刘苏敏

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师)

在城市轨道交通地下车站最为常见的格栅吊顶上方常常布置了通信及通风空调系统的许多线路及风管等设施。一旦发生火灾，热烟气对这些设施工作性能的影响不可忽视。

目前，站台公共区域设置的火灾探测器多为感烟型。文献[1-2]就点型感烟探测器在地铁车站的设计及应用进行了数值模拟。文献[3]研究了实吊顶及不同镂空率吊顶对烟气层沉降和温度分布的影响。文献[4]研究了地铁车站格栅吊顶对探测器响应性能的影响。文献[5]研究悬空式格栅吊顶场所感烟火灾探测报警响应。文献[6]分析了地铁站台点型感烟火灾探测器的火灾响应性能。

本文采用数值模拟方法，在地铁站台公共区模拟研究不同格栅镂空率、格栅方向、格栅间隙条件下对火灾烟气扩散的影响，为格栅吊顶以及感烟型火灾探测器的设计提供参考。

1 数值模拟试验的设计

1.1 数值模拟方法

本文采用FDS(火灾场模拟)软件模拟燃烧时的烟气流动过程和传热过程，重构火灾场景，并使结果可视化。

1.2 试验的模拟空间模型

根据某地下车站的站台公共区实际数据，设置模拟区域长8.0 m、宽8.0 m、高4.5 m，格栅吊顶至站台地板的距离为3.0 m，格栅吊顶至站台顶棚的距离为1.5 m。站台层区域顶部全设置为镂空格栅吊顶。

模拟空间模型如图1所示。由图1可见，点型感烟探测器贴顶安装在站台顶棚(A系列)和格栅吊顶下部(B系列)，且A系列与B系列探测器的安装位置上下对应。在探测器A0、B0正下方设置功率为236 kW/m2的40 cm×40 cm聚氨酯火源[7-8]。

图1 模拟空间模型示意图

1.3 模拟工况

模拟时长均为100 s。根据不同镂空率、不同格栅间隙及不同格栅宽度设置6个模拟工况，如表1所示。

表1 模拟工况

2 数值模拟试验结果分析

不同工况下的探测器响应时间如表2所示。

表2 不同工况下的探测器响应时间

2.1 格栅对烟气上升过程的影响

格栅间隙为2 cm时，不同镂空率下顶棚处的探测器响应时间模拟结果如图2所示。

图2 不同镂空率下顶棚位置探测器响应时间曲线

14%镂空率下顶棚与格栅处的探测器响应时间模拟结果如图3所示。

图3 顶棚与格栅位置探测器响应时间曲线(镂空率14%、格栅间隙2 cm)

由表2可见：A系列探测器的响应时间，在镂空率为14%(工况1及工况2)时最长，在其他镂空率工况下较短；在工况1中，tA明显要小于tB；在工况3、工况4、工况5及工况6中，平行于格栅方向的B11和B12探测器未在模拟时间内发出报警。

进一步分析发现：当镂空率为14%时，在非火源正上方，格栅处的B21探测器最先报警；当镂空率为50%时，在非火源正上方，顶棚处的A21探测器最先报警，而平行格栅方向的B11和B12探测器甚至不报警。这表明，在格栅距离顶棚位置相同的条件下，镂空率的大小对烟气上升至顶棚处有明显影响，小镂空率格栅对烟气的上升有明显遮挡效果，会直接影响各处探测器的报警时间。

2.2 格栅间隙对烟气扩散的影响

由表2可以看出，当镂空率相同时，2 cm和5 cm格栅间隙的相同位置探测器响应时间差别不大。因此，在本试验中，格栅间隙大小对探测器的响应时间影响不大。

2.3 格栅方向对烟气扩散的影响

为了便于观察格栅方向对烟气扩散的影响，选择格栅间隙2 cm、镂空率相差较大的14%和50%比较观察。镂空率为14%、50%时，平行格栅间隙方向和垂直格栅间隙方向的烟气浓度对比如图4。

图4 烟气沿不同方向扩散对比图

由图4可以看出：当模拟时长相同时，无论是顶棚还是格栅下方，垂直格栅间隙方向的烟气扩散距离更长，而平行格栅间隙方向的烟气扩散距离较短；镂空率越小，沿不同方向的烟气扩散距离差距就越明显。

格栅间隙2 cm以及不同镂空率下，沿不同格栅方向的B系列探测器响应时间模拟结果如表3所示。

表3 不同格栅方向的B系列探测器响应时间表

由表3可以看出：当镂空率为14%时，平行格栅间隙方向安装的格栅处探测器的响应时间明显长于垂直格栅间隙方向安装的探测器；当镂空率为33%及50%时，平行格栅间隙方向安装的探测器甚至没有做出响应。这表明，在格栅下方处，烟气沿着垂直格栅间隙方向更容易扩散。

格栅间隙2 cm以及不同镂空率下，沿不同格栅方向的A系列探测器响应时间模拟结果如表4所示。从表4中可以看出，与火源水平距离相同时，垂直于格栅间隙方向的探测器的响应时间也要明显小于平行于格栅间隙方向探测器响应时间。

表4 顶棚位置探测器响应时间表

3 结语

本文通过数值模拟试验，研究了地铁站台层在不同格栅方向、不同格栅镂空率下的探测器响应时间，并模拟了烟气扩散过程，得到如下结论：

1) 当镂空率为14%时，格栅对烟气上升过程的阻隔作用较为明显，格栅位置探测器比顶棚位置探测器响应时间要短；而镂空率为33%和50%时，格栅对烟气的阻隔作用较小，格栅位置探测器比顶棚位置探测器的响应时间要长，部分格栅位置的探测器甚至在计算时间内未能响应。

2) 与沿平行格栅方向相比，烟气更易沿着垂直格栅的方向扩散，且格栅镂空率越小，现象越明显；对于格栅下方的探测器，垂直格栅方向比平行格栅方向的响应时间明显要短；而对于顶棚处探测器，垂直格栅方向比平行格栅方向的响应时间要短。

3) 在镂空率相同时，2 cm与5 cm格栅间隙的相同位置探测器响应时间没有明显差距。

根据上述结论，格栅吊顶的镂空率及格栅方向对烟气扩散都会产生一定的影响，进而影响火灾探测器的响应时间。因此，建议在地铁站台、站厅层中有格栅吊顶的区域安装点型感烟火灾探测器或者其它感烟型火灾探测器时，需结合格栅镂空率、平行与垂直格栅间隔的方向上烟气的扩散速度，以及相关标准规范的要求，安装适量探测器。必要时可将探测器同时设置在吊顶上方和下方，也可通过实体试验来确定具体安装位置，以提高感烟火灾探测器的探测效果。