基于FDS地鐵火災煙氣蔓延數(shù)值模擬研究
摘要:為了有效解決地鐵隧道火災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,針對火災列車停留在隧道中的火災工況,重點研究不同規(guī)?;馂臈l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)部幾何構造,建立FDS仿真模型。利用該軟件對隧道開展數(shù)值模擬研究,獲得了隧道火災發(fā)展及煙氣蔓延的一般性規(guī)律。
關鍵詞:地鐵隧道;人員疏散;FDS數(shù)值模擬;煙氣蔓延
0 引言
鑒于地鐵隧道火災的危害性,國內(nèi)外學者試圖通過研究找出火災發(fā)生的規(guī)律,制定一套隧道火災的預防措施和救援方法。本文利用計算流體動力學軟件FDS(Fire Dynamics Simulator,火災動態(tài)模擬)對西安地鐵2號線進行火災仿真模擬,以Navier-Stokes方程為基礎,引入浮力修正的k-ε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模型,實現(xiàn)了對地鐵隧道內(nèi)火災發(fā)生時溫度場的數(shù)值模擬分析,獲取了火災參數(shù)。
1 公路隧道熱釋放速率
依據(jù)瑞典國家測試研究所Ingason.H的火災熱釋放理論,現(xiàn)行采用的火災熱釋放率數(shù)學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)學模型函數(shù)如表1所示。
其中:tmax為火災達到最大熱釋放率的時間;td為維持最大熱釋放率的時間;Qmax為火災最大熱釋放率;HRR為火災的熱釋放率。
(3)指數(shù)增長模型: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)學模型:
式中:Qmax為最大熱釋放率;r,k為根據(jù)實際條件定出的變量;n為選取的變量,無物理意義。
2 地鐵隧道火災數(shù)值模擬理論基礎
2.1 基本方程
FDS以低馬赫數(shù)的LES方程式來描述受火災浮力驅(qū)動的氣體流動現(xiàn)象,其方程式如下:
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:
式中ρ為氣體密度(單位:kg/m3)。
描述公路隧道火災發(fā)展過程的數(shù)學模型建立在N-S方程基礎上,在一般坐標系下表示為如下形式:
其中:方程(6)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。方程(7)中q表示流體因燃燒反應放出的熱量;,即表示壓力項的物質(zhì)導數(shù)。
綜合上述,F(xiàn)DS由式(7)、式(6)和式(3)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火災的動力學演化過程,如果不是直接模擬求解,它是不封閉的。若要對特定的火災場景進行模擬計算,必須對上述方程中表示湍流、燃燒、輻射傳熱等基本物理過程進行正確的模化,同時還必須給出正確的初始條件和邊界條件。
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