FDS在隧道中建模方式的研究

方 偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

近年來，隨著我國經濟的騰飛，交通事業蓬勃發展，隧道的建設規模也越來也大。隨著隧道的長度和數量的增加，發生隧道火災的概率也越來越大。由于隧道結構是一個封閉的狹長結構物，在隧道內發生火災后，隧道內人員疏散難度很大，嚴重的火災還會造成隧道襯砌結構的損毀，造成非常不良的社會影響。因此，在隧道設計中，必須考慮隧道火災的影響。

目前，隧道火災的研究方法主要有實體實驗、模型實驗和數值模擬等方法，其中數值模擬的方法因省時省力、可靠性高而備受研究者關注。數值模擬所用的軟件有很多種，FDS作為一款專業的火災動力學模擬軟件已逐漸成為火災數值模擬的主流軟件之一［1］。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國NIST(National Institute of Standards and Technology)開發的一種火災模擬程序。FDS是一種以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學軟件。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程［2］。由于FDS程序是開放的，其準確性得到了大量試驗的驗證。因此，在火災領域得到了廣泛應用。

FDS軟件為了保證計算的快速性和準確性，只采用了一種接近立方體的網格，而且在建立實體模型以后，實體模型的邊界會自動靠近最近的網格。眾所周知，隧道結構為了保證受力均勻，一般都是用弧形結構，而FDS的建模中不能直接建立弧形結構，只能通過矩形疊加的方式來近似的構成弧形結構［3］。結合FDS在隧道中建模的兩種方式，分別對實際工程進行模擬分析，比較兩種建模方式的優缺點。

2 兩種建模方式

FDS建模時，所建實體的最小單元只能是長方體，不具備直接創建傾斜實體、弧形實體等特殊實體的功能。而由于隧道橫斷面輪廓一般含有曲線，使用FDS建立隧道模型必須要利用分解原理，將特殊實體由若干立方體單元來創建。

在隧道建模中常見的建模方式有以下2種。

(1)實體疊加建模:首先通過PDIM命令生成出一個合理的計算區域，在該區域內通過OBST命令生成多個長方體的實體障礙物，通過若干長方體形的實體障礙物疊加后所剩下區域即為最后形成隧道模型。見圖1。

(2)計算區域疊加建模:通過PDIM命令生成多個長方體形的計算區域，多個長方體形的計算區域疊加后的總計算區域即為最后形成隧道模型。見圖2。

圖1 實體疊加建模方式

圖2 計算區域疊加建模方式

3 兩種隧道建模方式的對比

為比較兩種建模方式的優缺點，現對某隧道按上述兩種建模方式建模，然后劃分網格進行火災模擬計算，并對模擬計算的結果進行分析比較。

3.1 計算對象

本次建模選取某公路隧道為研究對象，設定其計算區域的長為500 m。

為比較上述兩種隧道建模方式，擬定了以下兩種工況進行分析對比。

實體疊加建模方式，火源功率20 MW，火源位置在隧道中部，邊界條件為兩端自然開口，網格大小為0.5 m×0.2 m×0.2 m，編號:F-1。模型見圖3。

計算區域疊加建模方式，火源功率20 MW，火源位置在隧道中部，邊界條件為兩端自然開口，網格大小為0.5 m×0.2 m×0.2 m，編號:F-2。模型見圖4。

圖3 工況F-1模型

圖4 工況F-2模型

3.2 計算結果分析

3.2.1 兩種模型的溫度曲線分布

圖5、圖6分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道軸線方向高度為5 m處的溫度分布曲線。從圖5、圖6中看出，火災發生后，在100 s時，火源位置處溫度升高到50℃左右，火源位置前后50 m溫度均有升高。在200 s時，火源位置處溫度升高到150℃左右，火源位置前后150 m溫度均有升高。在300 s時，工況F-2中火源位置處溫度為380℃左右，而工況F-1中該處溫度為500℃。在400 s時，工況F-2中火源上方溫度保持在380℃左右，而工況F-1該處下降為400℃左右，工況F-2中溫度曲線開始出現不對稱現象。在500 s時，工況F-2中火源上方溫度下降到320℃左右，而工況F-1中該處溫度下降到380℃。

圖5 工況F-1沿隧道軸向溫度曲線

圖6 工況F-2沿隧道軸向溫度曲線

3.2.2 兩種模型能見度分布

圖7、圖8分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道軸線方向高度5 m處能見度分布曲線。從圖7、圖8中可以看出，火災發生后，在100 s時，火源點附近能見度下降至6 m左右，煙氣蔓延至火源點前后50 m。在200 s時，煙氣蔓延至火源點前后150 m，工況F-2的能見度曲線變化更為陡峭，工況F-1的能見度曲線變化相對平緩。工況F-2中，在20 m左右的距離內，能見度從30 m下降至5 m，而工況F-1中，在60 m左右的距離內，能見度從30 m下降至5 m左右。圖9、圖10分別為工況 F-1、工況 F-2 在 100、200、300、500 s時的能見度云圖。

圖7 工況F-1沿隧道軸向能見度曲線

圖8 工況F-2沿隧道軸向能見度曲線

圖9 工況F-1在Y=0處能見度云圖

圖10 工況F-2在Y=0處能見度云圖

3.2.3 兩種模型風速分布

圖11、圖12分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道軸線方向高度5 m處風速分布曲線。圖13、圖14分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道方向高度5 m處風速云圖。從圖11、圖12中可以看出，火災發生后，在100 s時，由火風壓產生的風速在1 m/s左右，影響范圍在火源位置前后50 m。在200 s時，隧道內最大風速達到1.5 m/s左右，影響范圍擴大至火源位置前后150 m附近。在300 s之后，工況F-1中隧道內的風速趨于穩定，此后變化不大，從圖13中可以看出隧道內風速分布均勻，隧道內的最大風速為2 m/s左右。而工況F-2中隧道內風速波動較大，隧道內最大風速為6 m/s，隨著時間的推移，隧道風速沒有趨于穩定的跡象，見圖14。

圖11 工況F-1沿隧道軸線風速曲線

圖12 工況F-2沿隧道軸線風速曲線

圖13 工況F-1在Y=0處風速云圖

圖14 工況F-2在Y=0處風速云圖

3.3 建模方式分析比較

(1)從溫度、能見度及風速分布曲線可以看出，兩種建模方式結果的大體趨勢是一致的。

(2)從溫度、能見度及風速分布曲線可以看出，實體疊加建模方式較計算區域疊加建模方式穩定，計算區域疊加建模方式的波動性較大，并且這種波動性隨著時間的推移而增大。

(3)由于火源位于隧道中間，兩端邊界條件相同，各參數應該對于隧道中線是對稱的。實體疊加建模方式模擬結果中各參數是完全對稱的，而計算區域疊加建模方式模擬結果中參數出現了明顯的不對稱情況。

(4)兩種建模方式的結果在具體參數的數值上的差距是較大的。如圖5、圖6中，工況 F-1、工況 F-2的最高溫度分別為500、400℃。圖11、圖12中，工況F-1、工況F-2的最大風速分別為3、6 m/s。

(5)計算區域疊加建模方式中由于多重計算區域疊加，導致在隧道上部形成暗區，不利于觀察煙氣流動情況。

4 結語

隧道火災的防范，特別是在長大隧道的防災中占據了十分重要的地位。應用計算流體力學(CFD，Computational Fluid Dynamics)方法可以很方便地對隧道火災時通風狀況進行研究，并且具有減少地面實驗工作量、縮短研制周期、節省試驗費用等方面的優點［4］。筆者對場模擬軟件FDS在隧道建模中兩種建模方式的實現原理進行了詳細分析，并對同一隧道按不同建模方式建模，按同一網格劃分方式進行了模擬計算，經過對模擬計算結果分析得到如下結論。

(1)兩種建模方式模擬結果的變化趨勢是一致的，表明兩種建模方式都是可行的。

(2)計算區域疊加建模方式建模時，必須考慮計算區域疊加處，網格劃分問題，不利于提高建模精度，而實體疊加建模方式建模通過疊加障礙物，不影響網格劃分從而不存在該問題。

(3)計算區域疊加建模方式建模時，由于是多重計算區域的疊加，為保證建模精度，從而取多個極為扁平的長方體容易造成在計算過程出現數據不穩定的錯誤。而實體疊加建模方式是通過增加障礙物精度的方式來保證建模精度，對計算區域無影響，不容易出現數據不穩定的情況。

(4)通過計算區域疊加建模方式進行建模計算時，由于計算區域邊界處將產生數據交換，降低了計算的精度。

總的來講，兩種建模方式都是可行的，從建模效率、網格劃分及數據穩定性來看，推薦使用實體疊加的建模方式。

［1］馮煉，王婉娣.長大公路隧道火災通風三維數值模擬研究［D］.成都:西南交通大學，2004.

［2］A.Haack.Fire Protection in Traffic Tunnels-Initial Findings from Large scale Tests［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1992，7(4):363-375.

［3］Kevin McGrattan，Glenn Forney.Fire Dynamics Simulator(Version 4)User s Guide［M］.Washington:U.S.governing printing office，2004:20-58.

［4］舒寧，徐建閩，鐘漢樞，等.計算流體力學在縱向式公路隧道火災通風中的仿真［J］.水動力學研究與進展，2001(4):511-516.