基于FDS地鐵火災(zāi)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(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(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
0 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,火災(zāi)動態(tài)模擬)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(xué)模型,實現(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,獲取了火災(zāi)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(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所示。
其中:tmax為火災(zāi)達(dá)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(zāi)最大熱釋放率;HRR為火災(zāi)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(xué)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(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:
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(zāi)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(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(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火災(zāi)的動力學(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。混合組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)可以簡單表示為:
如果只關(guān)心火災(zāi)過程的熱效應(yīng),該模型是簡單實用的;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:
3 西安地鐵2號線火災(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2.5 m/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)的熱釋放率火災(zāi)規(guī)模值,本文的仿真實驗將火災(zāi)場景分別設(shè)為30 MW,100 MW的燃燒進(jìn)行動態(tài)模擬,所取的值應(yīng)是合理的。
以上幾種數(shù)學(xué)模型中,由于線性模型直觀明了,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)與實際的火荷載偏差較大。指數(shù)增長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)定段為常值;衰減段為指數(shù)函數(shù),形式簡單,容易確定。
3.2 30 MW和100 MW熱釋放率火災(zāi)煙氣蔓延過程
30 MW火源平方增長模型:
30 MW和100 MW的熱釋放率曲線如圖1所示。
不同火源在相同風(fēng)速下持續(xù)時間如表2所示。
30 MW和100 MW火災(zāi)時隧道中心線溫度場分布圖如圖2所示。在縱向通風(fēng)風(fēng)速為2.5 m/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200~1 000℃以上不等,30 MW的火災(zāi)在火源處火焰的最高溫度可達(dá)200℃左右,100 MW的火災(zāi)在火源處壁頂?shù)淖罡邷囟瓤蛇_(dá)1 000℃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。
30 MW和100 MW火災(zāi)時隧道中心線上煙氣能見度場分布圖如圖3所示。煙氣層高度是描述火災(zāi)煙氣運(yùn)動的重要參數(shù)之一。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,如果煙氣層高度過低,會直接影響到人的視力,也就不容易判斷正確的逃生路線,有可能會逃到更危險的區(qū)域。
基于此,通過仿真,可以得出隧道火災(zāi)煙氣流縱向分布的特性:
(1)火災(zāi)時,隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣層在豎直方向的最低高度從2~6 m不等,大部分情況為煙氣層在隧道內(nèi)3 m左右的高度上下波動。
(2)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力及火源處源源不斷的煙氣流所產(chǎn)生的向上噴發(fā)的動力,加之煙氣流在壁頂滯留時間較短,煙氣被吹向下游,遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的區(qū)域煙氣會首先下沉并朝上游方向逐漸堆積。遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的高層區(qū)域的煙氣所受到的縱向風(fēng)力較小,由于慣性作用的減弱加上重力作用,所以遠(yuǎn)處煙氣將首先下沉。
(3)隨著煙氣下沉,隧道內(nèi)的能見度將逐漸降低,分布規(guī)律為隧道高層煙氣濃密,能見度低;底層煙氣稀疏,能見度較高;遠(yuǎn)離火源區(qū)域較濃密,近火源區(qū)域較稀疏。
4 結(jié)論
綜合上述,當(dāng)?shù)罔F隧道發(fā)生火災(zāi)時,較為理想的逃生及救援路徑就是借助隧道內(nèi)的人行橫洞,車行橫洞次之。煙氣流幾乎不會進(jìn)入人行橫洞,且其內(nèi)溫度也接近常溫;對車行橫洞而言,橫洞底層溫度也接近常溫,30 MW的火源功率左洞內(nèi)的煙層高度在4 m以上,但是煙氣從右洞大量進(jìn)入左洞,使其空氣質(zhì)量會有所下降,并且會帶入一定量的有毒氣體,會對左洞交通造成一定影響,但不失為救援及逃生可考慮的重要路徑。逃生人員可迅速通過橫洞到達(dá)安全區(qū)域,救援人員亦可通過橫洞來展開相關(guān)的救援工作。另外,利用隧道通風(fēng)系統(tǒng)控制火災(zāi)煙氣防止其向上游擴(kuò)散,防止煙氣回流,可為人員疏散和消防救援在上游提供有利的救援環(huán)境。