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J. Ji a,b , W. Zhong d , K.Y. Li a,c,uArr; , X.B. Shen a , Y. Zhang a , R. Huo a

^一a中国科学技术大学消防科学国家重点实验室，合肥230026

b中国建筑安全与建筑环境国家重点实验室，北京100013

c中国坎特伯雷大学土木与自然资源工程系，新西兰克赖斯特彻奇8140

d化工学院，郑州郑州大学，邮编：450001

文章历史

为评价地铁车站内烟气对顶棚的影响，对顶棚下的最高烟气温度进行了理论和实验研究，并进行了两组小型试验。结果表明，地铁车站顶棚下的最高烟温符合Alpert方程，即火灾远离站台墙，而靠近端墙的火灾导致顶棚下的最高烟温随火灾距离的增加呈指数衰减墙。除Alpert方程外，还考虑了端壁效应，建立了确定最大烟温的关联式。因此，建立了一种包含Alpert方程和关联式的简化计算方法。该方法适用于地铁车站实际消防工程设计。

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关键词

地铁 车站 天花板喷射器 温度 火 烟雾

第一章 介绍

近几十年来，发生了灾难性的地铁站火灾，如1987年的伦敦国王十字火灾（Drysdale等人，1992年）、1995年的阿塞拜疆巴库火灾（Nelson和Log，2009年）和2003年的韩国大邱火灾（Park，2004年）。许多研究人员对地铁站火灾进行了研究（Beard and Carvel，2005；Bari and Naser，2005；Colell et al.，2009；Hu et al.，2005，2006；Hwang and Edwards，2005；Chow and Li，2001），由于公共交通连接线中的人员密度，地铁站火灾可能比隧道火灾更严重。地铁站的火灾也可能造成建筑损坏，随之而来的是高昂的修复费用和地铁业务的长期中断。在火灾过程中，地铁车站的建设要么会受到诱导的热烟的破坏，要么受到火焰的撞击，要么两者兼而有之。一旦钢筋暴露在火焰和热烟中，混凝土中钢筋的强度就会降低，最终导致天花板下沉或倒塌（Leitner，2001）。除了结构问题外，安装在地铁站的洒水装置很可能被沿着天花板移动的烟雾所激活。因此，这是在实践中为了提高地铁车站的安全水平，对吊顶下的最高烟温进行研究是非常有价值的。

Alpert（1975）已经开发了一组方程来预测天花板下的温度分布，其中火灾和隔间墙壁之间的距离大于天花板高度的1.8倍。在这种情况下，如果烟羽没有浸入天花板下的烟雾中，则称为天花板射流。然而，根据广泛的调查，一个典型的地铁车站由于其长宽比（宽高比）不符合Alpert方程的要求。当火灾相对靠近墙壁时，应进一步验证Alpert方程。Yu和Faeth（1979）发现，与具有无侧限天花板射流的Alpert情况相比，当烟羽浸入烟层时，从烟流到天花板的热损失大约增加了35%。基于Yu和Faeth的结果，Evans（1985）、Cooper（1984）、Zukoski和Kubota（1975）也使用两区模型研究了天花板射流的最高温度。然而，由于纵向尺寸过大，无法形成均匀的烟层，该模型不适用于地铁车站。Kuroki（Hitoshi et al.，2003）预测了有纵向风的小规模隧道中天花板下的最高温度。Hu（2006）通过一组两端开口的实际隧道火灾实验证明了该模型的正确性。由于隧道与地铁车站不同，地铁车站通常在末端封闭，没有纵向风，并且地铁车站的长宽比相对大于隧道，因此无法直接将黑冈模型应用于地铁车站。

为了建立确定天花板下最高温度的经验公式，本研究进行了两组缩尺实验。实验结果与Alpert方程计算值进行了比较。因此，研究了侧壁和端壁的影响。在以下部分中，“侧壁”指纵向的壁，即长侧，而“端壁”指横向的壁，即短侧。

第二章 理论

2.1所用材料及其特性

Alpert（1975）提出了天花板下最大烟温的表达式，没有由于边界而产生任何烟积聚。只有当火灾到任何垂直墙的距离不小于天花板高度的1.8倍时，才能使用阿尔伯特方程（阿尔伯特，1975），即：

式中，Tmax和Ta分别为天花板下的最高烟温和环境温度（K）。Qi——总放热率（kW）。H是燃烧面到天花板的距离（m）。^_

在中国最大的两个城市上海和深圳的19个地铁站进行了一项调查，以得出一个合适的比例模型（钟，2007）。据统计，车站宽度范围在10～14m之间，高度在4.0～4.8m之间，站台长度小于100m，地铁车站的长宽比远大于普通建筑。同时，一旦火灾位于平台中心，火灾与墙壁之间的最小距离被认为是预期的最大最小距离。但在所有情况下，从火灾到天花板的距离仍小于1.8倍。因此，需要通过实验验证Alpert方程的可行性。

命名法

C_T: 常数

C_Pinfin;：新风比热(J/(kg K))

f（d，Q,H）：烟气回流引起的温升增加(K)

g：重力加速度(m/s² )

H: 燃烧面到天花板的距离(m)

Q: 总放热率(kW)

Q_1.1: 无因次放热率

Delta;T_d：天花板下最大温升（K）

Delta;Tinfin;：不受端壁影响的最大温升（K）

Tinfin;：环境温度（K）

T_a：环境温度（K）

T_max：最高烟温（K）

Z_l.1: 火源与烟层界面距离（m）

希腊字母：

beta;：系数

xi;：上层烟温与环境温度之比

rho;infin;：新风密度（kg/m3）

地铁车站的烟气流动规律与普通建筑有很大的不同。通常，当火灾远离端墙时，地铁车站内的烟气扩散过程根据烟气流动规律可分为四个阶段。如图1所示，在第一阶段，烟羽上升，直到它碰到天花板。在第二阶段，天花板射流径向扩散，直到它到达侧壁。第三阶段是天花板射流由径向扩散向水平扩散的过渡，即一维烟流。然后，烟气扩散过程进入第四阶段，在该阶段中，地铁站内形成一个充分发展的一维烟气流并水平流动。

烟雾沿垂直壁向下移动，一旦击中侧壁和端壁，形成反浮壁射流，如第3阶段所示。然后一部分烟雾流回起火地点。如果火灾与端墙之间的距离足够长，则假定天花板下的最高烟温仅受纵向侧墙的影响。不幸的是，这并不是地铁站火灾的全部，在火灾中，端墙可能对热烟（天花板喷射）产生重大影响。如图2所示，一旦火势靠近端壁，由于侧壁和端壁都会引起回流，从而导致烟羽顶部浸没在烟雾层中。Evans（1985）利用区域模型分析了烟羽浸入烟层时的传热，并建议将热释放速率和烟层高度重新定义为：

如等式所示。（2） –（5）平均温度和深度烟层厚度成为决定最大值的主要因素。天花板下的烟温，因为热释放速率当羽流浸没在烟雾层中时，它被改变了。作为平均温度和深度增加，最大烟度增加天花板下的温度升高。然而，埃文斯模型与天花板下的最高烟温无关火灾与墙体之间的距离对烟气层的平均温度和深度有很大的影响

阶段1 阶段2 ble 1 – Elemental analys阶段i阶段s of starch in mass.

阶段3 阶段4

图1.地铁站烟气扩散的过程。

图2.烟幕喷口被端墙堵塞的示意图

顶棚下的最高烟温受端墙烟气回流的影响，因为烟羽上部含有比新鲜空气更多的热烟。预计随着火灾和端墙之间距离的增加，由于回流减少和新鲜空气夹带增加，天花板下的最高烟温将降低。因此，在没有端墙影响的情况下，端墙的影响预计是一个增量，随着火灾远离墙本身而减小。因此，在这种情况下，天花板下的最大温升可假定为：

式中，DTd表示从火灾到端墙（K）的距离为d的天花板下的最大温升，DTd表示不受端墙（K）影响的最大温升。feth;d；Q；HTHORN;是一个函数，表示烟气回流引起的温升增量。当d足够大时，feth;d；Q；HTHORN;被推断为零，这应该通过实验来证明。因此，DTd应随着d或H的减小或增加而增加。

第三章 实验

实验装置如图3所示。NFPA 92B（2000）建议的比例为1:8。钻机长7.5米，宽1.5米，高0.6米。其长宽比是在上述调查的基础上确定的，被认为是地铁车站的一般代表。采用弗劳德模型建立物理尺度模型。流体动力学变量之间的量纲关系由Morgan等人（1978）根据第一性原理推导而来，NFPA 92B（2000）中也有提及。通过保持弗劳德数不变，可以简化关系，得到所需的标度律。在本研究中，标度律变为Q/L5、m/ul5、V/L5、u/l1和T/L0。由于弗劳德模型的标度律不适用于传导和辐射传热过程，因此实际上假设本研究工作中的传热机制主要是对流的。^__c级^=2=2_=2=2

28个热电偶（K型，0.05 mm），水平间距为0.25 cm，安装在天花板下方1 cm处，以避免传导损失。进行了两个系列的实验。在实验系列1中，池火位于实验装置的中间，两端打开，如图3a所示。该系列是根据Alpert的实验设置的，从火到侧壁的距离小于天花板高度的1.8倍。另一方面，实验系列2模拟了火灾靠近左端墙的场景，如图3b所示。根据澳大利亚热烟实验标准（1999）中甲醇火灾的标准曲线计算热释放率。燃料表面位于天花板下0.54米处。

在系列1中使用了七种热释放速率，而在实验系列2中使用了四种。系列1中的火灾位于实验台的纵向中心线。实验装置如表1所示，每个实验重复三次。

在实验系列2中，池火位于六个位置。如果火的位置离端墙很近，火焰可以直接附着在墙上，那么天花板下的最高烟温会受到很大影响，这实际上超出了本研究的范围。因此，为了避免附着，从火到端墙的最小距离限制为0.25 m

表1

系列1的实验装置。

表2中列出了系列2。每个实验也至少重复了三次。

表2

系列2的实验装置。

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