淺談地鐵站火災模擬中數值模型的建立與方法驗證

【摘 要】地鐵火災研究常采用數值模擬的方法。火災數值模擬中地鐵站模型的選擇、邊界條件的建立及模擬方法對問題的探討影響很大。通過對典型地鐵站物理模型的建立、邊界條件的分析、數值模擬方法的驗證，對后續的研究起到關鍵性的作用。

【關鍵詞】地鐵站；火災；數值模擬

Discussion on Subway Station Fire Simulation Numerical Model and Method Validation

Xu Shuo，Yu Xiao-Dan，YU Yan

(Changchun Architecture And Civil Engeering College Changchun Jilin130607)

【Abstract】Subway fire research often using numerical simulation method. It is great influence for research that subway station model selection， creation of boundary condition and simulation method in Numerical simulation of fire. Through establishment of the typical subway station physical model， analysis of the boundary condition， numerical simulation method of verification， for follow-up research play a key role.

【Key words】Subway Station;Fire;Numerical simulation

隨著城市的發展，地鐵已經成為城市交通的命脈。人們大多喜歡乘坐地鐵出行，高峰時期地鐵中人員密度非常大。由于地鐵火災的特征不同于地面建筑，當地鐵發生火災時及易造成嚴重的財產損失和人員傷亡。地鐵火災實驗很難進行，為了便于問題的探討，常常選擇數值模擬的方法來對其進行研究。^［1］

1. 地鐵車站模型選擇

根據地鐵車站不同形式的特點以及便于問題的研究，地鐵站火災模擬中選取沈陽地區典型淺埋島式地鐵車站為研究對象。車站公共區域通風空調系統按站廳、站臺均勻送-回（排）風設計（閉式系統）。站臺層設置軌底排風風道，排風口與剎車電阻箱對齊；軌頂排風風道，排風口與列車空調冷凝器對齊；站臺排風風道。車站空調回（排）風機兼作車站公共區消防排煙風機，回（排）風風道兼作排煙風道。站廳層送風風量為66000m 3/h ，站臺層排煙量為132000m 3/h。地鐵車站公共區域剖面如圖1所示，車站主體兩層結構均在地面以下。

2. 地鐵車站計算區域

地鐵車站公共區域構造比較復雜，售票亭、檢票口等對煙氣擴散影響不大。合理簡化計算區域構造，可以提高網格生成的速度和質量，減少計算單元和節點，適當的降低計算成本，又不影響整體研究的效果。地鐵車站計算區域三維示意圖如圖2，站廳與站臺層之間的結構不作為計算區域（即忽略兩層的導熱作用）。站臺層長120m，候車區計算層高3.5m，寬11.8m；隧道出入口4個，尺寸為3.75m×5.26m；軌頂排煙口24個，尺寸為1m×0.6m；軌底排煙口48個，尺寸為0.8m×0.3m；送回風口72個，尺寸為0.5m×0.5m。站廳層長88m，寬19.3m，計算層高3.5m；送風口30個，尺寸為0.5m×0.5m；車站出入口4個，尺寸為4.5m×2.5m。

3. 火源邊界條件設置

邊界條件，是指在數值模擬求解域的邊界上，所求解的變量或其一階導數隨地點及時間變化的規律。只有給定了合理的邊界條件，才可能計算得出流場的解。因此，邊界條件是使數值求解問題有定解的必要條件，任何一個數值求解問題都必須有邊界條件。

世界各國對于各種可燃物的釋熱速率并沒有明確的界定，根據香港地鐵工程技術人員的保守估計，地鐵車站公共區火災釋熱速率為2MW^［2］；而英國Building Research Establish出版的報告中顯示，在人員聚集的公共場所可能的火災釋熱速率為2～2.5MW。根據文獻^［3］，本次研究地鐵車站公共區域火災釋熱速率為5MW的火災情景，火源釋熱速率隨時間變化曲線如圖3。

4. 數值實驗方法驗證

數值模擬方法是否正確常常需要通過相應的實驗來進行驗證，但是地鐵站火災實驗很難進行。下面驗證的過程是用地鐵站火災數值模擬實驗的方法，針對已有隧道火災實驗數據來進行的對比，以表明火災數值模擬實驗方法的正確。

4.1 模型建立。

Kumar曾對隧道火災進行了實驗測試，隧道尺寸長390m、寬5m、高4m^［4，5］。火源釋熱速率在10s內，從0線性增長到7.225MW，如圖4。

根據上述條件建立相應物理模型，如圖5所示，在此基礎上采用與地鐵站火災數值模擬實驗相同的方法來進行對比。總計算時間為120s，截取部分計算區域，對數值實驗結果進行分析。

圖5 隧道火災物理模型

4.2 數值實驗結果。

自然通風情況下，120s時火源中心X=2.5m截面溫度及速度矢量分布如圖6、圖7所示。

從圖中可以看到，強烈對流產生的溫度分布和速度矢量分布，基本以火源為中心成對稱分布；熱煙氣向上運動，并在隧道頂部形成熱煙氣層向隧道兩端擴散，最大擴散速度為7m/s；由于煙羽流的作用，煙氣層下方的空氣向著火源方向運動，速度較慢小于2m/s，與文獻［73］的計算值相似。

4.3 數值模擬實驗與實驗測試對比。

圖8為距火源10m處，隧道中心線上的溫度分布和速度分布與文獻^［5］的計算值和Kumar實測值的對比。從圖中可以看到，速度分布與文獻^［5］的計算值和Kumar實測值相近，趨勢相同；溫度分布稍有偏差，主要是沒有考慮輻射傳熱而引起的溫度稍高，但是總體趨勢是相同的。綜上所述，火災數值模擬實驗方法可以較好的描述火災的發展過程。

5. 總結與后續研究展望

本文僅呈現了部分研究的內容。在地鐵站火災數值模擬研究中，地鐵站物理模型的選擇，模擬時邊界條件的設置，數值模擬方法是否正確，都對實驗結果造成一定的影響。物理模型的選擇可以根據已有或在建的項目來構建，邊界條件的設置可以根據相關研究來確定，二數值模擬方法是否正確就要和實際燃燒實驗來進行對比。后續研究中還涉及到：（1）地鐵站發生火災時，不同防排煙系統模式下，溫度場、速度場、以及火災煙氣蔓延和排煙效果的研究。（2）列車活塞風對地鐵站火災溫度場、速度場以及煙氣蔓延的影響。

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參考文獻

［1］ 徐碩．地鐵火災煙氣蔓延研究初探．中國科技縱橫，2011年7月（下）總第122期.

［2］ 李啟榮，黎少其．地鐵火災系統保障研究．香港：城市軌道交通研究，2001.

［3］ 楊昀，曹麗英．地鐵火災場景設計探討．自然災害學報，2006，Vol.15(4)：122~125.

［4］ S Kumar， G Cox．Mathematical modeling of fires in road tunnels．Proceedings of the 5th International Conference of Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnel， 1985:61~74.

［5］ 王春．地鐵車站通風與火災三維數值模擬研究：［學位論文］．成都：西南交通大學，2005.

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［文章編號］1619-2737（2011）11-03-312