基于Fluent 與Pyrosim 的火災情況下地鐵活塞風效應模擬技術

謝知航

（西安科技大學，陜西 西安710000）

地鐵因方便、快捷、輸運量大等優點，在構建城市快速立體交通網絡發揮著越來越大的作用[1]。但由于地下空間的封密性，也使其火災風險倍受關注，特別是火災煙氣對人的致亡率最為突出[2]。隨著節能減耗的廣泛倡導，多數中高緯度地鐵站開始利用活塞風來帶動地鐵站內的空氣流動以減少能源消耗，但火災時活塞風可能會增加火災煙氣蔓延的不確定性，從而增加人員疏散疏導的難度。

對于地鐵火災煙氣的流動特性許多學者已經進行了大量研究。Manabu Tsukahara 等人[3]通過研究地鐵站疏散樓梯處的火災煙氣分布規律，確定了人員的安全疏散路徑；趙明橋[4]采用全比例實驗，研究出了垂簾分區控制煙氣擴散的方案。也有許多學者針對地鐵活塞風進行了研究。賀江波、吳喜平、邊志美等人[5]用恒定流理論作為活塞風簡化計算模型，并利用MATLAB 軟件對無豎井隧道、列車不同行駛位置下的活塞風進行了模擬，得到了活塞風風速變化規律。

目前針對活塞風對地鐵火災煙氣蔓延影響的研究較少。既要實現動態模擬列車產生的活塞風流動狀態，又要研究活塞風流動狀態對火災煙氣蔓延的影響，很難通過一個模擬軟件實現，因此本文做了基于Fluent 與Pyrosim 的火災情況下地鐵活塞效應模擬。

1 Fluent 與Pyrosim 概述

1.1 Fluent 軟件概述

Fluent 早在1998 年就進入中國市場，在國內和國外的仿真領域具有非常大的影響力。Fluent 軟件特點如下[6]：

（1）Fluent 軟件采用基于完全非結構化網格的有限體積法，且具有基于網格節點和單元網格的梯度算法。

（2）Fluent 軟件中的動/變形網格技術主要解決邊界運動的問題，局部網格重生是其獨有的，主要應用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規律事先不知道的情況。

（3）Fluent 軟件具有強大的網格支持能力，擁有多種基于解的網格自適應、動態自適應技術。

（4）Fluent 軟件中包含豐富且先進的物理模型，能夠精確的模擬無粘流體、層流、湍流等。湍流模型包括Spalart-Allmaras 模型、k-ω 模型、k-ε 模型等，其中k-ε 模型中的RNG k-ε 模型能使計算結果更加精確。

（5）Fluent 軟件提供了先進且便于操作的用戶界面，以及為滿足更多用戶需求而提供了二次開發接口（UDF）。

本文選用Fluent 軟件是因為其可視化操作界面便于建立更加準確的模型；且Fluent 軟件中的RNG k-ε 湍流模型能使本研究涉及到的計算結果更加精確；最終要的就是Fluent 擁有獨特的動網格功能能夠很好的處理剛體運動造成的流場變化問題。

1.2 Pyrosim 概述

Pyrosim 軟件是專門應用于火災模擬的軟件，它是基于Pyrosim 火災模擬理論的一款一體化軟件。在火災模擬軟件中非常具有特色[7]。

（1）Pyrosim 軟件整合FDS 和Smokeview，提供了人機互動的可視化界面，簡化了建模過程的同時也提高了模型的精確度。

（2）Pyrosim 軟件可采用地板、空洞、斜板等建模工具進行二維、三維交替的幾何編輯，方便客戶更精準的發現模型細微的錯誤并便于修正。

（3）Pyrosim 擁有開放的后臺程序且支持導入CAD 的DXF文件便于模型尺寸校準。

（4）Pyrosim 軟件模擬時可通過點檢測、面檢測、三維檢測等方式得到客戶想要的數據。

綜上所述，本文將選取Pyrosim 軟件作為模擬火災煙氣蔓延的軟件，不僅能利用Fluent 中得到的越站列車產生的活塞風變化規律，且能通過其優越的火災模擬性能及Smokeview功能將火災煙氣蔓延的規律清晰呈現出來。

2 Fluent 與Pyrosim 使用及重要設置

2.1 Fluent 剛體運動模擬設置

Fluent 模擬剛體運動一般有兩種方法，一種是滑移網格，另一種是動網格。本文采用動網格的方法來模擬列車行駛產生的活塞風。

（1）建立模型。

選用ANSYS 集成軟件Fluid flow(Fluent)中的Geomtry 創建同比例地鐵站臺及隧道模型。

圖1 地鐵站臺平面示意圖

（2）劃分網格。

在mesh 中，根據計劃模型區域分不同，分別針對隧道與站臺進行劃分。網格采用非結構化四面體網格，網格大小根據實際模型的大小和電腦性能采用size=0.5 的設置。

（3）參數設置。

在setup 中，首先設置模擬計算方法（Models）, 流體采用Viscous 中的Standard k-e 方程。其次定義模擬材料屬性（Materials），再次對網格區域（Cell Zone Conditions）及邊界條件（Boundary Conditions）定義，在邊界條件定義中加入了UDF，最后設置動網格（Dynamic Mesh），動網格設置中，采用光順法和重構法結合使用的方法。

（4）Fluent 計算。

在Solution 中設置模擬步數（Number of time Steps）、時間步長（Time step size）以及每一步的迭代次數（Max time step），迭代次數越多模擬越容易收斂，只有模擬結果收斂了才能得到較為準確的數據。本文設置迭代次數30 次，步長0.005s，總步數5000。

（5）后處理。

在Results 中查看模擬結果，并導出用于分析所需要的數據。

2.2 Pyrosim 火災煙氣模擬設置

在Pyrosim 構建符合模型尺寸的網格，可選擇二維或三維界面創建模型。設置邊界條件時除常規邊界條件參數外，更重要的是將Fluent 模擬中得到的數據及規律在Pyrosim 中體現出來。

首先在活塞風進入站臺的位置上設置通風口，對該通風口進行定義，指定它為進風口，并設定進風風速，然后在Ramp-up time 處選擇Custom，最后輸入活塞風風速與對應的時間。其次根據活塞風的持續時間，將已經定義風速的連通口進行出現時間與消失時間的設置，使其能夠在出現的時間內按照設定好的風速變化執行命令，從而模仿出列車行駛時活塞風變化的效果。

完成網格劃分、模型建立、邊界設置等后，設置模擬時間通過RUN FDS 進行模擬計算。計算完成后，通過Smokeview查看模擬結果。

3 基于Fluent 與Pyrosim 的火災時地鐵活塞風模擬

如圖1 所示，以鄭州某地鐵站為例，站臺全長142m，側式站臺寬9m，島式站臺寬13m，整個站臺連通站臺隧道空間高5m；單側站臺隧道為截面4m×5m 的長方體，雙側站臺隧道為截面5m×5m 的長方體；兩個站臺分別有三部樓梯，樓梯的起始位置分別是30m、70m、110m，樓梯周圍端分別設置1.5m 寬的擋煙垂壁，隧道與站臺之間設置0.5m 梁，站臺兩端分別設置有設備間；站臺隧道端口、樓梯出口為開放通風口，圖中紅色線條表示連通口，連通口是行車隧道與候車站臺之間開放的通氣口。

3.1 利用Fluent 模擬列車行駛時活塞風的變化情況

結合第2 節中的模擬設置方法，先利用Fluent 模擬了列車行駛時活塞風的變化情況。得到如下結果：如圖2 是列車行駛過站臺時，在隧道與站臺之間不同位置通風口監測到的活塞風風速變化與時間的關系。距離進口1m 位置上，活塞風風速隨著時間推移先逐漸減小至0（用時4s），再反向增大到最大后又逐漸減小至0（用時8s）；距離進口27-140 位置上，活塞風風速隨時間推移先增大后減小至0（用時7s），再反向先增大后減小（用時8s）。

圖2 列車行駛時連通口不同位置活塞風風速與時間的關系

3.2 利用Pyrosim 模擬活塞風對站臺火災造成的影響

將以上研究結果作為Pyrosim 模擬的基礎，并設定著火站臺為島式站臺，列車從上行隧道駛過，然后進行了活塞風對地鐵火災影響的模擬。對站臺能見度的變化情況進行了分析，主要結果如下：火災發生128s 時，站臺能見度無明顯變化；火災發生200s 時，2 號樓梯能見度小于10m；火災發生285s 時，側式站臺3 部樓梯以及島式站臺1、2 號樓梯處能見度低于10m。島式站臺發生火災，結果卻導致側式站臺更早的處于危險狀態，因此可以判定，活塞風會不利于控制站臺火災煙氣的，會加速煙氣向其他區域擴散的速度從而導致出現更大范圍因能見度過低區域，加大疏散救援工作的難度。

圖3 活塞風影響下火災時站臺能見度分布情況

4 結論

本文討論了基于Fluent 與Pyrosim 的火災時地鐵活塞效應模擬技術，并利用Fluent 與Pyrosim 聯合模擬了活塞風對地鐵火災的影響。主要結論如下：

（1）Fluent 與Pyrosim 能夠實現聯合模擬火災時的地鐵活塞效應，并且由于二者在各自領域內的優越性能，能夠使模擬結果更符合實際，本文也簡述了二者聯合應用的方法。

（2）站臺發生火災時，活塞風的影響加速火災煙氣向著火站臺以外區域擴散，最終導致相鄰的未著火站臺能見度比著火站臺能見度降低更快，達到危險值的時間更早，對人員安全疏散非常不利。