即使打开屏蔽门排烟,由于站台狭长层高较低,在反浮力壁面射流的情况下会出现排烟死角,打开侧式站台两端的防火门,通过隧道排烟可有效地解决排烟死角问题,从而增加侧式站台两端的可见度。
　　本课题的研究既可为地铁火灾相关课题的研究提供参考,也可以为空间交错地铁车站的防排烟设计以及人员疏散提供参考依据。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 地铁火灾烟气流动与控制的研究方法及研究现状

2 地铁站台火灾烟气流动模型的相似理论研究基础

2.1 地铁站台火灾烟气流动基本方程

2.2 地铁站台火灾烟气流动相似性分析

2.3 地铁站台火灾的相似准则

2.4 地铁站台火灾烟羽流模型律

2.5 本章小结

3 地铁站台1:10火灾实验模型设计

3.1 地铁站台物理模型

3.2 地铁站台火灾模型实验设计及建设

3.3 测试系统设计

3.4 烟气层高度的判别方法

4 地铁站台火灾1:10模型实验与FDS模拟结果及分析

4.1 地铁站台火灾1:10模型验证

4.2 火灾的数值模拟简介

4.3 全尺寸FDS数值模拟验证

4.4 地铁站台火灾烟气流动结果与分析

4.5 地铁站台机械排烟研究及结果分析

4.6 本章小结

5 空间交错地铁车站物理模型及人员生命安全判断标准

5.1 空间交错地铁车站物理模型的建立

5.2 地铁火灾中人员生命安全的判断标准

6 空间交错地铁车站站台火灾数值模拟结果及分析

6.1 站台中庭位置起火时烟气蔓延的数值模拟分析

6.2 岛式站台端部位置起火时烟气蔓延的数值模拟分析

6.3 地下三层侧式站台火灾烟气蔓延与控制的数值模拟

7 结论

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目及科研成果

参考文献