劉蘇敏

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師)

在城市軌道交通地下車站最為常見(jiàn)的格柵吊頂上方常常布置了通信及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的許多線路及風(fēng)管等設(shè)施。一旦發(fā)生火災(zāi)，熱煙氣對(duì)這些設(shè)施工作性能的影響不可忽視。

目前，站臺(tái)公共區(qū)域設(shè)置的火災(zāi)探測(cè)器多為感煙型。文獻(xiàn)[1-2]就點(diǎn)型感煙探測(cè)器在地鐵車站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[3]研究了實(shí)吊頂及不同鏤空率吊頂對(duì)煙氣層沉降和溫度分布的影響。文獻(xiàn)[4]研究了地鐵車站格柵吊頂對(duì)探測(cè)器響應(yīng)性能的影響。文獻(xiàn)[5]研究懸空式格柵吊頂場(chǎng)所感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]分析了地鐵站臺(tái)點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器的火災(zāi)響應(yīng)性能。

本文采用數(shù)值模擬方法，在地鐵站臺(tái)公共區(qū)模擬研究不同格柵鏤空率、格柵方向、格柵間隙條件下對(duì)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的影響，為格柵吊頂以及感煙型火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)值模擬方法

本文采用FDS(火災(zāi)場(chǎng)模擬)軟件模擬燃燒時(shí)的煙氣流動(dòng)過(guò)程和傳熱過(guò)程，重構(gòu)火災(zāi)場(chǎng)景，并使結(jié)果可視化。

1.2 試驗(yàn)的模擬空間模型

根據(jù)某地下車站的站臺(tái)公共區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)置模擬區(qū)域長(zhǎng)8.0 m、寬8.0 m、高4.5 m，格柵吊頂至站臺(tái)地板的距離為3.0 m，格柵吊頂至站臺(tái)頂棚的距離為1.5 m。站臺(tái)層區(qū)域頂部全設(shè)置為鏤空格柵吊頂。

模擬空間模型如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，點(diǎn)型感煙探測(cè)器貼頂安裝在站臺(tái)頂棚(A系列)和格柵吊頂下部(B系列)，且A系列與B系列探測(cè)器的安裝位置上下對(duì)應(yīng)。在探測(cè)器A0、B0正下方設(shè)置功率為236 kW/m2的40 cm×40 cm聚氨酯火源[7-8]。

圖1 模擬空間模型示意圖

1.3 模擬工況

模擬時(shí)長(zhǎng)均為100 s。根據(jù)不同鏤空率、不同格柵間隙及不同格柵寬度設(shè)置6個(gè)模擬工況，如表1所示。

表1 模擬工況

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

不同工況下的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間如表2所示。

表2 不同工況下的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間

2.1 格柵對(duì)煙氣上升過(guò)程的影響

格柵間隙為2 cm時(shí)，不同鏤空率下頂棚處的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同鏤空率下頂棚位置探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間曲線

14%鏤空率下頂棚與格柵處的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 頂棚與格柵位置探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間曲線(鏤空率14%、格柵間隙2 cm)

由表2可見(jiàn)：A系列探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，在鏤空率為14%(工況1及工況2)時(shí)最長(zhǎng)，在其他鏤空率工況下較短；在工況1中，tA明顯要小于tB；在工況3、工況4、工況5及工況6中，平行于格柵方向的B11和B12探測(cè)器未在模擬時(shí)間內(nèi)發(fā)出報(bào)警。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鏤空率為14%時(shí)，在非火源正上方，格柵處的B21探測(cè)器最先報(bào)警；當(dāng)鏤空率為50%時(shí)，在非火源正上方，頂棚處的A21探測(cè)器最先報(bào)警，而平行格柵方向的B11和B12探測(cè)器甚至不報(bào)警。這表明，在格柵距離頂棚位置相同的條件下，鏤空率的大小對(duì)煙氣上升至頂棚處有明顯影響，小鏤空率格柵對(duì)煙氣的上升有明顯遮擋效果，會(huì)直接影響各處探測(cè)器的報(bào)警時(shí)間。

2.2 格柵間隙對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響

由表2可以看出，當(dāng)鏤空率相同時(shí)，2 cm和5 cm格柵間隙的相同位置探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間差別不大。因此，在本試驗(yàn)中，格柵間隙大小對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間影響不大。

2.3 格柵方向?qū)煔鈹U(kuò)散的影響

為了便于觀察格柵方向?qū)煔鈹U(kuò)散的影響，選擇格柵間隙2 cm、鏤空率相差較大的14%和50%比較觀察。鏤空率為14%、50%時(shí)，平行格柵間隙方向和垂直格柵間隙方向的煙氣濃度對(duì)比如圖4。

圖4 煙氣沿不同方向擴(kuò)散對(duì)比圖

由圖4可以看出：當(dāng)模擬時(shí)長(zhǎng)相同時(shí)，無(wú)論是頂棚還是格柵下方，垂直格柵間隙方向的煙氣擴(kuò)散距離更長(zhǎng)，而平行格柵間隙方向的煙氣擴(kuò)散距離較短；鏤空率越小，沿不同方向的煙氣擴(kuò)散距離差距就越明顯。

格柵間隙2 cm以及不同鏤空率下，沿不同格柵方向的B系列探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間模擬結(jié)果如表3所示。

表3 不同格柵方向的B系列探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間表

由表3可以看出：當(dāng)鏤空率為14%時(shí)，平行格柵間隙方向安裝的格柵處探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間明顯長(zhǎng)于垂直格柵間隙方向安裝的探測(cè)器；當(dāng)鏤空率為33%及50%時(shí)，平行格柵間隙方向安裝的探測(cè)器甚至沒(méi)有做出響應(yīng)。這表明，在格柵下方處，煙氣沿著垂直格柵間隙方向更容易擴(kuò)散。

格柵間隙2 cm以及不同鏤空率下，沿不同格柵方向的A系列探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間模擬結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，與火源水平距離相同時(shí)，垂直于格柵間隙方向的探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間也要明顯小于平行于格柵間隙方向探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間。

表4 頂棚位置探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間表

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了地鐵站臺(tái)層在不同格柵方向、不同格柵鏤空率下的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間，并模擬了煙氣擴(kuò)散過(guò)程，得到如下結(jié)論：

1) 當(dāng)鏤空率為14%時(shí)，格柵對(duì)煙氣上升過(guò)程的阻隔作用較為明顯，格柵位置探測(cè)器比頂棚位置探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間要短；而鏤空率為33%和50%時(shí)，格柵對(duì)煙氣的阻隔作用較小，格柵位置探測(cè)器比頂棚位置探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)，部分格柵位置的探測(cè)器甚至在計(jì)算時(shí)間內(nèi)未能響應(yīng)。

2) 與沿平行格柵方向相比，煙氣更易沿著垂直格柵的方向擴(kuò)散，且格柵鏤空率越小，現(xiàn)象越明顯；對(duì)于格柵下方的探測(cè)器，垂直格柵方向比平行格柵方向的響應(yīng)時(shí)間明顯要短；而對(duì)于頂棚處探測(cè)器，垂直格柵方向比平行格柵方向的響應(yīng)時(shí)間要短。

3) 在鏤空率相同時(shí)，2 cm與5 cm格柵間隙的相同位置探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明顯差距。

根據(jù)上述結(jié)論，格柵吊頂?shù)溺U空率及格柵方向?qū)煔鈹U(kuò)散都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。因此，建議在地鐵站臺(tái)、站廳層中有格柵吊頂?shù)膮^(qū)域安裝點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器或者其它感煙型火災(zāi)探測(cè)器時(shí)，需結(jié)合格柵鏤空率、平行與垂直格柵間隔的方向上煙氣的擴(kuò)散速度，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，安裝適量探測(cè)器。必要時(shí)可將探測(cè)器同時(shí)設(shè)置在吊頂上方和下方，也可通過(guò)實(shí)體試驗(yàn)來(lái)確定具體安裝位置，以提高感煙火災(zāi)探測(cè)器的探測(cè)效果。