地铁火灾CFD模拟时边界条件的研究

1引言

对于从地铁网络中切割出来的车站或者区间火灾烟气流动的数值模拟来说，一般只有给定所有与外界相通状态的相关参数(包括流速、压力、温度等)，模拟计算才可以进行.模拟计算所需边界条件的确定，是影响模拟结果可靠性的一个主要因素.

目前，国内外在研究地铁火灾时，一般通过现场测试和计算机模拟获得模拟所需的边界条件.相当多的研究人员[1.2]就是通过现场测试，获得了模拟所需要的边界条件。但是由于现场实验的可操作性不强。因此对于大部分所研究的地铁车站只能采用计算机模拟的方法来得到边界条件.现在有很多研究人员[3]利用成熟的地铁环控模拟软件SES对正常情况下的车站及区间隧道火灾进行模拟研究，把SES的结果作为CFD三维计算流体力学模拟研究的边界条件来对地铁车站火灾进行分析.但是SES是一维模型，多用来研究一维区间隧道的火灾模拟，而且若要比较准确地得到某个截面的平均物理量，需要预先设置大量的经验常数和几何参数.因此，对于研究包括空间较大的车站烟气的三维流动的准确性具有很大的局限性.

本研究利用CFD方法对数值模拟区域的边界进行了综合考虑，通过与现场实验结果进行比较，确立了一种比较方便准确确定地铁车站或者区间CFD模拟的边界条件方法，即所谓的“连体模型”方法.

2物理模型

如图1所示，是由多个车站及区间组成的“多连体”.当火灾发生在车站D时，车站D和相邻两区间C, E的应急通风排烟风机开启;当火灾发生在区间E时，区间E和相邻两车站D、F的应急通风排烟风机开启.

“连体模型”的基本思想如下:(a)对于车站的数值模拟，为了获得车站D两端的断面风速，把“区间A一车站B一区间C一车站D一区间E一车站F一区间G(三车站一四区间)”当作一个整体来考虑。首先将车站B、车站D和车站F的计算模型简化，由于区间A和区间G均与车站相连，而且车站有通道直接与外界大气相通，认为车站压力即是大气压力，与区间A和区间G相连的远端车站对所研究的车站D的影响忽略，区间A和区间G相连远端可假设自由开口边界条件，即两端面开口，(b)对于区间的数值模拟，为了获得区间E两端的断面风速，把“区间C一车站D一区间E一车站F一区间G(两车站一三区间)”当作一个整体来考虑.首先将车站D和车站F的计算模型简化，区间A和区间G相连远端可假设自由开口边界条件.把计算得出的结果作为相应的单个车站或者区间进行数值模拟计算的边界条件。

3数学模型及计算方法

3.1基本控制方程

3.2数位计算方法

本研究的数值模拟使用PHOENICS软件，计算用的是标准的k-ε湍流模型.数值计算在直角坐标系中进行，网格采用结构化网格，内节点法，节点位于控制容积的中心.

4数值模拟结果及与实验结果的比较

4.1车站发生火灾时的计算模型及结果

4.1.1不同风机风量的结果比较

本研究对北京某地铁线路的冷烟现场进行实际测量，车站和区间风机单台额定风量为55 m3/s，两台风机并联独立运行的测试风量为91.25 m3/s和125.5 m3/s，其平均值为108.375 m3/s，与风机的额定风量接近，由于风机的额定风量容易获得，对风机风量设置为某一测试值91.25 m3/s和110 m3/s分别进行了模拟研究。比较结果如图2，可看出风机风量取两台风机并联的额定风量时，模拟结果接近于现场实测值.

4.1.2模型简化出入通道结果的比较

用“连体”模型进行模拟计算时尽量将人行出入口通道简化，这样可以使计算网格划分均匀，计算量相对减少，有利于计算结果的收敛.在风机风量设置为110 m3/s的前提下，对是否简化人行出入口通道分别进行了模拟研究.比较结果如图3，可以看出简化出入口模型的模拟结果接近于现场实验值.

4.1.3多“连体”结果的比较

在风机风量设置为110 m3/s和简化出入口的前提下，对三车站一两区间模型、三车站一四区间模型和五车站一四区间模型分别进行了模拟研究。比较结果如图4，可以看出三车站一四区间模型、五车站一四区间模型的模拟结果与现场实验结果比较吻合.

4.2区间发生火灾时的计算模型及结果

在风机风量设置为110 m3/s的前提下，对两车站一三区间模型和四车站一三区间模型分别进行了模拟研究.比较结果如图5.可以看出四车站一三区间模型的模拟结果与现场实验结果比较吻合.

5讨论

5.1结.分析

在使用“连体模型”进行数值模拟时，为了获得准确的模拟结果，必须确定合理的风机参数.从图2可以看出风机风量取额定风量时，模拟结果和现场实验值的差别是不大的，这样就避开了需要对风机进行实测来获得模拟风量的不便.

对于“连体模型”而言，在数值计算时存在风量如何分配的问题即车站风量是通过人行出入口排到室外还是通过隧道流向下一个车站，简化出入口不仅可减小计算量、使计算更容易收敛，而且还可以减小人行出入口的阻力，这样和“连体模型”中所研究的车站或者区间两端相连的区间或者车站比实际的少而导致阻力减小相平衡，保证了模拟结果的准确性.从图3可看出简化出入口模型的模拟结果更接近于现场实验值。

为了保证计算机对模拟可以实现，我们需要确定“连体模型”涉及多少个车站和区间为优即计算量小又能很好的反映实际情况.从图4可以看出三车站一四区间模型、五车站一四区间模型的模拟结果与现场实验结果比较接近，并且边界自由出口风速要比三车站一两区间模型的边界自由出口风速小很多，基本符合“连体模型”思想的假设即远端车站和区间的影响可以忽略。考虑到二者结果相差不大和计算量的大小，认为三车站一四区间模型是最优的.对于区间的数值模拟，从图5中可以看出，四车站一三区间模型的模拟结果和现场实验测试结果吻合得比较好。

6结论

通过现场测试数据和模拟结果的比较分析，可以看到通过对“连体模型”模拟获得相应单个车站或者区间数值模拟所需边界条件的方法是可行的，其准确度是可信的，相关模拟设置可供以后模拟参考.在进行“连体模型”模拟的过程中，风机的风量可以设置为额定风量;并且为了减小计算量使计算容易收敛，尽量简化模型的人行出入口，由分析的结果可以得到简化模型的人行出入口后，由于平衡了阻力反而模拟的结果更接近于实测值.为了让“连体模型”所涉及的车站和区间少又能很好的反映真实情况，对于车站边界条件的确定，选用三车站一四区间模型为最优;对于区间边界条件的确定，选用四车站一三区间模型为最优，此时，所有出入口可认为是自由边界条件.