公共建筑的安全性向来是安全工程领域关注的焦点之一^[1-2]. 由于地下空间的特殊性^[3-4]，多数地铁站存在通风排烟效果较差、疏散通道数量较少且形式单一等问题^[5]. 一旦地铁站内发生火灾，产生的高温烟气极易积聚且扩散方向与人员疏散方向一致，不利于人员的逃生. 根据我国《地铁设计规范》(GB50517-2013)的要求^[6]，在高峰小时客流量发生火灾的情况下，需在6 min内将列车内的乘客、站台上的候车乘客及工作人员全部撤离站台. 传统的阻烟卷帘有着较好的阻烟防火效果，但会阻碍人员疏散，不利于人员安全逃生. 挡烟空气幕是一种新型的挡烟设施，由装置喷射出空气形成射流面，既可以有效阻止烟气蔓延，又不妨碍人员的安全疏散.

目前国内外已有一些学者开展了空气幕挡烟效果研究. 文献[7]通过结合全尺寸地铁火灾实验和数值模拟模型，研究了在不同火灾规模下地铁站扶梯口处分别采用空气幕、水幕、细水雾幕作为挡烟手段时的挡烟效果. 文献[8]通过对重庆市6号线平场车站开展全尺寸热烟实验，给出了不同火源功率下空气幕参数设计建议. 文献[9]通过小尺寸、中等尺寸模型实验结合数值模拟研究，从理论上分析推导了空气幕阻挡烟气蔓延应满足的理论关系式. 文献[10]以某地铁站为研究对象，采用数值模拟软件FDS(fire dynamics simulator)建立地铁车站三维模型，通过数值模拟得到不同时刻的温度分布、速度矢量分布、能见度分布情况. 文献[11]利用数值模拟软件FDS建立了一个2层建筑模型，对2.5 MW木头火灾进行模拟，得出了空气幕的最佳送风速度和送风角度. 文献[12]研究了自由空气射流区域内的速度分布和空气幕阻止两侧区域的能量交换的作用.

上述研究多是以某地区地铁站为原型，研究单火源条件下空气幕的挡烟效果，而对多火源情形的研究较少. 因此，本文以广州地铁3号线沥滘地铁站为例，通过数值模拟对多火源条件下不同空气幕设计参数（包括射流风速、射流角度、射流厚度）的挡烟效果进行研究. 通过分析最佳疏散时间内（6 min内）特征位置的温度变化规律、能见度变化规律，从而确定空气幕合理的设计参数范围. 本文的研究结果对空气幕在广州地铁站中的推广应用有一定参考价值.

1 基本原理 1.1 数值模拟基本方程

FDS火灾动力学数值模拟软件由美国国家标准技术研究所(NIST)研发而来. FDS通过大涡模型对连续方程、动量方程、能量方程以及压力收敛方程进行求解^[13-14]，从而得到火灾中的温度、压力、气体成分等状态参数的空间分布情况^[15]. 当前数值模拟只适用于马赫数相对小的范围之内^[16].

火灾发展的过程常用热释放速率、增长速率等参数来描述，在模拟地铁站火灾场景时需要根据实际来确定火源功率等参数. 热释放速率( $\dot Q$ )是用于表达火灾发展与危害的主要参数，通常研究以t²模型为初始阶段增长火，随着时间的推移火源发展为稳定功率的燃烧^[15].

$\dot Q = \alpha {(t - {t_0})^2},$

(1)

式(1)中， $\alpha $ 为热源增长速率(kW/s)，t为火灾热源燃烧时间，t₀为火灾起始时间（为研究方便，通常设该参数为零），则热释放速率( $\dot Q$ )求解公式可简化为

$\dot Q = \alpha {t^2}。$

(2)

火灾烟气作为一种特殊的流体，其流动遵循流体力学的基本控制方程：连续方程、动量守恒方程和能量方程^[17-18]. 其中，运动流体力学中对于单一气体物质的质量守恒方程为

$\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho {X_\alpha }} \right) + \nabla (\rho {X_\alpha }u) = \nabla (\rho {D_\alpha }\nabla {X_\alpha }) + \dot m_\alpha ^{'''} + \dot m_{b,\alpha }^{'''}.$

(3)

式(3)中， ${\dot m_a}^{'''} = {\sum _a}\dot m_{b,\alpha }^{'''}$ 为通过蒸发液滴或者微粒物质的生产速度； $ X_\alpha $ 为某一气相物质的质量分数.

动量守恒方程：

$\frac{\partial }{{\partial t}}(\rho {h_s}) + \nabla (\rho {h_s}u) = \frac{{D\overline p }}{{Dt}} + {\dot q^{'''}} - {\dot q_b}^{'''} - \nabla {\dot q^{''}}.$

(4)

式(4)中， ${\dot q^{'''}}$ 为化学反应中单位体积的热释放率； ${\dot q_b}^{'''}$ 为转移到亚网格尺度液滴和颗粒的能量； ${\dot q^{''}}$ 代表传递、扩散热辐射通量.

能量守恒方程：

$\frac{{\partial (\rho T)}}{{\partial t}} + \nabla .\rho {h_s}u = \frac{{\partial p}}{{\partial t}} - \nabla .{q_r} + \nabla .k\nabla T + \sum\nolimits_i {\nabla .ht\rho {D_i}\nabla {Y_i}} .$

(5)

式(5)中，h为焓， ${q_r}$ 为热辐射通量，T为温度.

1.2 相关的安全规范要求

为了对不同条件下空气幕的挡烟效果进行评价，本文需要引入一些定量的相关参数. 下面列举了相关安全规范中所规定的一些定量参数，以便于在下文中对挡烟效果进行分析.

1.2.1 能见度

根据《地铁设计规范》(GB50517-2013)的规定^[6]：地铁站内的可接受的能见度标准定为10 m，以保证地铁站内人员在人员通道中至少可以发现一个疏散标志.

1.2.2 温度

在火灾环境中，高温对人员伤害主要有3种方式：热量导致体温过高、身体的表面灼烧和呼吸器官的灼烧. 美国NFPA130(Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail System)中关于人员对温度的忍受极限有如下规定：人员逃生路线上的最高温度不得高于60 ℃，将60 ℃定为耐受时间内（360 s内）人员可承受的极限温度.

1.2.3 有毒气体浓度

火灾燃烧由于可燃物复杂，数量众多，而且还会存在中间体的相互反应，有毒有害成分也很难进行定量分析. 在工程中，常用可见距离代表有毒物质的浓度，认为可见度大于10 m时，人员处于安全状态^[6].

2 数值模拟模型介绍 2.1 数值模拟模型的构造

图1(a)为本文通过FDS软件搭建的沥滘地铁站模拟计算模型全貌. 此数值模拟模型根据实地测定的尺寸1∶1建模而来，空气幕的设置参考了相关的标准^[19-20]. 模型为地下2层建筑，其尺寸为：106 m（长）×15.5 m（宽）×7.2 m（高）.

该地铁站仅设置有一个开放的上下扶梯口，是被隔墙封闭的半包围区域，扶梯入口上方有一与扶梯口等宽，向下凸出的挡烟垂壁，挡烟空气幕被设置在挡烟垂壁后方，与挡烟垂壁平齐. 如图1(b)所示.

2.2 网格设置

FDS的最小计算单位是一个网格，FDS能计算出每一个网格内的温度、压力、速度等. 在实践中，使用过于细密的网格会耗费大量的计算时间. 因此，网格的划分只能在模型计算结果的准确性和计算机的性能之间取得平衡.

数值模拟模型尺寸为：长106 m（i方向）×宽15.5 m（k方向）×高7.2 m（j方向），此次模拟计算中本文采用的网格大小为0.25 m，即0.25 m（长）×0.25 m（宽）×0.25 m（高），网格示意图如图2所示.

为了验证网格划分(0.25 m×0.25 m×0.25 m)的合理性，这里计算了单火源的情况下，顶棚下方的温度衰减，并使用更小的网格(0.1 m×0.1 m×0.1 m)进行相同的数值模拟计算. 同时，数值模拟计算的结果与Alpert^[21]通过实际实验得出的顶棚下方温度分布公式进行对比，以验证模拟计算的可靠性. Alpert^[21]提出的顶棚下方温度衰减公式为

$\Delta {T_m}(H) = {C_1}\frac{{{{\dot Q}^{2/3}}}}{{{H^{5/3}}}}r/H > 0.18,$

(6a)

$\Delta T(r,H) = {C_2}\frac{{{{(\dot Q/r)}^{2/3}}}}{H}r/H > 0.18,$

(6b)

其中： $\dot Q$ 为火源的热释放速率(kW)； $\Delta {T_m}$ 为顶棚下方的最高温升(K)； $\Delta T$ 为离开羽流轴线径向距离(r)处顶棚下方的温升(K)；H为火源与顶棚之间的高度(m)；r为离羽流轴线的径向距离(m)；C₁、C₂为常数.

从图3可以看出，网格大小0.1 m下模拟得到的顶棚温度数据相比于网格大小0.25 m下的略大，但是两者趋势一致，而且相差不大. 相比Alpert^[21]提出的温度分布公式，通过模拟计得出的顶棚温度数据偏大，但趋势与Alpert提出的公式基本吻合. 因此可以说明，本文使用的网格划分是相对合理的，且由此模拟计算得出的结果较为可信.

2.3 数值模拟参数设置

基于上述模型，经实地考察和文献查阅后，将初始条件设置为环境温度20 ℃，气压为101.325 kPa，3个火源的设置情况如图4所示，每个火源的功率设置为240 kW. 因站内的建筑、装饰材料基本为阻燃材料，此处不考虑除火源外其他物体被点燃的情况，即无轰燃现象. 具体参数设置如表1所示.

空气幕的参数主要包括射流速率、射流角度与射流厚度. 空气幕的参数设置如表2所示. 为了观察空气幕的挡烟效果，本文选取模型沿i方向的纵向截面为观察面，如图4所示. 同时，在取空气幕后方1.5 m平面的横向截面为观察面，如图5所示. 此外，在空气幕后1.5 m，距离水平地面2 m处设置一特征点为温度观察点，如图6所示，用于观察数值模拟中烟气蔓延过程的温度变化.

3 数值模拟结果与分析 3.1 射流速率对挡烟效果的影响

在该组模拟中，射流厚度、射流角度分别固定为0.3 m和0°不变，将空气幕射流速率V先后调整为0 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s，观察360 s时刻的烟气蔓延情况与扶梯口的能见度情况，并观察360 s内特征点的温度变化情况.

如图7所示，未开启空气幕时(V=0)，有大量烟气蔓延至上层的站厅中，而开启空气幕后(V≥2)能够明显阻挡烟气向上层蔓延，但烟气在积累到一定量后仍可突破空气幕. 随着射流速率的继续增大，进入上层的烟气量虽有减少，但减少量并不明显. 其原因应为两扶梯间存在凹槽，气流向下喷射后在此处出现部分紊流，成为烟气蔓延的突破口.

如图8所示，未开启空气幕时(V=0)，扶梯口处的能见度仅有约3.5 m. 开启空气幕(V=2)后能见度得到了大幅提高，有少量烟气在低矮处集散. 但仍未满足能见度大于10.0 m的安全疏散要求. 随着射流速率的进一步增大，扶梯口处的能见度进一步增大，当V=4 m/s时能见度约在15.5 m以上，已可满足安全疏散的要求，继续增大射流速率，能见度已逐渐接近正常状态下的可视距离.

由图9的特征点温度变化曲线可知，未开启空气幕时(V=0)，烟气约在100 s时到达扶梯口. 当V=2 m/s时，烟气到达的时间延迟至160 s，相比空气幕未开启状态下，烟气到达后的温度波动更大. 这说明了V=2 m/s时，空气幕对烟气的阻挡效果较有限，仍有一定量的热烟气突破了空气幕，造成特征点的温度波动较大. 当V≥3 m/s时，各条温度变化曲线几乎重合，360 s内温度升高不足2 ℃，说明绝大部分烟气已经被空气幕隔绝.

现行通用的空气幕技术标准规定的名义出口风速为4~9 m/s^[19]，综合经济性和有效性的考虑，建议该地铁站空气幕射流速率适宜的参数范围为4~5 m/s.

3.2 射流厚度对挡烟效果的影响

在该组模拟中，射流速率、角度分别固定为3 m/s和0°不变，将空气幕射流厚度B先后调整为0 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m，观察360 s时刻的烟气蔓延情况与扶梯口的能见度情况，并观察360 s内特征点的温度变化情况.

如图10所示，空气幕的设置明显阻挡了烟气蔓延，当射流厚度B=0.1~0.3 m时，烟气的蔓延情况相似，在最佳疏散时间内（360 s内）均可将大部分烟气控制在底层，蔓延至上层的烟气明显较少. 而当射流厚度继续增大，在B=0.4 m时则几乎可将所有烟气控制在下层；由图11可知，B=0.1~0.3 m时，各工况间能见度差异并不大，楼梯口处的能见度均大于10 m，已可符合安全疏散要求. 而当B=0.4 m时，楼梯口处能见度基本与无烟气状态下无异.

如图12所示，特征点处的温度变化情况与上述的烟气蔓延情况相符. 相比于未开启空气幕时(B=0)，空气幕开启后(B>0)，特征点的温度下降明显，说明大部的烟气已被空气幕阻隔.B=0.1~0.3 m时，各工况的特征温度曲线几乎重合，说明各工况对烟气的阻隔效果相近. 而B=0.4 m时特征点的温度曲线接近水平，说明特征点几乎未受到烟气的影响. 当前市面上常用的空气幕喷口宽度约为0.2~0.3 m^[19]. 故综合考虑后，建议射流厚度的适宜范围为0.2~0.3 m.

3.3 射流角度对挡烟效果的影响

在该组模拟中，射流厚度、射流速率分别固定为0.3 m与4 m/s，改变空气幕射流方向与法线的夹角a，先后调整为0°、15°、30°、45°、60°，观察360 s时刻的烟气蔓延情况与扶梯口的能见度情况，并观察360 s内特征点的温度变化情况.

如图13、图14所示，a=0°、a=15°时，挡烟空气幕表现出良好的挡烟效果. 两者在360 s时的能见度均可符合安全疏散要求. 当射流角度进一步增大，在a≥30°时，烟气开始大量向上层扩散，360 s时扶梯口的能见度均在10 m以下.

图15特征点的温度变化曲线进一步确认了上述结论，当a≥30°时，空气幕未能对烟气进行有效阻挡，特征点的温度上升幅度已与未设置空气幕时无明显差别. 而a=0°、a=15°时，大部分烟气被空气幕阻隔，特征点的温度未出现大幅升高. 其中a=0°时，特征点的温度变化曲线接近水平，说明此时特征点几乎未受烟气的影响. 综合考虑，建议空气幕射流角度的适宜参数范围为0°~15°.

4 结论

本文以广州地铁3号线的沥滘地铁站为研究对象，利用火灾动力学软件FDS模拟分析了多火源存在情况下的空气幕挡烟有效性，并探讨了空气幕相关运行参数的适宜范围. 主要结论如下：

(1) 被阻隔的烟气会在空气幕前方积聚，积累至一定量后会突破空气幕向上层站厅继续蔓延.

(2) 在适宜的特征参数下，空气幕能在一定时间内有效阻挡烟气自站台向上层站厅蔓延.

(3) 空气幕特征参数并非越大越好，建议设置范围分别为：射流速率V=4~5 m/s，射流厚度B=0.2~0.3 m，射流角度a=0°~15°.