摘 要
    地铁站中烟控系统的设置及紧急运转策略对于人员安全是相当重要的课题。而由于地铁站的特殊建筑形态使其往往超出现行处方式消防设计规范的适用范围，因此我们需要引入新的思想对其进行性能化火灾安全设计。
    性能化火灾安全设计要求利用数值方法对可能的火灾进行模拟。美国国家标准局建筑物与火灾实验室开发的以大涡模拟（LES）为基础，专门模拟受火灾浮力驱动气流流动的三维数值计算流体力学软件火灾动力学模拟器（FDS），目前已得到广泛应用，我们采用它作为数值模拟软件。
    本文以一个典型的双层地铁站为研究对象，对其中可能发生的四种典型火灾场景（分别是大厅层中间着火、大厅层一端着火、站台层中部车厢着火、站台层一端车厢着火）在不同的烟控系统工作方式下分别进行模拟，得到以下结论：无任何烟控系统可以在大厅层发生火灾或者站台层一端一节车辆着火时保障人员安全；纵向通风系统(TVF)或者横向通风系统(SEG, UPE）单独使用都可以在站台层中间一节车厢着火时保障人员安全；新型烟控系统(防烟垂壁、蓄烟井)可以在站台层中间一节车厢着火时保障人员安全，如和横向通风系统配和使用可以在站台层中间两节车厢着火时保障人员安全；喷淋装置、新型烟控系统和横向通风系统同时采用时可以在站台层中间三节车厢着火时保障人员安全。
FDS的燃烧模型采用快速反应假设，在全场利用混合分数和氧气浓度的关系通过求解混合分数的输运方程得到氧气的消耗量。然而对全场求解输运方程并利用其与氧气浓度的关系求解氧气的消耗量以及氧气浓度在燃烧没有进行的时候是不对的，因为此时混合分数与氧气浓度的关系并不成立。在燃烧没有进行的时候，我们其实已经知道氧气的消耗量为零，因此在这个时候直接求解氧气和浓度的输运方程即可。我们对改进以后的方法作了实验验证并将其用于地铁站的性能化火灾安全设计。
    通过性能化设计我们检验了现有烟控系统的设置能否满足消防要求，还对烟控系统的紧急运转策略提出建议。
关键词：火灾模拟 地铁站 性能化火灾安全设计 混合分数模型

Abstract
        The setting of smoke control system in subway stations and its working strategy are important problems in order for a safe evacuation of passengers. However, most stations are buildings with large spatial dimensions and the traditional prescription-based fire code can not be applied in the fire safty design of such buiding structures. Therefore, the performance-based fire safety analysis is indispensable. 
       The performance-based fire safety analysis is based on the numerical simulation of the fire. Fire Dynamics Simulator (FDS) is a computational fluid dynamics (CFD) model of fire-driven fluid flow. The software has been widely applied in the numerical research of fire and we select it as the numerical simulation software.
       We simulate four representative fire scenarios in a typical double-deck subway station, and the performances of various smoke control apparatus are analyzed besed on the numerical results. The numerical results show the process of fire development and the capabilities of sigle apparatus and their combinations in smoke control.

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第 1 章 引 言 1
1.1 研究背景 1
1.2 性能化火灾安全设计 2
1.2.1 现行消防技术规范的优势和不足 2
1.2.2 性能化火灾安全设计方法的引入及其基本思想 3
1.2.3 性能化火灾安全设计方法的优点 4
1.2.4 地铁站性能化火灾安全设计方法的目标 5
1.3 地铁站火灾及烟控系统 5
1.3.1 安全问题概述 5
1.3.2 火源 5
1.3.3 烟控系统 7
1.4 实验研究成果 10
1.5 数值研究成果 11
1.6 本文的研究内容 12
第 2 章 数值方法及其验证 13
2.1 模拟火灾的数值方法简介 13
2.1.1 区域模拟方法 13
2.1.2 场模拟方法 13
2.1.3 计算程序FDS简介 14
2.2 FDS采用的数值计算方法 15
2.2.1 守恒方程组 15
2.2.2 湍流模型 16
2.2.3 燃烧模型 18
2.2.4 辐射模型 21
2.3 实验验证 22
第 3 章 地铁站性能化火灾安全设计 26
3.1 火灾场景 26
3.2 计算参数设定 27
3.2.1 热释放率随时间变化设定 27
3.2.2 热释放率大小设定 27
3.2.3 燃烧物设定 28
3.2.4 网格设定 28
3.2.5 热边界条件设定 28
3.3 无烟控系统时的数值计算结果 29
3.4 传统烟控系统性能分析 33
3.4.1 烟控系统作用原理及风机确定 33
3.4.2 纵向通风系统性能分析 35
3.4.3 横向通风系统性能分析 35
3.4.4 传统烟控系统综合性能分析 37
3.4.5 小结 37
3.5 新型烟控系统性能分析 37
3.5.1 传统烟控系统的不足 37
3.5.2 一节车厢着火的情况 39
3.5.3 二节车厢着火的情况 40
3.6 小结 41
第 4 章 燃烧模型的改进及应用 42
4.1 FDS采用的燃烧模型的局限及改进 42
4.1.1 燃烧模型的详细分析 42
4.1.2 燃烧模型的局限 45
4.1.3 燃烧模型的改进 46
4.2 对改进的燃烧模型的实验验证 47
4.2.1 油池火灾问题 47
4.2.2 隧道火灾实验(EUREKA-Project EU 499） 48
4.3 改进以后方法在地铁站性能化火灾安全设计中的应用 49
4.3.1 改进以后方法的结果与FDS的结果的区别 49
4.3.2 三节车厢着火时的性能化分析 51
第 5 章 结 论 53
参考文献 55
致谢与声明 57
 
第 1 章 引 言
1.1 研究背景
    地铁现已成为大城市中的一种主要交通运输方式。相对于传统的其他运输方式，地铁具有运量大、快捷等优点。但与此同时也具有人员密集、空间狭小等缺点，一旦发生火灾易造成较大的人员伤亡和财产损失。在地铁线路中，地铁站是列车停靠的地点，列车不能像在隧道里那样当火灾发生后将人员及时带走；而地铁站还是人员换乘的地点，人员更加密集，发生火灾造成的人员损失会更加严重。表1.1[1]表示的是自从地铁出现以来就时常出现一些造成人员伤亡的火灾。