消防科学与技术

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城市交通隧道电动汽车火灾安全研究进展

李炎锋1, 杜甜美1, 刘爽1, 董启伟2

2024 (9): 1195-1203.

摘要 ( 51 )

城市电动汽车数量增加给城市交通隧道消防安全带来了新的挑战。论文首先归纳了隧道内电动车辆火灾研究的科学问题和关键技术问题，总结了电动汽车火灾成因及研究手段、火灾燃烧热特性、燃烧产物特性等领域的研究成果，分析了隧道狭长受限空间结构对电动汽车火灾发展过程的影响，探讨了城市交通隧道电动汽车火灾的消防救援。根据现行消防标准规范及隧道消防设计指南，讨论了应对电动汽车火灾交通隧道消防系统设计需要改进的要点。研究表明，新能源车火灾场景比燃油车火灾场景更复杂，主要表现在电池不稳定的喷射火源、持续时间、峰值热释放和峰值温度、汽车带电风险等方面。目前电动汽车火灾实体试验研究主要是在大空间或者开放空间中进行，隧道受限空间对电池燃烧特性影响、电动汽车火灾羽流特性以及有毒烟气蔓延及控制还缺乏系统性研究。研究成果能够为城市交通隧道的消防设计、安全运营以及应急救援预案制定提供参考。

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城市轨道交通TOD综合体火灾防控研究现状及展望

安伟光1,3, 鲁佳明1,3, 袁狄平1,2, 陈家祥1,3

2024 (9): 1204-1212.

摘要 ( 28 )

为了解城市轨道交通 TOD综合体（简称TOD综合体，下同）的防火研究进展情况并提供研究思路和参考，以典型TOD综合体为研究对象，从TOD综合体结构火灾危险性、目前研究进展及规范解读、研究方向展望三个角度梳理了TOD综合体火灾研究现状，探讨容易被忽视的火灾风险和可能存在的消防问题，分析结果表明TOD综合体地上商场、地下商业、地下轨道交通三部分传统系统区间组合后会呈现更加复杂的结构，使TOD综合体整体的火灾危险性大幅增长。国内防火规范对TOD综合体的规定过于分散，未考虑到TOD综合体的复杂场景，亟须建立TOD综合体防火设计体系。TOD综合体相关研究开展缓慢，缺少TOD综合体整体相互影响、相互联动、控烟排烟的火灾研究。未来研究人员应着重解决TOD综合体的通风排烟、监测预警、人员疏散、缺少专用应急装备等关键技术问题。因此，对TOD综合体火灾开展持续研究，建立专有消防体系，研发相关技术十分重要。

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综合管廊电力舱电缆火灾研究进展

许德胜1, 李炎锋1, 杨泉2

2024 (9): 1213-1217.

摘要 ( 21 )

综合管廊的电力运营输送安全是韧性城市的重要保证措施之一。在分析电力舱火灾成因、火灾特点及消防安全特殊性的基础上，归纳了综合管廊电力舱电缆火灾的关键科学问题。从电缆火灾的燃烧动力学机理、风险评估以及预警防护3个方面，综述了管廊电力舱火灾安全的研究成果和总体进展。结果表明：在电力舱电缆火灾的基础理论和实践应用上已经取得了较为系统的研究成果，但关于复杂廊体结构因素对火灾的影响研究还缺乏深入的探讨。结合管廊行业实际工程的发展，指出长通风区间电力舱电缆火灾的蔓延及联动防治是未来综合管廊消防系统研究的一个重要方向。

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隧道流淌火发展蔓延规律的研究现状及未来展望

叶成豪, 张培红

2024 (9): 1218-1226.

摘要 ( 24 )

在隧道环境中，流淌火的火焰分叉融合、振荡和倾斜等燃烧行为，扩散油层的流动及其与隧道底壁面、火焰烟气的热传递过程具有复杂性和非稳定性。这会加剧引燃周围其他可燃物的危险性，给人们的生命财产安全带来严重威胁。通过对开放空间与隧道环境中溢油流淌火的扩散与燃烧行为、火焰高度、火焰振荡、火焰热辐射模型、热传递机制、烟气蔓延过程以及顶棚温升模型等的对比分析，指出未来应该进一步深入研究流淌火火焰振荡以及火焰热辐射模型等火焰行为，揭示流淌火蔓延的热传递机制、非稳态燃烧和烟气蔓延动力学规律，为隧道流淌火的防治和应急救援提供理论和技术支持。

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倾斜隧道火灾烟气分层稳定性研究

孙超鹏, 刘方, 翁庙成

2024 (9): 1227-1233.

摘要 ( 28 )

隧道内的烟气分层特征对分析疏散和救援的难度以及制定有效的应急策略具有至关重要的作用。倾斜隧道中的烟气流动受到浮力和烟囱效应的共同影响，导致烟气的分布和运动规律与水平隧道存在显著差异。在倾斜隧道中，烟气分层稳定性受到多种因素的影响，且相关研究较少。本文采用数值模拟方法对倾斜角度为1%～15%的两端开口的倾斜隧道火灾烟气分布特性及其影响因素进行了研究。研究表明：Newman提出的判定烟气分层状态的临界无量纲温差在倾斜隧道火灾中仍然适用（坡度在1%～15% 范围内）。倾斜隧道火灾发生后，火源与低端入口之间的烟气层始终能够保持稳定的烟气分层。而火源与下游出口之间的烟气层则随着烟囱效应的增强，稳定分层被破坏的区域不断扩大，并逐渐扩展至整个下游区域。火源功率和火源与下游出口之间的高差可直接影响隧道内的烟囱效应和烟气自身浮力，进而影响烟气分层状态。在此基础上，提出了用于预测倾斜隧道火灾烟气分层特性的计算模型，并确定了烟气分层区域1和区域2之间的临界Froude数为0.9。本文研究可为隧道火灾排烟及疏散设计提供指导。

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高海拔环境竖井长宽比对隧道竖井自然排烟性能的影响

高子鹤1, 蔡佳俊1, 范传刚2, 钟委3

2024 (9): 1234-1239.

摘要 ( 14 )

通过FDS数值模拟软件，研究不同环境压强下竖井长宽比对隧道内烟气流动和竖井自然排烟性能的影响。研究考虑了竖井长宽比和环境压强，分析竖井附近的温度分布、流场分布、竖井排出烟气中各成分的量等参数。研究结果表明，在保持竖井横截面积不变的情况下，竖井长宽比的增加会使得排烟能力先下降后保持稳定；在竖井长宽比过小的情况下，竖井出口处会产生涡流，降低排烟能力；环境压强的增加，使得烟囱效应增强，排烟能力略微增强，同时会使吸穿现象更容易发生。因此，对于高海拔隧道中竖井自然排烟系统的设计，合理设置竖井长宽比有利于排出更多烟气，提高排烟能力。

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双层隧道上层车道顶部单侧与双侧机械排烟的效果研究

王恩师1, 王湛2, 唐智2,3

2024 (9): 1240-1246.

摘要 ( 23 )

为了探讨双层隧道上层车道顶部排烟时，单侧与双侧机械排烟对火灾烟气控制及蔓延的影响，采用FDS对某典型双层隧道在不同排烟控制模式下的烟气控制效果进行了对比研究。在说明模型合理性的基础上，对比分析了不同排烟风机开启模式下的烟气蔓延距离、排烟口处气体质量流率和温度变化规律。研究表明，开启隧道排烟道单侧风机和双侧风机时，排烟口处气体质量流率分布呈现不同规律，同时开启隧道两侧的排烟风机时烟气蔓延范围最小，是同等排烟量下只开启隧道下游一侧风机的47.8%~88.1%，且各排烟口处具有更低的平均温度，综合反映出同时开启隧道两侧的排烟风机具有更好的控烟效果。此外，探讨了在排烟道单侧和双侧排烟模式下隧道烟气蔓延范围随火源位置的变化规律。

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侧壁排烟口下方倾斜空气挡板促进侧向排烟效果研究

张少刚1, 李尚洋1, 刘家豪1, 汪金辉1, 丛北华2

2024 (9): 1247-1252.

摘要 ( 19 )

为了研究侧壁排烟效果随空气挡板倾斜角度的变化规律，探究了不同倾斜角度空气挡板作用下侧壁排烟口附近温度场与流速矢量场特征及排烟效率。结果发现：侧壁排烟口下方设置空气挡板可以有效抑制冷空气的流入，侧壁排烟效率得到明显提升。侧壁排烟口下方设置空气挡板后，排烟口附近热烟气流线明显增加，冷空气流线变得稀疏，排烟口区域高温烟气面积明显增加。当排烟口宽高比为1：2时，侧壁排烟效率随挡板倾斜角度（0≤θ≤45°）的增大而增大，在45°≤θ≤60°基本保持高位稳定，具有最佳排烟效果；当排烟口宽高比为2：1时，侧壁排烟效率随挡板倾斜角度（0≤θ≤30°）的增大而增大，在30°≤θ≤60°出现下降趋势，30°时达到排烟效率峰值。通过数据分析构建了现有条件下不同倾斜角度空气挡板作用下的侧壁排烟效率表征模型，可为隧道侧壁排烟系统设计提供相应技术参考。

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非对称人字坡隧道火灾纵向通风临界风速的试验研究

郭志成1,2, 李俊梅1,2, 欧阳力1,2, 李炎锋1,2

2024 (9): 1253-1258.

摘要 ( 12 )

人字坡隧道较多地出现在山岭隧道和新建的城市交通隧道中，火灾时其内部烟气流动复杂，纵向通风时，对烟气实施有效控制困难。通过搭建1：20的人字坡隧道模型试验台，对火源位于变坡点时，非对称人字坡隧道内不同的坡度组成和不同火源功率作用下的临界风速进行了研究。研究结果表明：在小坡度侧实施纵向通风时，临界风速大于同一断面和火源功率作用下平直隧道内的临界风速，且临界风速随变坡点两侧坡度差的增加而增大；在大坡度侧施加纵向通风时，临界风速小于平直隧道内的临界风速，且临界风速随着坡度差的增大而减小。为了便于工程应用，综合模型试验结果，对平直隧道的临界风速模型进行了坡度修正，得到了可用于人字坡隧道的临界风速修正系数。

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施工隧道火灾烟气蔓延特性与温度分布试验研究

邱明轩1, 于伟2, 徐琳1, 赵英浩1

2024 (9): 1259-1265.

摘要 ( 19 )

为研究施工隧道中不同纵向火源位置和热释放速率下火灾烟气的蔓延特性及温度分布，采用缩尺寸试验的研究方法，建立缩尺寸施工隧道模型，测量了隧道顶棚下方纵向和竖向的烟气温度。结果表明：在自然排烟条件下，烟气在施工隧道中不能及时排出，会碰壁形成反弹烟流，不断沉降至隧道底板上方0.1 m附近。纵向火源位置对烟气蔓延速度和纵向温度衰减速率的影响较大。随着火源向左侧封闭端移动，火源右侧烟气蔓延速度增大，纵向温度衰减速率减小；火源左侧烟气蔓延速度减小，纵向温度衰减速率增大。无量纲竖向烟气温升符合自相似规律，呈复合函数分布。综合考虑纵向火源位置、热释放速率的影响，总结了烟气蔓延速度的变化规律，建立了隧道顶棚下方竖向烟气温度分布的试验相关性。

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自然通风倾斜隧道火灾烟气最大逆流长度研究

吴双良

2024 (9): 1266-1271.

摘要 ( 21 )

为探讨纵坡隧道利用烟囱效应诱导气流进行火灾烟气控制的可行性，系统开展了烟囱效应作用下倾斜隧道火灾烟气流动规律研究。揭示了倾斜隧道中由坡度产生的烟囱效应作用对火灾烟气蔓延规律的影响，分析了自然通风条件下的倾斜隧道火灾烟气非对称流动效应。结果表明，随着高程差的增大，正向流动的烟气、空气质量流量从50%增加至约100%；而负向流动的烟气、空气质量流量从50%衰减至约0%。利用高程差作为特征参数进行定量表征，提出了火灾烟气与新鲜空气的质量流量经验公式，并推导出了烟气最大逆流长度预测公式。

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隧道火灾临界风速模型的差异与适用性分析

孙峰1, 李江栋2,3,4, 王小飞1, 吴珂2,3,4

2024 (9): 1272-1277.

摘要 ( 16 )

临界风速是纵向通风隧道防排烟设计的重要指标，目前广泛采用的临界风速模型分为临界弗洛德数模型（世界道路协会PIARC推荐）和分段函数模型（美国消防协会NFPA推荐）两类，但两种公式的计算结果差异显著，给隧道防火设计造成了困扰。本文分析了PIARC公式和NFPA公式在不同火源功率、隧道宽度、隧道高度下计算临界风速的差异及成因，同时结合隧道火灾全尺寸试验、数值模拟对比了两种公式计算结果的控烟效果，并与已有的全尺寸和比尺模型试验数据比较论证了两公式的适用性。结果表明，受临界弗洛德数取值和均匀混合假定的制约，PIARC公式无法准确反映临界风速随火源功率的变化规律，公式计算结果明显偏小，且误差随着宽高比的增大而增大；而NFPA公式更加全面地考虑了火羽流状态与隧道断面尺寸之间的相对关系对临界风速的影响，计算结果具有更好的烟气控制效果，且与试验数据更为吻合；NFPA公式可以适用于大部分隧道断面和火源功率条件下的临界风速计算，而PIARC公式仅适用于断面宽高比较小（AR≤1）和火源功率较大（HRR≥15 MW）时的临界风速计算。

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漏风影响下集中排烟系统排烟量富裕系数选取研究

刘邱林1,3, 张超2, 徐志胜3, 陶浩文1

2024 (9): 1278-1285.

摘要 ( 10 )

为了研究漏风影响下的集中排烟系统排烟量富裕系数，建立了集中排烟系统风压及风量解算模型，通过与全尺寸试验数据对比，验证了该模型的准确性。并依据该模型，分析了集中排烟系统在不同设计热释放速率、隧道长度、排烟阀间距及排烟阀面积下的排烟道内风压及风量分布，研究了各参数下的排烟量富裕系数。结果表明：随着热释放速率的增大，排烟系统设计排烟量逐渐增大，但排烟量富裕系数与热释放速率无明显关联。对于使用高密闭排烟阀的情况，当隧道长度在10 km以内时，满足排烟需求的排烟量富裕系数均在10%以下；对于使用普通排烟阀的情况，无论是特长隧道还是超长隧道，排烟量富裕系数几乎都在20%以上，当隧道长度超过9 km时，排烟量富裕系数甚至能超过100%。随着排烟阀间距的增大，排烟风机的风量富裕系数和排烟系统的设计排烟量均表现出递减趋势。随着排烟阀面积增大，设计排烟量逐渐增大，排烟量富裕系数也有相似的趋势，尤其是普通排烟阀更为明显。因此，在满足排烟要求的前提下，提高排烟阀质量、扩大排烟阀间距和缩小排烟阀面积，可以起到降低排烟量富裕系数的效果。

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隧道区间内运行列车车顶火灾特性研究

樊新阳, 唐飞, 黄亚军, 胡隆华

2024 (9): 1286-1291.

摘要 ( 20 )

为探究地铁区间隧道高速运行列车车顶火灾特性，构建缩尺寸隧道列车模型，开展移动火灾试验，设置不同列车运行速度及火灾热释放速率,并结合数值模拟，揭示隧道高速（20～150 km/h）运行列车车顶火灾发展特征参数演化的规律。试验结果表明：车顶最高温度随列车运行速度增加而呈现先增加后减小的趋势，其中，最大温差达205 ℃；此外，随着列车运行速度的增加，竖直火焰高度逐渐降低，水平火焰长度呈现出先增后减的变化趋势，临界运行速度随着热释放速率的增大而增加，并通过数值模拟验证了这一火灾行为。结合缩尺寸试验研究，构建了隧道运行列车车顶火灾水平火焰长度的分段预测模型。

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基于深度学习的隧道火灾火源位置和热释放速率反演

蒋立1, 何廷全2, 郭鑫1, 阳东1

2024 (9): 1292-1297.

摘要 ( 24 )

火源位置和热释放速率（HRR）是指导隧道火灾消防应急救援的重要信息。但在实际中，得到的关于火场的信息十分有限，很难直接得到火源关键信息。提出了一种基于深度学习的隧道火灾火源位置和HRR的反演方法。首先，基于试验数据验证的数值模拟建立不同边界条件下的隧道火灾数据集。基于卷积神经网络（CNN）和长短期记忆网络（LSTM）建立有限的固定式传感器温度数据和火源位置及HRR之间的映射关系，评估了该模型对于火源位置和HRR的反演效果。评估了时间输入步长和传感器间距对该模型反演性能的影响。结果表明，该模型对HRR和火源位置都有较好的反演性能，当时间输入步长为20 s，传感器间距为30 m时，模型反演HRR和火源位置的R2值分别为0.97和0.99。

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基于标准火灾曲线和热释放率的衬砌温度分布数值计算研究

王峰, 曾锦屏, 熊藤根

2024 (9): 1298-1302.

摘要 ( 12 )

为探明火灾下衬砌温度的分布特性，基于隧道火灾-衬砌辐射对流传热数学模型建立了衬砌温度数值计算方法，并对HC标准火灾曲线和30 MW火灾热释放率火灾工况进行计算分析。结果表明，标准火灾曲线最高温度普遍大于目前我国规范的要求。采用火灾温度作为衬砌壁面边界条件将显著增大衬砌温度荷载，2小时HC火灾曲线和30 MW火灾工况衬砌最高温度分别为778 ℃和351 ℃。标准火灾曲线工况衬砌内部的高温影响范围和高温值均显著大于30 MW火灾工况。

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主线坡度对分岔隧道主线隧道内顶棚温度分布的影响

刘茜1, 汪彬1, 李程2, 黄有波1,3, 董炳燕1

2024 (9): 1303-1308.

摘要 ( 18 )

为研究主线坡度对分岔隧道主线隧道内火灾烟气蔓延的影响，采用数值模拟，分析分岔前主线不同坡度与火源功率下隧道内的温度分布，提出考虑主线坡度和火源功率的隧道顶棚最高温升预测模型和主线隧道下游温度纵向衰减模型。结果表明：给定热释放速率下，随主线坡度增加，隧道内最高温升逐渐降低;主线隧道坡度越大，火羽流向主线隧道下游倾斜越明显,顶棚下最高温度位置向下游偏移；主线隧道下游烟气层厚度随隧道坡度增加而减小，主线隧道下游纵向温升也随之降低。

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单坡度V字形隧道火灾中等效纵向风速及温度场研究

吴东阳1, 朱宇1, 殷耀龙2, 徐志胜2

2024 (9): 1309-1315.

摘要 ( 12 )

火灾发生在水下隧道的变坡点附近时，隧道结构可简化为单坡度V形隧道。在单坡度V形隧道发生火灾时，烟气运动会受到一侧倾斜隧道烟囱效应的影响。采用FDS数值模拟研究方法，对自然通风状态下单坡度V形隧道火灾中的等效纵向风速以及隧道温度场进行研究，并建立了预测模型。结果表明，火灾产生的等效纵向风速与隧道坡高和热释放速率有关，其数值大小与热释放速率的1/3次幂和无量纲坡高成正比；单坡度V形隧道顶板下烟气的最大温升随着坡度的增加而线性递减，整个火灾下游的烟气温度分布呈指数衰减，且坡度越大，纵向烟气温度在火源周围的衰减越明显，衰减曲线也更陡峭。

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水喷雾对隧道遮挡火灭火性能及顶棚温度的影响

杨涛1, 余志华1, 王湛2, 李琴文2, 唐智2,3

2024 (9): 1316-1321.

摘要 ( 13 )

水喷雾系统作为一种有效的火灾扑救设施，被广泛应用于隧道等场所中。本研究基于1：8的缩尺寸双层隧道火灾试验平台（36 m长、单层隧道净高0.58 m），在该模型的下层隧道空间内开展了水喷雾试验，探究了水喷雾系统工作压力、开启时间、喷淋区段和开启组数等因素对火灾控制效果的影响。研究结果表明，水雾与火焰作用过程中火焰强化和燃烧抑制作用共同存在，燃烧抑制作用随着水喷雾压力的增加而增强，喷水压强超过0.30 MPa后燃烧抑制起主导作用；火源熄灭时间随着水喷雾区段的增加而缩短；越早启动水喷雾系统，越能迅速有效地将火场温度控制在较低水平，较晚开启水喷雾，高温汽化产生大量水蒸气，对燃烧产生阻隔作用，减弱火势的增长，同时水喷雾区段作用范围对隧道火灾烟气温度分布具有显著影响。

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基于区域视角的特长公路隧道消防救援可达性评价

周添1, 姜洪2, 刘顶立1, 刘伟军1

2024 (9): 1322-1327.

摘要 ( 13 )

特长公路隧道消防救援一直是公共安全及公路交通领域的难题。由于特长公路隧道“长线型、双洞分离”的特点，其不同区段及不同行驶方向的消防救援可达性相差较大，难以用现有方法准确评价。为此，本文对特长公路隧道不同行驶方向车道等距采集消防救援需求点，而后计算消防救援需求点平均行程时间，以衡量消防救援可达性。建立了基于时间加权的区域特长公路隧道消防救援总体平均可达性评价模型。为验证该模型有效性，以贵州省特长公路隧道为例，共采集了960个消防救援需求点，通过网络地图应用程序编程接口仿真救援实时行程时间。在完整的一周（连续7天）设置了337个估算场景，共获取了323 520个有效评价样本。计算得出贵州省特长公路隧道的消防救援总体平均可达性为0.242，消防救援总体平均行程时间为2 560.68 s，消防救援总体平均行程距离为32 870.18 m，结果等级为“差”，表明该区域特长公路隧道消防救援可达性低。从安全和经济的角度考虑，可建立特长公路隧道专职消防队及在高速公路沿线收费站或服务区设置消防救援点。本文提出的评价模型可为从区域视角提升特长隧道消防救援能力提供关键方法及数据支撑。

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风流增强作用对城市地下物流通道液氮灭火效能提升研究

宁赵玉1, 袁狄平2, 张国维1,2, 徐墩斌3

2024 (9): 1328-1334.

摘要 ( 11 )

狭长受限空间中常用的灭火系统在地下物流通道中存在限制，难以直接应用。为了探究风流增强作用对液氮灭火效能的影响，文章通过改变风速和注氮位置，对不同工况下地下物流通道氧气浓度与顶棚温度的变化进行分析。结果表明，注氮能够有效扑灭地下物流通道火灾，风流增强显著提升了液氮的灭火效能，注氮距离为50 m时，风流 2 m/s工况的灭火效率较风流 0 m/s工况提高了41.86%。同时，在固定的注氮距离下，增强风流后火源附近的温度和氧气体积分数下降的时间明显提前。此外，当注氮距离增加时，火源附近温度和氧气体积分数下降时间均推迟，但风流增强能够减少由于注氮距离较远导致的降温和窒息效果的滞后。该研究成果对于城市地下物流系统灭火研究提供了重要的理论依据。

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既有地铁车站纵向通风烟气控制模式试验研究

端木祥玲, 杨泽瑀, 张文斌, 魏晓莉

2024 (9): 1335-1340.

摘要 ( 19 )

在北京某地铁车站开展现场试验，对不同烟气控制条件下烟气蔓延规律及楼梯口向下气流速度进行分析研究，同时利用FDS建立对应实际尺寸的数值模拟模型，增加烟气控制模式改变的工况，基于判断能见度危险来临时间对站台排烟能力展开分析研究。研究表明：针对不同烟气控制模式，烟气蔓延规律不尽一致，对于该既有车站而言开启全部风机及仅开启1号风机会造成楼梯口负压情形，即站台发生火灾烟气不会蔓延至站厅；分析楼梯口断面向下气流速度，可知开启全部风机时，楼梯口风速满足规范的楼梯口向下气流速度1.5 m/s的要求，而仅开启1号风机，一侧站台无法满足规范要求；在烟气蔓延规律分析及断面风速分析的基础上，可知1号风机对车站安全起主要作用；结合楼梯口断面风速试验数据与能见度危险来临时间模拟数据，可知开启全部风机相较仅开启1号风机大幅度提升了站厅安全性，但对站台排烟能力提升作用较小。

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