地鐵火災(zāi)煙氣蔓延FDS數(shù)值模擬

1、地鐵火災(zāi)煙氣蔓延FDS數(shù)值模擬研究韓凱旋 任神河 何娣（1. 長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3. 長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064） 摘 要: 為了有效解決地鐵隧道火災(zāi)時煙霧分布對人員疏散的影響問題，以西安地鐵2號線為研究對象，針對火災(zāi)列車停留在隧道中的火災(zāi)工況，重點(diǎn)研究不同規(guī)?；馂?zāi)條件下隧道溫度、煙霧蔓延范圍、可見度等參數(shù)的分布情況及變化規(guī)律。根據(jù)該隧道特定的內(nèi)部幾何構(gòu)造，建立FDS(Fire Dynamics Simulator，火災(zāi)動態(tài)模擬仿真模型。利用該軟件對隧道開展數(shù)值模擬研究，獲

2、得了隧道火災(zāi)發(fā)展及煙氣蔓延的一般性規(guī)律。關(guān)鍵詞：地鐵隧道；人員疏散；FDS數(shù)值模擬；煙氣蔓延FDS numerical simulation on fire spread in subway tunnelHan Kaixuan Ren Shenhe He Di(School of electronic and control engineering, Changan University, xian 710064，China Modern engineer training center, Changan University, xian 710064，China。School of elec

3、tronic and control engineering, Changan University, xian 710064 Abstract: The purpose of this Paper is to effectively solve the problems concerning the smoke distribution, which would influence the passengers safe evacuation, during the fire in subway tunnne1. The research object is the Subway Line

4、Two in xian. According to hypothesis condition in the emergency when the burned subway train stops in the middle of the tunne1, It focuses on the study of the distribution and variation of temperature, smoke spreading scope, visibility and other parameters under different scales fire. Contrary to sp

5、ecific internal geometry of the tunnel, we built the FDS (Fire Dynamics Simulator simulation model of the tunnel. We use the software to execute the numerical simulation study. Lastly, we obtain the general rules of the fire development and the smoke spread rules in the tunnels. Key Words: subway tu

6、nnels; human evacuation; FDS numerical simulation; smoke spread0 引 言鑒于地鐵隧道火災(zāi)的危害性，國內(nèi)外學(xué)者試圖通過研究找出火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律，制定一套隧道火災(zāi)的預(yù)防措施和救援方法。本文利用計算流體動力學(xué)軟件FDS ( Fire Dynamics Simulator 對西安地鐵2號線進(jìn)行火災(zāi)仿真模擬，以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，引入浮力修正的湍流模型、湍流燃燒模型和輻射換熱模型，建立了適用于描述地鐵隧道內(nèi)煙氣溫度分布和氣體流動的計算流體動力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對地鐵隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時溫度場的數(shù)值模擬分析，獲取火災(zāi)參數(shù)。1 公路隧道

7、熱釋放速率依據(jù)瑞典國家測試研究所Ingason.H的火災(zāi)熱釋放理論,現(xiàn)行采用的火災(zāi)熱釋放率數(shù)學(xué)模型主要有以下幾種:1）線性增長模型增長階段采用線性增長、穩(wěn)定燃燒階段保持恒定、下降階段為線性下降。2）平方增長模型增長階段采用平方增長、穩(wěn)定燃燒階段保持恒定、下降階段采用指數(shù)模型，數(shù)學(xué)模型函數(shù)如表1.1: 表1.1 平方增長模型火災(zāi)熱釋放率平方增長模型熱釋放率數(shù)學(xué)模型時間HRR=at20 max HRR=at2maxtmax d HRR=Qmaxea(t- td td 其中:tmax是火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放率的時間；td維持最大熱釋放率的時間；Qmax火災(zāi)最大熱釋放率；HRR火災(zāi)的熱釋放率。3）指數(shù)增長

8、模型Ingason.H采用一個指數(shù)函數(shù)來描述火源熱釋放率的變化，燃料控制的火源熱釋放率模型依據(jù)Numajiri和Furukawa的建議，給出以下數(shù)學(xué)模型: （1.1）其中:最大熱釋放率；r，k根據(jù)實(shí)際條件定出的變量；n選取的變量，無物理意義。以上幾種數(shù)學(xué)模型中，線性模型直觀明了，反應(yīng)了火災(zāi)變化的整個過程，但線性熱釋放率對應(yīng)的火荷載(熱釋放率函數(shù)對時間求積分即熱釋放率曲線和坐標(biāo)軸圍成的面積稱之為火荷載與實(shí)際的火荷載偏差較大。指數(shù)模型給出了不同控制條件下熱釋放率的數(shù)學(xué)模型，但是這些模型比較復(fù)雜，且模型里未定的參數(shù)較多，不易選定。Ingason.H給出的平方增長模型，即:增長段采用平方函數(shù)，穩(wěn)定段為

9、常值、衰減段為指數(shù)函數(shù)，形式簡單，容易確定。2 地鐵隧道火災(zāi)數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)2.1 基本方程FDS以低馬赫數(shù)的LES方程式來描述受火災(zāi)浮力驅(qū)動的氣體流動現(xiàn)象，其方程式如下: （2.1.1）FDS根據(jù)boussinesq approximation將溫度、密度與壓力區(qū)分為空間平均項與振動項，其形式如下所示: （2.1.2）其中 氣體密度(kg/m3描述公路隧道火滅發(fā)展過程的數(shù)學(xué)模型建立在N-S方程基礎(chǔ)上，在一般坐標(biāo)系表示為如下形式:質(zhì)量守恒方程: （2.1.3）組分守恒方程: （2.1.4）動量守恒方程: （2.1.5）能量守恒方程: （2.1.6）氣體狀態(tài)方程: （2.1.7）其中:方程(2.

10、1.5中流體受到的外力f可以包括水噴淋作用時，液滴對流體的阻力作用及除重力外的其他外力；q表示流體因燃燒反應(yīng)放出的熱量。即表示壓力項的物質(zhì)導(dǎo)數(shù)。綜合上述，F(xiàn)DS由(2.1.6式的能量方程式，(2.1.5式的動量方程式以及(2.1.2的空間平均溫度、密度與壓力方程式聯(lián)立求解計算區(qū)域的速度、溫度、密度與壓力。在方程式的數(shù)值方法方面，F(xiàn)DS對空間坐標(biāo)的微分項采用二階中央差分法，時間的微分項則以顯性二階Runge-Kutta法離散化。上述方程組描述了一般形式下的火災(zāi)動力學(xué)演化過程，如果不是直接模擬求解，它是不封閉的。若要對特定的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬計算，必須對上述方程中表示湍流、燃燒、輻射傳熱等基本物理過

11、程進(jìn)行正確的模化，同時還必須給出正確的初始條件和邊界條件。2.2 燃燒模型火災(zāi)過程幾乎都是湍流燃燒過程，火災(zāi)中的燃燒可能是擴(kuò)散燃燒也可能是預(yù)混燃燒。在火災(zāi)動力學(xué)模擬中，采用的湍流燃燒模型有混合組分燃燒模型和有限化學(xué)反應(yīng)速度模型?；旌辖M分燃燒模型假定系統(tǒng)為:燃燒單步不可逆反應(yīng)的簡單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。即燃燒反應(yīng)可以簡單表示成: （2.2.1）如果只關(guān)心火災(zāi)過程的熱效應(yīng)，該模型是簡單實(shí)用的；若需要研究了解火災(zāi)過程中污染物和有毒有害氣體的產(chǎn)生，則需要引入包含這些物質(zhì)產(chǎn)生機(jī)理和速率的有限化學(xué)反應(yīng)模型。對于一般碳?xì)浠衔锶紵磻?yīng)可表示為: （2.2.2） 相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率為: （2.2.3）3 西安地鐵2號

12、線火災(zāi)動態(tài)煙氣蔓延數(shù)值模擬3.1火災(zāi)場景及模型參數(shù)設(shè)定本文將燃燒火源處理成一個燃燒面積固定的火源。另外，由于研究的是隧道內(nèi)煙氣的動態(tài)蔓延過程，故不考慮火災(zāi)燃燒物的構(gòu)成比例以及化學(xué)反應(yīng)引起煙氣成分的變化。隧道采用入口縱向通風(fēng)，風(fēng)速為2.5m/s。以下參考Ingason.H給出的幾種火源熱釋放率模型，并結(jié)合各國所給出不同火災(zāi)規(guī)模對應(yīng)的熱釋率火災(zāi)規(guī)模值，本文的仿真實(shí)驗將對火災(zāi)場景分別設(shè)為30MW、100MW的燃燒進(jìn)行動態(tài)模擬，所取的值應(yīng)是是合理的。線性模型直觀明了，但線性熱釋放率對應(yīng)的火荷載與實(shí)際的火荷載偏差較大。指數(shù)模型給出了不同控制條件下熱釋放率的數(shù)學(xué)模型，但是這些模型比較復(fù)雜，且模型里未定的參

13、數(shù)較多，不易選定。Ingason.H給出的平方增長模型，即:增長段采用平方函數(shù)，穩(wěn)定段為常值、衰減段為指數(shù)函數(shù)，形式簡單，容易確定。3.2 30MW和100Mw熱釋放率火災(zāi)煙氣蔓延過程表3.1 不同火源在相同風(fēng)速下持續(xù)時間火源風(fēng)速增長模型持續(xù)時間30MW2.5m/s平方增長模型6.5min100MW2.5m/s平方增長模型9min30MW火源平方增長模型:100MW火源平方增長模型:30MW 100MW圖3.1熱釋放率曲線 30MW 100MW圖3.2截面溫度場變化情況30MW 100MW圖3.3右洞中心線截面煙氣可見度場分布結(jié)論：在縱向通風(fēng)風(fēng)速為2.5m/s的條件下，火災(zāi)規(guī)模越大，隧道內(nèi)各點(diǎn)

14、的溫度越高，溫度場的擴(kuò)散范圍越大；火災(zāi)時，隧道內(nèi)溫度有一個急劇增加的過程；不同規(guī)模的火災(zāi)，隧道內(nèi)所產(chǎn)生的最高溫度從200至1000以上不等，30MW的火災(zāi)在火源處火焰的最高溫度可達(dá)200左右，100MW的火災(zāi)在火源處壁頂?shù)淖罡邷囟瓤蛇_(dá)1000以上。 隧道內(nèi)縱向溫度分布特點(diǎn)表現(xiàn)為:火源溫度最高，隨著遠(yuǎn)離火區(qū)溫度逐漸降低；隨著時間增長，火源附近上游區(qū)域的溫度高于下游區(qū)域的溫度；豎直方向呈上層高底層低。參考文獻(xiàn)1.覃文清、李風(fēng).隧道火災(zāi)與防范J.消防科學(xué)與技術(shù).2004(1:54.2.蘭利敏(譯，交通隧道的防火:大規(guī)模試驗的初步研究成果M.隧道譯，1994(23.馬積薪(譯.公路隧道的防火設(shè)備M.隧

15、道譯叢.1989(8.4.柴永模.隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的溫度分布規(guī)律初探N.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息.2002.3.5.王明年、楊其新等.公路隧道火災(zāi)溫度場的分布規(guī)律研究J.地下空間.2003，23(3:317-322.6.王明年、楊其新、袁雪戡、楊忠，公路隧道火災(zāi)溫度場的分布規(guī)律研究J.地下空間，2003(3: 317-3237.史聰靈，鐘茂華，涂旭煒等深埋地鐵車站火災(zāi)實(shí)驗與數(shù)值分析M北京:科學(xué)出版社20098.虞利強(qiáng)城市公路隧道建設(shè)中火災(zāi)數(shù)值模擬與滅火救援體系研究D.碩士學(xué)位論文.上海:同濟(jì)大學(xué)20089.楊濤公路隧道火災(zāi)熱釋放率及通風(fēng)方式研究D.碩士學(xué)位論文.西安:長安大學(xué)200910.蔣玲火災(zāi)模擬軟件在性能化防火設(shè)計中的應(yīng)用研究D.碩士學(xué)位論文.大連:大連理工大學(xué)2009文章標(biāo)題地鐵火災(zāi)煙氣蔓延FDS數(shù)值模擬研究作者單位陜西省西安市長安大學(xué)作者姓名韓凱旋研究方向隧道通風(fēng)E-mail hankaixuan7816 聯(lián)系電話郵 編710064手 信地址陜西省西安市長安大學(xué)雁塔校區(qū)投稿欄目通信與信息技術(shù)文章標(biāo)題地