Safety Science 80 (2015) 94–104
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Safety Science
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How domes improve fire safety in subway stations
Ran Gao uArr;, Angui Li, Ying Zhang, Na Luo
School of Environmental and Municipal Engineering, Xi#39;an University of Architecture and Technology, Xi#39;an, Shaanxi 710055, PR China
article info
abstract
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Received 26 May 2014
Received in revised form 8 June 2015
Accepted 19 July 2015
Available online 3 August 2015
Keywords:
Fire safety Subway station Dome Ventilation Natural filling
A dome is an architectural structure shaped like the hollow upper half of a sphere. Domes are widely used in subway stations to reduce the sense of oppression felt by people in underground spaces. This paper presents an analysis of the effect of domes on fire-induced smoke control in subway stations. The computational fluid dynamics method of large eddy simulation was used in the analysis. Four different grid systems were compared, and a sensitivity analysis of the model constants was performed. Different values of the Schmidt number and Prandtl number were tested, and values of 0.3 and 0.4, respectively, were adopted. The confluence, storage, and suppression effects of domes on fire-induced smoke were analyzed.
The preliminary results obtained suggest that the carbon monoxide (CO) concentration in the hall of a subway station is significant lower when the fire source is located under the dome. For a subway station without a dome, there is a linear relationship between the average CO concentration and the distance from the coordinate origin. The correlation coefficient (R) for this linear relationship is 0.9957. For a subway station with a dome, there is a first-order exponential decay relationship between the average CO concentration and the distance from the coordinate origin, and the R of this relationship is 0.9988.
^ 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.
- Introduction
A dome is an architectural structure shaped like the hollow upper half of a sphere. Domes have a very long history, the first one having been built for the Pantheon in Rome (Lin and Zmeureanu, 2008). A dome is used to provide a light environment similar to that of the natural environment while offering protection from adverse conditions (heat, moisture, and wind) of the natural environment (Lin and Zmeureanu, 2008; Faghih and Bahadori, 2011). The space within a dome provides people with a sense of freedom and openness like that experienced in nature. In underground building design, especially for buildings such as subway stations with large amounts of human traffic, domes are widely used to reduce the sense of oppression people feel in such enclosed spaces, by improving lighting and offering visual beauty. For these reasons, domes are very common features of underground subway station. Well-known examples of domes in subway stations are those in the Shibuya subway station in Japan, the Birmingham New Street Station in Britain, the Jeddah metro station in Saudi Arabia, and the Mayan Khodorkovsky station in Moscow.
From the perspective of fire safety engineering, domes can be considered large, empty upward spaces. Many studies have been conducted on the role of this type of space in fire safety. Qin
uArr; Corresponding author. Tel.: 86 13629284215; fax: 86 29 82205958. E-mail address: gaoran@xauat.edu.cn (R. Gao).
http://dx.doi.org/10.1016/j.ssci.2015.07.015
0925-7535/^ 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.
et al. (2009) investigated smoke movement in an atrium in a fire scenario using a fire dynamics simulator code (Shanjun et al., 2011). Wang and Zhao (2013) carried out cold smoke testing using pure helium to create a smoke plume and studied smoke transport in a large building space. Mo et al. (2011) investigate atrium smoke exhaust design using a fire dynamics simulator analysis of the effect of a large upward space on smoke transport (Qin et al., 2009). In all of these previous studies, large, empty upward spaces were found to benefit fire safety by providing a space for containment of fire-induced smoke. Domes represent this type of space. However, the extent and degree of the effect of domes on smoke transport should be examined further.
Many studies have been carried out to examine methods of smoke control in the event of a subway station fire. Park et al. (2006) used computational fluid dynamics (CFD) to predict smoke transport in a subway station. Both experimental and CFD methods were used by Rie et al. (2006) to study smoke control strategies in the event of a subway station fire. In these studies, the physical models of the subway stations included domes. However, the effect of atriums on smoke control was not studied in detail.
Natural smoke filling, with no ventilation, has been studied by many researchers, as a good approach to studying the lsquo;lsquo;pure#39;#39; effect of a building structure on smoke transport. Li et al. (2011), for example, inv
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译文
穹顶如何改善地铁的消防安全
1.介绍
圆顶是一种形状像球体的中空上半部分的建筑结构。圆顶历史悠久，第一个为罗马的万神殿建造（林和 Zmeureanu，2008年）。圆顶用于提供类似于自然环境的光环境，同时提供对自然环境的不利条件（热，湿气和风）的保护。圆顶内的空间为人们提供了自然体验中的自由和开放感。在地下建筑设计中，尤其是对于具有大量人流量的地铁站等建筑物而言，圆顶被广泛用于通过改善照明和提供视觉美感来减少人们在这样的封闭空间中感受到的压迫感。由于这些原因，穹顶是地下地铁站的常见特征。众所周知的地铁站穹顶的例子有日本涩谷地铁站，英国伯明翰新街站，沙特阿拉伯吉达地铁站和莫斯科玛雅霍多尔科夫斯基站。
从消防安全工程的角度来看，穹顶可以被认为是大而空的向上空间。已经对这种类型的空间在消防安全中的作用进行了许多研究。使用火灾动力学模拟器代码调查火灾场景中的中庭烟雾运动。王和使用纯氦进行冷烟测试以产生烟羽并研究大型建筑空间中的烟雾输送。使用火灾动力学模拟器分析大型向上空间对烟雾传输的影响，研究中庭烟雾排放设计在所有这些先前的研究中，通过提供容纳火灾烟雾的空间，发现大的空的向上空间有利于消防安全。圆顶代表这种类型的空间。但是，应进一步研究穹顶对烟雾运输的影响程度和程度。
已经进行了许多研究来检查地铁站发生火灾时的烟雾控制方法。Park先生使用计算流体动力学（CFD）来预测地铁站的烟雾输送。在地铁站发生火灾时研究烟雾控制策略。在这些研究中，地铁站的物理模型包括圆顶。然而，没有详细研究中庭对烟雾控制的影响。
许多研究人员已经研究了没有通风的自然烟雾填充，作为研究建筑结构对烟雾运输的“纯粹”效应的一种好方法。例如，研究了各种建筑空间下的自然烟雾填充，并开发了烟雾层的数学模型。在一个大小为24m* 12m* 27m的中庭中实验研究了天然烟雾填充。
对一个立方中庭的自然烟雾填充进行了一系列实验，以确定发生火灾时烟层的高度。然而，尽管对中庭自然烟雾填充的研究很常见，但在文献中很少有人提到在有穹顶的地铁站进行自然烟雾填充的研究。
我们的研究团队已经研究了几年地铁站的消防安全。在之前的研究中，我们研究了烟雾在各种情况下的传播以及通过混合通风控制烟雾在本研究中，进行了大涡模拟（LES）研究火灾引起的浮力驱动的烟雾在地铁站的分散。首先研究了心房与连接到心房的建筑构件之间的烟雾分散。这项研究的结果为地铁站各种火源位置的烟雾控制提供了新的视角，并揭示了一个中庭如何降低火灾时乘员窒息的风险。
2.物理模型
为了研究穹顶对烟雾运输的影响，考虑了在西安建造的典型地铁站。高6米，直径24米的圆顶位于车站中间。地下地铁站有两层。第一个和第二个通道是交叉和矩形的形状，第一个楼层长105米，宽42米，高4米。第二层楼长105米，宽24米，高4米。两个楼梯，长18.5米，宽7米，连接两个。四层出口，长6米，高4米，位于一楼的四个角落。地铁站有两条车道，宽4.5米，位于第二层楼的东西方向。
由于车站的位置和城市的人口基础，这个地铁站的客流量一直很高。最高客流量可达每小时一万人。因此，研究车站的防烟需求对于消防安全是非常重要的，这样可以最大限度地减少发生火灾时的伤亡和财产损失。
3.方法
研究地下建筑物中烟雾输送的主要方法有三种：全尺寸实验，小规模实验实验和CFD模拟。
全面实验提供了最高的准确度，但价格昂贵且危险。在这项研究中，我们试图研究圆顶大小对烟雾传输的影响。在全尺寸实验中不能轻易地改变圆顶尺寸。我们的研究小组过去曾进行过小规模实验，但我们发现小规模实验的准确性值得商榷。我们知道小规模实验的理论基础是流体动力学的相似理论。然而，该理论的推导基于非常简单的条件，例如粘性管流和平面热交换。在这项研究中考虑的地铁站结构很复杂：它有出口，楼梯和两层楼。对于诸如此类的复杂类型的建筑结构，应进行误差分析以评估在全尺寸实验和小规模实验中获得的结果的差异。但是，我们还没有发现文献中报道的这种类型的分析。第三种主要方法是CFD模拟。许多先前的研究表明，CFD模拟可以足够精确地完成，以研究地下建筑物中的烟雾输送。另外，使用这种方法，分析各种圆顶尺寸简单且便宜。
3.1湍流模型
在过去的二十年中，已经开发了三种用于CFD模拟的不同湍流模型来研究烟雾输送，方式有直接数值模拟（DNS），雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程和大涡模拟（LES）。DNS只能在简单的流量条件下应用，以检查湍流的基本物理机制。使用DNS和当前可用的计算硬件难以准确地模拟地铁站中的复杂烟雾流。RANS涉及使用非定常Navier-Stokes方程的时间平均来获得用于工程目的的时间平均值。因此，使用RANS获得的结果是平均的。不可能使用RANS来预测瞬时流动特性，也不可能解决湍流结构，并且RANS无法在涉及燃烧的模拟中提供足够的精度，因为污染物的平均浓度可能不够高或不足以引发反应。
LES是目前最常用的预测火灾烟雾传输的数值方法。LES基于湍流动能传递机制，涉及直接计算大规模涡动。小尺度涡动对大尺度涡旋运动的影响反映在选择合适的模型上。LES可以捕获RANS无法捕获的许多非稳态非平衡状态现象，而没有与DNS相关的巨大计算成本。
要执行LES，必须调整并正确设置两个无量纲数的值（Smagorinsky，1963年）：普朗特数（Pr）和施密特数（Sc）。Pr定义为动态粘度系数与热扩散系数的比率，并用于描述流体动量扩散和热扩散之间的差异的影响。Sc被定义为动态粘度系数与质量扩散系数的比率，并且用于描述流体动量扩散和质量扩散之间的差异的影响。在该研究中，评估Pr（从0.2至0.7）和Sc（从0.1至0.8）的值以确定用于本研究的合适的值。首先，我们设定Pr = 0.4和Sc在0.1到0.8之间变化（0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8）。我们发现当Sc = 0.3时，预测结果与实验数据吻合良好，之后，我们检查了不同的Pr，看看当Sc = 0.3时是否有更好的Pr值，我们选择Pr和Sc的值分别为0.4和0.3。有了Pr值和Sc值，预测结果和实验数据接近的一致。比较的详细信息在我们之前的研究还表明，Pr和Sc的这些值适用于模拟地铁站的火灾烟雾。
3.2火源
火源是这种模拟的一个非常重要的部分。在这里，考虑了九个不同位置的火源来评估火源位置的影响。火源位置与坐标原点之间的距离范围为0米至18米。
x x
火源的热输出由热释放率（HRR）决定。我们知道HRR值因火灾而异。在这项研究中，我们采用了三种不同的HRR水平：1.6 MW的低值，4 MW的中值和7.5 MW的高值。在不同的HRR水平下，热释放率曲线根据其调整，之后在预测的HRR和之间进行比较为了考虑模拟中的辐射传热，引入辐射传输方程（RTE）来描述辐射能量传递过程的数学方程和介质的特性。RTE的解决方案基于有限体积法（FVM），对流传热方程的解决方案也是如此。RTE中的正或负热通量矢量分别表示辐射热量的增益或损失。基于混合分数的燃烧模型通常用于模拟地铁站火灾，这种类型的模型基于这样的假设，即火源释放的烟雾物质仅是混合物分数的函数。在这种假设下，HRR可以直接写成氧质量分数方程和单步前向化学反应。以前的研究表明，基于混合分数的燃烧模型能够准确捕捉火灾行为的数量变化。在我们以前的研究中，我们发现燃烧模型中一个重要参数的值，表征转换成CO的燃料质量分数应设为0.1，因此本文不再对此参数进行讨论。
3.4 网格灵敏度和解决方案收敛
使用的网格系统是LES仿真的一个重要方面。较大的网格系统意味着网格更密集，需要更多时间来获得准确的结果。应该使用足够大的网格系统以提供可接受的模拟时间和可接受的精度。我们选择了四个网格系统，列于表2 作为网格A，B，C和D.在之前的研究中，我们发现网格系统C，如图所示图5总共1,046,416个单元，提供了模拟时间和精度的最佳组合，因此本网格系统用于本研究。
解决方案收敛的过程类似于选择合适的网格系统的过程：它还需要在计算时间和结果的准确性之间取得平衡。为了判断解的收敛性，可以使用（CFL）条件。以前的研究表明只要CFL值小于1，就可以实现解收敛，为了满足CFL条件，在模拟过程中调整了本研究中使用的时间步长dt，以确保每次迭代期间的CFL值均小于1。
4.结果和分析
4.1 圆顶形状对烟雾运输的影响
当前的建筑设计实践要求建筑师对不同文化和环境的建筑有深刻的洞察力和理解。建筑师需要寻求最符合建筑业主要求的解决方案，以最周到，最符合文化和环保的设计。这使得今天的建筑形式非常多样化。在圆顶的设计中，有许多可选形式。因此，需要探索圆顶形状对烟雾运输的影响。
在这项研究中，四个不同的圆顶形状具有相同的体积，如图所示图6， 被认为是。四种形状是半球形，圆柱形，圆锥形和矩形。不同圆顶的圆顶和大厅中CO浓度的差异发现体积的形状很小，如图所示图7.这些发现表明，对于给定的圆顶体积，圆顶的形状对烟雾传输几乎没有影响。这些发现还告诉我们，我们可以通过使用单个圆顶形状来简化模拟，因此我们选择了圆柱形状。在本文的其余部分中报告的结果都是使用圆柱形圆顶形状获得的。
4.2 圆顶引起的火灾引起的烟雾汇合
一氧化碳无色，无味，无味。蒂库伊西斯 等。（1992年）研究了人体暴露于CO的风险，发现CO可以与血红蛋白结合产生碳氧血红蛋白，这对于向身体组织输送氧气是无效的。一氧化碳是从火源释放的毒性最大的气体之一，并且通常造成火灾造成的重大伤亡。在这项研究中，监测一楼左侧大厅的平均CO浓度，以确定如果在一楼发生地铁火灾，是否会出现危险的CO水平。为了研究穹顶对火灾烟雾的汇合效应，在一楼的八个不同位置放置了相同的火源。这些火源位置与圆顶中心的距离分别为0米，4米，8米，11米，12米，14米，16米和18米。
应该注意的是，火源位置之间的距离不相等。圆顶半径为12米。一个火源放置在圆顶的边界处，火源位置和坐标原点之间的距离也是12米。
无论地铁车站是否有穹顶建模，一楼左侧大厅的平均CO浓度首先随着时间的推移而增加然后下降，CO浓度的变化遵循与热释放率相同的趋势。
圆顶半径为12米。距离坐标原点不到12米的四个火源位置和五个火源位置，距离超过12米的地方进行了分析。当火源位于穹顶下时（即，当火源位置与坐标原点之间的距离小于12 m时），大厅中的CO浓度显着降低，对于在圆顶半径内考虑的不同火源位置，可以观察到较小的CO浓度差异。得到的结果表明，火源越靠近穹顶边界，穹顶中的CO浓度越高。
还检查了圆顶中的平均CO浓度，以确定圆顶下方和圆顶半径外的火源位置。对于圆顶下的火源位置，可以观察到较小的CO浓度差异，对于圆顶半径之外的火源位置，火源位置越靠近圆顶边界，CO浓度越高。
当穹顶下发生火灾时，无论它在穹顶下面的位置，浮力都会首先驱动烟雾向上流动。一旦烟雾到达圆顶顶部，它就会开始填满圆顶。除非烟雾填满整个圆顶，否则它将永远不会扩散到大厅内。因此，虽然大部分烟雾留在圆顶中，但是少量烟雾扩散到大厅中，这解释了大厅中的低CO浓度。
当在圆顶半径范围外（即在大厅中）发生火灾时，浮力将再次首先驱动烟气流向上。当烟雾到达大厅的顶部时，一些烟雾扩散到圆顶中，而其余的烟雾则停留在大厅中。当火源位于穹顶边界之外而不是在穹顶下方时，这导致大厅中的CO浓度高得多。
对于从穹顶半径外开始的火灾，火源和穹顶边界之间的距离越小，烟雾需要行进以扩散到穹顶中的距离越短。前烟雾对后烟雾的压力也会较小，距离穹顶边界的距离较小。这将有助于烟雾扩散到圆顶中并导致圆顶中的CO浓度相对较高并且大厅中的浓度较低。
在没有圆顶建模的情况下，地铁站中的CO浓度显着高于使用圆顶建模时的CO浓度，因为圆顶是存放烟雾的好地方。在浮力的作用下，圆顶可以在两个条件下从附近的空间吸取烟雾：首先，空间连接到圆顶；第二，附近空间的顶部低于圆顶。
线性和指数衰减模型形式用于试图描述一楼左厅的平均CO浓度与火源到坐标原点的水平距离之间的关系，对于没有圆顶建模的地铁站，发现相关系数（R）为0.9957的线性方程来描述平均CO浓度与距坐标原点的距离之间的关系。然而，对于用圆顶建模的地铁站，发现具有0.9988的R的一阶指数衰减关系描述了平均CO浓度与距坐标原点的距离之间的关系。
4.3 在圆顶储存火灾烟雾
圆顶是建筑物顶部的大空间，有各种形状和大小。对于从火源释放的给定体积的烟雾，存储在圆顶中的烟雾越多，烟雾将扩散到大厅。这可以降低大厅里人们窒息的风险。
首先分析了固定高度为6.00米，直径范围为16.98米至37.96米的圆柱形圆顶。然后，分析了固定直径为24.00米，高度范围为3.00米至15.00米的圆顶。这两种改变圆顶尺寸（改变直径和改变高度）的方法用于比较相同的圆顶体积。使用改变圆顶尺寸的两种方法计算平均CO浓度和总CO重量，以确定最大化CO存储的圆顶尺寸，从而最小化乘员窒息的风险。对于较大的圆顶体积，圆顶中的平均CO浓度随时间的变化显着较低，无论是否通过更大的高度或更大的直径
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