地铁火灾烟气流动规律的数值模拟研究

1、地铁火灾烟气流动规律的数值模拟研究 西安科技大学（梁雅婷） 汇报人 冯彩云 g2014809001绪论绪论02火灾理论分析火灾理论分析03地铁实例模型建立地铁实例模型建立04模拟结果分析模拟结果分析05结论与展望结论与展望目录目录研究现状研究背景和意义研究背景和意义绪论 地铁成为出行的重要的出行工具，且火灾事故时常发生。本文讨论的排烟通风方式对地铁火灾后人员安全疏散和消防救援具有十分重要的意义。 本文研究方法实验研究模拟研究一、绪论实验研究研究现状国外的研究国内的研究1965年，瑞士、英国、日本、奥地利等九个国家先后进行了大量的隧道实体尺寸火灾试验，研究了不同的通风方式及火灾荷载、温度与火灾持

2、续时间的关系。1993年，Bettis等人根据全尺寸矿山隧道火灾试验研究出热释放率与临界风速的关系。1996年，美国人Memorial进行了全尺寸的隧道火灾实验来研究临界风速，结果证明了火灾热释放率的增加，用临界风速计算公式算出的临界风速比实验值高出10%左右。北京工业大学田沛哲等采用半横向通风进行公路隧道实验台火灾控制试验得出不同隧道火灾发生位置的通风控制模式 。中南大学徐志胜等 采用1/5缩尺列车在火灾实验室进行风洞火灾实验 得出不同条件下的列车火灾特性及烟气蔓延特性 。一、绪论模拟研究实验研究研究现状国内的研究国外的研究网络模拟 模型中都假设烟气流动与空气流动形式相同并且两者相互混合后都

3、是均匀分布的。迄今为止，网络模型已由稳态模拟模型发展到非稳态模型。 场模拟 利用CFD计算流体力学的相关软件开展研究。 区域模拟 发现区域模型似乎不适用于研究隧道或者狭长通道内的烟气扩散和蔓延。网络模拟 2001年6月，西南交通大学的冯炼进行了深圳地铁隧道通风网络模拟研究，算出临界风速值。 区域模拟 郑晋丽得出了三种情形下烟气的最高温度和烟层最低界面高度以及它们分别出现的时间。 场模拟研究 2003年北京工业大学王日升对美狐林隧道火灾的烟气蔓延情况利用CFX5.5进行了的模拟计算，确定了烟气在不同火源情况下的临界风速并分析了隧道内的分层扩散现象。2005年，北京工业大学的张娜等人用场模拟软件C

4、FX5.5研究了火灾时有坡度隧道的边界风速问题，并对临界风速的常用坡度公式进行优化。 一、绪论模拟研究本文研究方法实验研究模拟研究研究现状1、首先根据地铁实际情况进行火灾可能性及可燃物分析;2、根据地铁火灾及烟气流动相关理论，建立数值模拟的数学模型；3、结合某地铁实际情况，分别确定行驶地铁列车和隧道内的火灾场景并建立隧道的物理几何模型；4、利用性能化防火的方法，对地铁上下行隧道的联络通道与防烟楼梯间的间距、宽度等具体参数进行了探讨计算。运用人员疏散的公式计算出安全疏散时间，并以此为判断标准作为 FDS 模拟的时间的参考。5、利用 FDS 软件对不同火灾场景下的地铁火灾进行数值模拟，分析烟气温度

5、、蔓延范围，烟气浓度及毒性，将隧道内温度场、能见度、烟气质量等参数的变化情况结果对比，判断是否可以安全疏散。一、绪论本文研究方法火灾特性分析通风排烟分析模拟理论分析 010203二、火灾理论分析二、火灾理论分析二、火灾理论分析二、火灾理论分析火灾特性分析火灾过程分析火灾危险性分析着火因素分析火灾可燃物成分分析：地铁火灾可燃物主要有乘客衣物、书籍、电缆设备及列车装饰火灾场景分析：内部火和外部火列车起火地点分析：列车起火地点有在站内和隧道起火两种地铁火灾规模分析 人员复杂难以管理可燃物燃烧成分复杂，且燃烧产物不易散去发生灾害时，若人员逃跑方向与烟气方向一致，危害性增大有毒有害气体危害、高温辐射危害

6、等二、火灾理论分析二、火灾理论分析通风排烟分析烟气流动 方式：烟囱效应、烟气的热浮力效应、气体热膨胀效应、 风的影响效应流动风速：临界风速排烟方式 自然排烟机械排烟横向式排烟半横向式排烟纵向式排烟排烟规范 地铁设计规范排烟评判标准 发生火灾时应采用2m/s-11m/s的排烟风速。二、火灾理论分析二、火灾理论分析模拟理论分析FDS 模拟原理 FDS 软件简介FDS的模拟原理是运用计算机求解火灾过程中空间分布的状态参数（速度、温度、各组分的浓度等）随时间变化的运算。这种模拟方式叫作场模拟，它的理论依据是自然界中成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应的定律。三、地铁实例模型建立三、地铁实例模型

7、建立 地铁结构图三、地铁实例模型建立三、地铁实例模型建立 1、火灾特征直径D*与网格尺寸划分大小密切相关。大量研究表明，FDS模型的网格尺寸d=0.1D*或d=0.2D*时，模型结果与实验结果较为相符。网格划分2、该地铁建立模型的网格总数为269，376个。火源附近网格划分情况如图3.3所示，左侧为着火隧道。三、地铁实例模型建立三、地铁实例模型建立 参数设定环境及烟气控制参数设定根据该地平均气温，在模拟计算开始时刻，将环境温度与地铁内部温度均设为 20，隧道四周墙壁及站内材料设为砖构造，热传导率为 0.69，站内及隧道区间烟气浓度在模拟开始时刻为 0。站内与外界四个出口正常情况下均为自然风压，

8、即不排烟也不送风。 计算出该模型模拟的临界风速为2.15m/s，结合排烟评判标准中规定的排烟速度大于11m/s时，不利于乘客行走的条件，取通风风速2.15m/s11m/s之间。本文在两个数值区间内取3个值，分别为2.8m/s、5.6m/s和8.2m/s。火源参数设定 模拟时列车火灾规模为 7.5MW采用稳态火源的理想假设状态疏散时间设定 火的发展蔓延时间警报器报警时间人员反应时间及选择不同路线逃跑时间tm=tt3+tt4=224.4+16.97=241.37s 本次模拟时间设为6min.四、模拟结果分析四、模拟结果分析纵向通风纵向通风1.v=2.8m/s 烟气浓度随时间变化图2.v=5.6m/

9、s 烟气浓度随时间变化图 3.v=8.2m/s 烟气浓度随时间变化图随风速增加，对烟气在人员疏散方向的抑制作用明显加强。8.2m/s 的通风条件能有效抑制烟气在疏散通道方向的蔓延，控制烟气向疏散路径的蔓延，相比于其他风速的抑制效果十分明显。四、模拟结果分析四、模拟结果分析纵向通风纵向通风从烟气质量随时间的变化趋势图中可以明显看出，通风风速的增大，有利于在火灾初期对烟气产量的抑制，保证人员疏散路径上烟气的产量保证在一个稳定的范围，并能在火灾初期很短时间内产生抑制效果，有利于人员疏散的顺利进行。四、模拟结果分析四、模拟结果分析横向通风横向通风1.v=2.8m/s 烟气浓度随时间变化图2.v=5.6

10、m/s 烟气浓度随时间变化图 3.v=8.2m/s 烟气浓度随时间变化图烟气随时间变化图看出，横向通风方式对于烟气浓度的扩散有一定的抑制作用，但是效果不明显，并且随着通风风速的加大至一定风速范围时，对烟气蔓延的抑制作用不再增强，不能满足对于站厅烟气的有效控制和人员疏散的条件。 四、模拟结果分析四、模拟结果分析横向通风横向通风图中明显可以看出三种风速条件下对烟气的产生量的抑制作用差别不大。在 250s后达到一个缓慢增长的过程，在 250s 之前烟气的产生量均成较快增长的趋势，说明该通风方式对火灾中烟气产生量的抑制效果不大，并且风速的增大对烟气产量的抑制作用影响不明显。 四、模拟结果分析四、模拟结

11、果分析半横向通风半横向通风1.v=2.8m/s 烟气浓度随时间变化图2.v=5.6m/s 烟气浓度随时间变化图 3.v=8.2m/s 烟气浓度随时间变化图由以上烟气随时间变化图看出，8.2m/s 的通风条件能有效抑制烟气在疏散通道方向的蔓延，控制烟气浓度的增加，相比于其他风速条件效果明显。 四、模拟结果分析四、模拟结果分析半横向通风半横向通风明显可以看出风速5.6m/s 及其 8.2m/s 的情况下对烟气的产生量有较强的抑制作用，大概在 20s 左右对整体火场的烟气产生控制作用，并在整个火灾过程中保持烟气产生量在一个可接受的范围内，有利于救援和人员疏散的进行。 纵向通风方式对于火场温度的抑制作用强于其他两种，并且风速越大，抑制作用越强。横向通风对温度蔓延抑制作用不大，并且过大风速会对温度蔓延的抑制起到不利作用。不同通风方式对烟气产量的影响作用:烟气随时间的产生量在纵向通风方式中产生量较小，横向通风方式和半横向通风方式的烟气产生量