地铁火灾烟气流动特性与控制策略研究

摘要

地铁作为现代化城市公共交通运输的主干线和客流运送的大动脉，是缓解城市交通紧张的有效工具。一旦发生火灾等突发事故，将会造成严重的人员伤亡和财产损失。大量的地铁火灾事故表明，造成火灾损失惨重的原因除了人为和管理的原因以外，地铁的结构尺寸、消防设施和防排烟系统设置不当或设计得不合理以及疏散不科学是重要的原因。因此，开展地铁火灾烟气流动特性和控制策略的研究具有重要的意义。
　　 本文在对地铁车站和区间隧道火灾人员必需可用安全时间RSET分析的基础上，通过比例模型实验、数值模拟和全尺寸实测实验的方法，对地铁车站和区间隧道火灾时的烟气流动特性和控制策略展开研究，具体工作如下：
　　 分析比较我国现行《规范》和美国NFPA130标准关于地铁车站人员疏散时间的计算方法，得出美国NFPA130标准的疏散时间计算方法更合理些，进一步据此方法，分析得出不同类型地铁车站火灾时，影响必需安全疏散时间的关键因素。建立了地铁区间隧道人员疏散时间的计算模型，并通过理论计算和现场疏散实验的方法，提出区间隧道火灾时，影响必需安全疏散时间RSET的关键因素。
　　 以两种火源为例，对火灾烟气羽流的几种模式进行了计算分析，为地铁火灾排烟量的设计以及烟气流动的控制策略提供了理论依据。对地铁火灾烟气流动进行计算的Reynolds时均方程方法，从控制方程的分解、湍流模型的建立、方程的离散进行了详细推导。基于FDS程序，采用大涡模拟(LES)方法模拟计算地铁火灾烟气流动，对LES方法的模型方程、方程简化和变形、描述火的混合分数燃烧模型、辐射模型进行了详细阐述。
　　 对描述地铁火灾烟气流动的控制方程进行无量纲化，建立了进行模型实验的相似物理模型，设计并搭建了1：8的地铁缩尺寸比例模型实验台。并设计了地铁模型实验台的通风排烟系统、火源系统和相应的数据采集系统。
　　 对单层岛式地铁车站轨道区列车中部发生火灾，机械排烟系统没有开启时的烟气流动特性进行了研究，结合人员疏散路径的计算分析，得出单层岛式地铁车站火灾时，需要控制烟气向两侧站厅的扩散。在实际的车站内，对不同通风排烟模式时的流场进行了测试，得出与车站相连接的区间风机的送风或排风对车站内的流场是有较大影响的。进一步通过数值模拟的方法，对火灾时的烟气控制策略进行了研究，得出了控制烟气流动的最佳通风排烟模式，并提出了现有通风排烟系统的改进措施。
　　 在搭建的1:8全高安全门双层岛式地铁车站模型实验台内，开展了轨道区列车尾部火灾的模型实验，得出了在机械排烟系统不开启时，烟气会通过全高安全门顶端的空隙扩散至站台公共区，阻断距火源较近的楼梯口的疏散通道。当机械排烟系统开启时，烟气向站台公共区的扩散速度得到明显控制。采用FDS火灾模拟软件建立了模型实验的物理模型，并将计算结果与实验结果进行了对比分析，验证了数值模拟计算的正确性。利用所建立的数值模拟程序，研究了安装全高安全门系统的地铁车站发生火灾时，烟气的控制模式以及全高安全门的开启对烟气控制的影响。
　　 在搭建的地铁区间隧道1：8缩尺寸比例模型实验台内，进行了油盘火实验，得出了风速对火灾发展的影响。结合列车运行时产生活塞风的理论，得出了列车在区间隧道发生火灾仍能继续向前运行的安全运行速度。对有弯道的区间隧道进行了冷态情况下流场的现场测试，得出两端车站风机的送风或排风对区间的纵向通风风速有较大的影响，应根据火灾位置不同，制定不同的通风排烟模式。并通过数值模拟的方法研究得出了弯道对烟气流动的影响。将实测数据作为火灾数值模拟的边界条件，研究得出了区间隧道发生火灾时，不同通风排烟模式对烟气流动控制的影响。
　　 本文的研究成果和结论对于地铁火灾的预防和扑救具有十分重要的意义和实用价值，并且对于地铁火灾的性能化防火设计具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 国内外地铁的发展

1.1.2 地铁车站和区间隧道的分类

1.1.3 地铁车站的通风排烟系统

1.1.4 地铁火灾事故的发生原因及特点分析

1.1.5 研究的目的及意义

1.2 研究的必要性

1.2.1 国内地铁火灾研究现状

1.2.2 国外地铁火灾研究现状

1.2.3 存在的不足

1.3 本文研究内容及创新占

1.3.1 研究的主要内容

1.3.2 本文的内容安排

1.3.3 本文的创新占

第2章 地铁火灾时的人员安全疏散

2.1 人员疏散的基本理论

2.1.1 人员安全疏散准则

2.1.2 必须安全疏散时间RSET

2.2 地铁车站火灾时的RSET分析

2.2.1 规范RSET计算方法

2.2.2 典型地铁车站RSET影响因素分析

2.3 地铁区间隧道火灾时的RSET分析

2.3.1 区间隧道火灾时的人员疏散策略

2.3.2 区间隧道人员疏散运动时间

2.4 本章小结

第3章 烟气流动理论及研究方法

3.1 烟气的生成

3.1.1 烟气羽流模型

3.1.2 烟气羽流模型的对比分析

3.2 数值计算方法

3.2.1 Reynolds时均方程的模拟方法

3.2.2 FDS程序中的模型方程

3.2.3 湍流流动的大涡模拟

3.3 比例模型实验台的搭建及其实验方法

3.3.1 地铁模型实验台搭建的设计思想

3.3.2 相似物理模型的建立

3.3.3 实验台主体结构

3.3.4 通风排烟系统

3.3.5 火源系统

3.3.6 数据采集系统

3.3.7 控制系统

3.4 本章小结

第4章 单层岛式地铁车站火灾烟气流动特性与控制策略研究

4.1 站台轨道区火灾时的烟气流动特性分析

4.1.1 物理模型的建立

4.1.2 计算条件设置及测点布置

4.1.3 计算结果分析

4.2 人员疏散路径分析

4.3 车站通风排烟系统及其运行模式

4.4 通风排烟系统冷态实验测试

4.4.1 测试方案制定及测点布置

4.4.3 测试结果分析

4.4.4 冷态情况下的数值模拟

4.5 站台轨道区火灾时的烟气流动控制模式分析

4.5.1 边界条件设置

4.5.2 火源模型的设定

4.5.3 模拟结果分析

4.6 本章小结

第5章 全高安全门地铁车站火灾烟气流动特性与控制策略研究

5.1 全高安全门地铁车站轨道区火灾时的模型实验

5.1.1 轨道区火灾时机械排烟控制烟气流动的简化分析

5.1.2 实验方案

5.1.3 自然排烟时的烟气流动特性

5.1.4 轨道区列车火灾时的人员疏散路径分析

5.1.5 机械排烟时对烟气流动的控制

5.2 比例模型火灾实验的数值模拟

5.2.1 模拟软件的选择及计算条件设置

5.2.2 模拟结果与实验结果的对比

5.3 安装全高安全门地铁车站火灾时的烟气流动控制

5.3.1 地铁车站简介

5.3.2 网格的划分及计算条件

5.3.3 安装全高安全门前后烟气的流动特性分析

5.3.4 站台中部火灾时的烟气控制模式分析

5.3.5 列车中部火灾时的烟气控制模式分析

5.3.6 列车尾部火灾时的烟气控制模式分析

5.4 本章小结

第6章 地铁区间隧道火灾烟气流动特性与控制策略研究

6.1 列车发生火灾仍能继续运行的火灾控制策略研究

6.1.1 地铁列车可燃材料及燃烧特性分析

6.1.2 风速对火灾发展的模型实验研究

6.2 列车发生火灾不能运行时的控制策略

6.2.1 区间隧道火灾时的烟气流动特性分析

6.2.2 人员疏散及烟气控制模式分析

6.2.3 区间隧道通风排烟系统的现场测试

6.2.4 通风排烟模式对区间隧道火灾烟气流动的影响

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文和科研情况

致谢