公路隧道火災有限元法數值模擬

文/王葉 1.中鐵隧道勘測設計院有限公司 天津 300133

2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津 300133

公路隧道火災有限元法數值模擬

文/王葉 1.中鐵隧道勘測設計院有限公司 天津 300133

2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津 300133

本文采用ANSYS/FLOTRAN軟件對公路隧道在自然通風和火災工況下進行了數值模擬，與實測數據以及其它軟件的模擬結果進行比較分析，結果表明采用ANSYS/ FLOTRAN軟件進行公路隧道火災數值模擬是可行的。

公路隧道；ANSYS/FLOTRAN；數值模擬；可行性

一、引言

目前，國內對隧道火災的研究主要集中在火災實驗和數值模擬上[1-4]，采用ANSYS軟件進行火災工況模擬的則文獻報道較少。將ANSYS/FLOTRAN軟件的模擬結果與試驗結果或其它軟件計算結果進行比較，可以考察ANSYS/FLOTRAN軟件在火災數值模擬方面的可行性，為隧道火災數值模擬研究也提供了一個新思路。

二、數值模擬

2.1 自然通風下的數值模擬

本文以文獻[5]提供的渝和高速公路上的北碚隧道內實測數據為參照，對自然通風狀況下隧道內速度場進行了數值模擬，與實測結果進行對比分析，為后續火災工況下的數值模擬提供依據。結果顯示：模擬平均值為1.335m/s，實測平均值1.465m/s，二者的平均相對誤差為8.87%，表明模擬結果可以較好地表示該隧道在自然通風狀態下的速度場情況。

圖1 自然風速下速度場的模擬計算結果

2.2 火災工況下試驗數據與數值模擬結果對比分析

模擬采用的模型是文獻[6-10]報道的秦嶺—終南山公路隧道的火災試驗時的實體模型，風速分別為2m/s﹑3m/s﹑4m/s﹑5m/s和6m/s，火源點位于距入口斷面30m處。將文獻[6]提供的其它軟件模擬的數據（在以下圖中用“模擬值1”表示），與采用ANSYS/FLOTRAN軟件的模擬結果（在以下圖中用“模擬值2”表示）對比，不同風速條件下隧道內火源點下游溫度分布情況。如下圖所示。

圖2 2m/s風速下溫度分布

表1 隧道模擬風速與實測自然風速對比（m/s ）

圖3 3m/s風速下溫度分布

圖4 4m/s風速下溫度分布

圖5 5m/s風速下溫度分布

圖6 6m/s風速下溫度分布

由圖2可以看出模擬值2與試驗值基本吻合，在火源點處模擬值2與試驗值的相對誤差為7.14%。火源點處模擬值1與試驗值的相對誤差為17.85%。可以看出在火源點處模擬值2的模擬效果好。由圖3可以計算出模擬值2與試驗值的平均相對誤差為7.47 %。在火源點處模擬值2與試驗值的相對誤差為1.44 %。模擬值1與試驗值的相對誤差為14.47 %。模擬值1與試驗值的平均相對誤差為5.06 %。由圖4計算得知模擬值2與試驗值的平均相對誤差27.32 %。模擬值1與試驗值的平均相對誤差為50.46 %。由圖5可知模擬值2與試驗值的平均相對誤差0.43%。模擬值1與試驗值的平均相對誤差為8.01%.由圖6可知模擬值2與試驗值的平均相對誤差為4.03 %。模擬值1與試驗值的平均相對誤差為9.61 %。

結論：

通過以上圖示和計算比較可以看出，距離火源點下游較近的一段區域內溫度下降較快，之后隨著距火源點距離的增加溫度變化梯度減小并逐漸趨于平緩。當通風風速變大時，火源點下游附近的溫度會逐漸增高，但是隨著距火源點距離的增加，風速越大溫度下降越多。采用ANSYS/ FLOTRAN軟件模擬的火災溫度場的分布曲線圖與實驗得出的溫度場的分布曲線在沿程變化趨勢上一致。從兩種軟件的模擬結果比較來看，用ANSYS/FLOTRAN軟件模擬火源點附件的溫度值與試驗數據更為接近，說明了ANSYS軟件在隧道火災的數模模擬中，對于火源點附近溫度的計算更加合理可信，表明這一軟件在模擬隧道火災方面是可行的，能夠更真實的反應火災溫度場分布的情況，具有一定優勢。

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[10]許洋.ANSYS11.0/FLOTRANL流場分析實例指導教程.北京：機械工業出版社，2009.

王葉（1982-），河北省石家莊市人，2010年畢業于蘭州交通大學供熱﹑供燃氣﹑通風及空調工程專業，碩士，工程師，現從事地下工程通風及空調工程設計。

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