地鐵火災(zāi)煙氣蔓延FDS數(shù)值模擬解析

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(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064 ； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 信息 工程學(xué)院，陜西西安710064 ； 3.長(zhǎng)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(shí)煙霧分布對(duì)人員疏散的影響問(wèn)題，以西安地 鐵2號(hào)線為研究對(duì)象，針對(duì)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)模 火災(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 Dyn amics Simulator ，火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬 仿真模型。利用該軟件對(duì)隧道開展數(shù)值模擬研究

2、，獲得了隧道火災(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 Kaixua n Ren She nhe He Di(School of electronic and control engineering, Chang an University, xi an 710064， China Modern engineer training center, Chang an University, xi an 710064， China。 Sc

3、hool of electronic and control engineering, Chang an University, xi an 710064Abstract:The purpose of this Paper is to effectively solve the problems concerning thesmoke distribution, which would influence the passengers safe evacuation, during the fire in subway tunnne1. The research object is theSu

4、bway Line Two in xi an. Accordingto 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. Cont

5、rary to specific 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:

6、subway tunnels; human evacuation; FDS numerical simulation; smoke spread0引言鑒于地鐵隧道火災(zāi)的危害性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者試圖通過(guò)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 FDS ( Fire Dynamics Simulator對(duì)西安地鐵2號(hào)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(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，獲取火

7、災(zāi)參數(shù)。1公路隧道熱釋放速率依據(jù)瑞典國(guó)家測(cè)試研究所In gas on .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(zhǎng)模型-增長(zhǎng)階段采用線性增長(zhǎng)、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(zhǎng)模型增長(zhǎng)階段采用平方增長(zhǎng)、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(zhǎng)模型火災(zāi)熱釋放率熱釋放率數(shù)學(xué)模型八時(shí)間平方增長(zhǎng)模型HRR=a20 maxHRR=a2maxt max dHRR=maxea(t- tdt d其中:tmax是火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放率的時(shí)間；td -維持最大熱釋放率的時(shí)間；Qmax 火災(zāi)最大熱釋放率；HRR 火

8、災(zāi)的熱釋放率。3）指數(shù)增長(zhǎng)模型In gas on .H采用一個(gè)指數(shù)函數(shù)來(lái)描述火源熱釋放率的變 化，燃料控制的火源熱釋放率模型一依據(jù)Numajiri和Furukawa的建議，給出以下數(shù)學(xué)模型：腋乂/（m 1.1）Q其中：、IlWX 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(wú)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(gè)過(guò)程，但線性熱釋放率對(duì)應(yīng)的 火荷載（熱釋放率函數(shù)對(duì)時(shí)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)模型給岀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。In

9、gason.H給出的平方增長(zhǎng)模型，即：增長(zhǎng)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(jiǎn)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(lái)描述受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的氣體流動(dòng)現(xiàn)象，其方程式 如下：P（/） = pRT（2.1.1）fds根據(jù) bouss in esq approximati on振動(dòng)項(xiàng)，其形式如下所示：r=人（i+門將溫度、密度與壓力區(qū)分為空間平均項(xiàng)與P 二 Po（l + P）P（Z=幾-幾弊+耐）（2.1.2）其中？氣體密度（kg/m3描述公路隧道火滅發(fā)展過(guò)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

10、程：dp八+ p pu = 0 0 t（2.1.3 ）組分守恒方程：d TZ _. _. TT.,一（旳）+ 巾巾二 v（pgvu）+ 皿 dt（2.1.4 ）動(dòng)量守恒方程：e u”(2.1.5 )p + (“V )+Vp - pg 二 Vr dt能量守恒方程：(p/?)+vpAn = + 9+vvr+vip/?.z).vy- dtdti(2.1.6 )氣體狀態(tài)方程(2.1.7 )其中：方程（2.1.5中流體受到的外力f可以包括水噴淋作用時(shí)，液滴對(duì)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(xiàng)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

11、.1.5式的動(dòng)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(jì)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(duì)空間坐標(biāo)的微分項(xiàng)采用二階中央差分法，時(shí)間的微分項(xiàng)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(dòng)力學(xué)演化過(guò)程，如果不是直接模擬求 解，它是不封閉的。若要對(duì)特定的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算，必須對(duì)上述方程中 表示湍流、燃燒、輻射傳熱等基本物理過(guò)程進(jìn)行正確的模化，同時(shí)還必須給出 正確的初始條件和邊界條件。2.2燃燒模型VFFule + Vo2 o2 - I VpJPr oducts/火災(zāi)過(guò)程幾乎都是湍流燃燒過(guò)程，火災(zāi)中的燃燒可能

12、是擴(kuò)散燃燒也可能是預(yù)混燃燒。在火災(zāi)動(dòng)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(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。即燃燒反應(yīng)可以簡(jiǎn)單表示成：(2.2.1)如果只關(guān)心火災(zāi)過(guò)程的熱效應(yīng)，該模型是簡(jiǎn)單實(shí)用的；若需要研究了解火災(zāi)過(guò)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(duì)于一般碳?xì)浠衔锶紵?應(yīng)可表示為：VcHy+VO202 VcmCO2+ VU2OH2O(222)相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率為：dt-BCxHyO2yEIRT(223)3西安地鐵2號(hào)線火災(zāi)動(dòng)態(tài)煙氣蔓延數(shù)值模擬3.1火災(zāi)場(chǎng)景及模型參數(shù)

13、設(shè)定本文將燃燒火源處理成一個(gè)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(dòng)態(tài)蔓延過(guò)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(guó)所給出不同火災(zāi)規(guī)模對(duì)應(yīng)的熱釋率火災(zāi)規(guī)模值，本文 的仿真實(shí)驗(yàn)將對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景分別設(shè)為30MW 100MW勺燃燒進(jìn)行動(dòng)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(duì)應(yīng)的火荷載與實(shí)際的火荷載偏差較大。指數(shù)模型給岀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

14、長(zhǎng)模型，即：增長(zhǎng)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(jiǎn)單，容易確定。3.2 30MW和 100Mw熱釋放率火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程表3.1不同火源在相同風(fēng)速下持續(xù)時(shí)間火源風(fēng)速增長(zhǎng)模型持續(xù)時(shí)間30MW2.5m/s平方增長(zhǎng)模型6.5min100MW2.5m/s平方增長(zhǎng)模型9min30MV火源平方增長(zhǎng)模型03r(t 6,5min)30(6.5 t 62min)2 ge(-0 042*(62)(13.5 t 140min)1OOMV火源平方增長(zhǎng)模型：fi(0 = 0.59U2(t 13.5min)(13.5 t 39.5min)(39.5 t 120min)A(f)= 100嚴(yán)EZD30MW

15、1OOMW圖3.1熱釋放率曲線Jiaaiieg irco II9HH30MW 100MW圖3.2截面溫度場(chǎng)變化情況Zk.MiX s 14 iMiw 3 I t . Jjf- h+ Mta Frw $19Tiwe NQO30MW 100MW圖3.3右洞中心線截面煙氣可見度場(chǎng)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)的溫度越高，溫度場(chǎng)的擴(kuò)散范圍越大；火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)溫度有一個(gè)急劇增加的過(guò)程；不同規(guī)模的火災(zāi)，隧道內(nèi)所產(chǎn)生的最高溫度從200C至1000C以上不等，30MW勺火災(zāi)在火源處火焰的最高溫度可達(dá)200C左右，100MW勺火災(zāi)在火源處壁頂?shù)淖罡邷囟瓤蛇_(dá)1000C以上。

16、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(shí)間增長(zhǎng)，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(yàn)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.隧道譯叢.1989(8.4 .柴永模.隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)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(chǎng)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、

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