贾腾南 开题报告.doc

辽宁工程技术大学 本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 地铁火灾通风的FDS数值模拟研究 指 导 教 师 唐巨鹏 院（系、部） 力学与工程学院 专 业 班 级 工程力学 05-3班 学 号 0516020307 姓 名 贾腾南 日 期 2009年4月7日 教务处印制 一、 选题的目的、意义和研究现状一目的和意义： 城市交通问题是城市发展过程中所遇到的主要问题之一。近年来，在世界上人口超过100万以上的大城市中，当单方向每小时稳定的等候客流密度超过3万人时，地下铁道将成为城市交通的主体并己成为趋势。据不完全统计，目前全世界己有30多个国家和地区的80多个城市建造了地铁，地铁的总长度约为5千公里，其中4千多公里己正式运营，共有客车约4万辆，每年运送旅客160亿人次。目前，伦敦、巴黎、莫斯科、东京、纽约、汉城等城市的地铁己形成了上下几层、四通八达的地铁网。有的城市还连通了地下的大型商场、娱乐场所，并与之组成了地下城市。我国的地铁建设起步较晚，但是发展很快。现在北京、上海、天津、广州，深圳都有了地铁，有的城市正在筹建地铁。但在我们享受地铁所带来的快速、便捷和舒适的同时，地铁火灾的发生却让我们蒙受了巨大的损失。表1-1简要介绍了世界上重大地铁火灾事故1。表1-1 重大地铁火灾事故Tab. 1-1 Major fire accident in the subway时间地点伤亡损失情况1982-03-16美国纽约地铁伤86人、1节车厢被毁坏1987-11-18伦敦国王十字地铁站32人死亡，100多人受伤1991-04-16瑞士苏黎世地铁机车1人死亡，100多人受伤、售票厅被烧毁1995-10-29埃塞拜疆首府巴库列车558人死亡，269人重伤1998-01-01俄罗斯莫斯科地铁3人受伤1999-06俄罗斯圣彼得堡地铁车站6人死亡1999-10韩国首尔郊外的地铁55人死亡2001-08英国伦敦发生地铁6人受伤2001-08-30巴西圣保罗地铁1人死亡，27人受伤2003-02-18 韩国大邱市中央路地铁车站198 人死亡、146 人受伤1996年至今北京地铁共发生151 起火灾，多人伤亡以上数据充分表明了地铁火灾的严重性，一旦地铁火灾充分发展而没有得到有效控制的话，将造成车辆烧毁、建筑结构受损和重大人员伤亡等直接损失，而由火灾引起的交通中断等间接损失更是无法估量。下文以几次重大地铁火灾事故为例，详细地说明地铁火灾的发展过程及其后果的严重性：1）阿塞拜疆地铁火灾2,31995年10月28日，一列满载旅客的地铁列车，刚刚驶离乌尔杜斯站站台200m进入地铁隧道，由于机车电路故障诱发火灾，导致第3、4节列车车厢着火。司机慌乱中紧急刹车将列车停在了隧道内。隧道内的大火直到第二天清晨才被最后扑灭，救援工作持续了十多个小时，整个隧道内和车厢内的残骸焦黑一片，遍布死难者遗体。灾后调查显示造成大批乘客死亡的原因是神经麻痹毒气，由于六十年代制造的列车过多地采用可燃化合材料装饰车厢，使得在列车燃烧时产生了大量烟雾和有毒气体。此次火灾造成558人死亡，269人受伤，是阿塞拜疆自前苏联时期至今发生的伤亡最惨重的一次火灾。2）大邱地铁火灾4-72003年2月18日，当载有旅客约400人的韩国大邱市地铁l号线1079号列车驶进中央路车站时，车厢内一名男子点燃随身携带的装满液体燃料的瓶子，引燃了座椅上的塑料物质和地板革，整列车随之起火。1079号列车着火4分钟后，车站的地铁调度员又错误地允许1080号列车进入中央路车站，该列车载有旅客约400人。1080号列车的驾驶员将列车驶入车站后，发现黑烟渗入车厢，遂试图将列车驶出车站，但因为电流中断，列车己无法移动。在一片混乱和黑暗中，该列车所有乘客都被关在车厢内。某些车厢内的乘客找到了应急装置，用手动方式打开了车门得以逃生，但是多数车门一直未能打开。1079号列车的车厢门是敞开的，故乘客得以及时逃生，但1080号列车的大部分乘客则受困于车厢内，遭浓烟窒息。此次火灾最终导致造成198人死亡、146人受伤，其中受害者多为1080号列车乘客。3) 北京地铁火灾1969年11月11日，北京地铁万寿路站至五棵松站之间，由于电动机车短路引起火灾。在消防救援中，火场照明设备不足，防烟滤毒设备缺乏，大大影响了救援活动。火灾造成地铁站内和列车内电源中断，车站内烟雾浓、毒气大、能见度极低，消防部门调来京西矿山救护队协助，历经8小时，方完成救援任务。此次火灾导致6人死亡，200多人中毒。据统计8，在地铁火灾中，烟气是最主要的人员致死原因之一。而接连发生的地铁火灾为我们敲响了警钟。加强安全意识，防患于未然己经成为当前地铁交通系统的一大问题。科研人员开始研究隧道火灾发生、发展规律，以便加强隧道的防火安全设计。对于地铁来讲，由于地下特殊的环境状况，通风设计及火灾条件下通风问题尤为重要，一个合理的地铁车站通风环境，必须满足乘客、车站工作人员的安全需要。韩国大邱地铁火灾事故的主要致因之一就是通风系统的容量不足。如果在通风设计中利用CFD (Computational Fluid Dynamics)模拟方法充分研究了火灾工况下通风模式，这类事故的发生机率会大为降低。另外，车站中的气流组织方式必须满足乘客的舒适性要求。合理的风速、温湿度应该使得在站台短暂停留等车的乘客有一定的舒适感。此外，还需考虑的是合理的通风方式应该具有较好的通风效率，如果新风的大部分没有和站台内的空气进行良好的混合，直接排出站台，就会导致车站中某些局部区域空气品质的恶化。因此，利用理论模拟计算的工具对设计方案进行理论分析预测是十分必要的。二国内外研究现状国外对地铁通风及火灾研究较早。世界各国研究地铁火灾和通风的主要方法有实测试验、模型试验和数值模拟研究。模型试验是根据相似理论所推导的尺度法制(Scaling Law)将实际的建筑物缩小成一定比例的模型，在模型中重现实际建筑物发生火灾的物理现象。根据NFPA92ANFPA,1995 规定，缩小实验模型的缩小比例必须大于1/8才能精确的重现实际尺寸建筑物的火场现象。因此，对具有大空间或中庭建筑物的烟控系统设计采用缩小尺寸模型实验在模型的制作上会耗费大量经费。数值模拟研究方法包括:有限差分法、有限元法、有限容积法和特征线法。由于数值模拟法是以实验和简化理论为基础，其限制与假设条件比较多。但由于此方法简单易操作，不必用复杂的模型试验，因此是消防设计人员设计烟控系统的主要工具。我国对地铁环境的研究起步比较晚，一些科研单位和科研人员在这方面作了一些工作，分别研制了地铁热环境模拟软件。李先庭和彦启森最早对城市地铁火灾进行二维场模拟，把计算结果与澳大利亚的Zwenberg隧道火灾实验数据进行比较，指出对于一般的地铁火灾，2m/s的纵向通风速率完全可以阻止烟气向上扩散。西南交通大学的冯炼分析了地铁火灾烟气流动的物理模型和数学模型，在计算中对地铁系统进行了简化。清华大学开发的热环境模拟软件包STESS，己先后用于北京2号线、3号线、5号线，上海、广州、重庆、南京、大连、青岛、深圳等地铁线路的方案论证和优选。西南交通大学的TEST程序可以模拟地铁各种正常运行环境下的空气速度、温度、湿度、隧道壁影响及列车的各运行参数及空调负荷，可预测中长期地铁内各参量的变化，并在此基础上对夏季夜间蓄冷和冬季蓄热方法对地铁系统的影响进行分析;FSC软件可模拟地铁系统发生火灾时的污染物浓度以及热烟气流动分析。但此项研究比较泛泛，而且火灾模拟结果不可视。中国科技大学火灾科学国家重点实验室开发了区域模拟软件FAC3区域模拟可以对火灾燃烧系统进行较大简化的同时，尽可能保留火灾燃烧系统的复杂性机制，从而有可能以较小的计算代价来揭示火灾系统的复杂性特征。但是这种方法却无法得到流场的某些细节，同时对诸如气体卷吸、烟流回流(滚退)等现象予以考虑却相当困难。北京工业大学参加了北京地铁科研所主持的北京市重点科研项目“北京地铁洞内气流组织及传热效应的研究”，与冶金部建筑研究总院完成了地铁洞内气流组织的模拟试验;地铁洞体传热效应分析和建立合理通风数学模型的科研工作;地铁科研所对地铁通风现状、列车活塞风风量、分布规律和温度、热流状况进行了系统观测，并建立了地铁通风换热数学模型，深入研究了地铁洞内热平衡状态及壁体调温能力。中国上海一荷兰鹿特丹友好城市技术协议的课题成果之一的CHMES地铁环境模拟计算程序可以对地铁系统的火灾工况进行仿真模拟。上海市隧道工程轨道交通设计研究院郑晋丽曾以深圳地铁一号线和四号线为例就CHMES计算机程序模拟计算结果和环控系统初步设计中部分设计参数运用作初步分析。该软件也曾用于上海、南京和深圳地铁的环控模拟，具有一定的工程实用价值。二、研究方案及预期结果一主要内容：本文旨在对长方体地铁站台模型进行数值模拟和研究，通过经验公式和地铁实测所得的数据等确定模拟研究的边界条件，采用美国NIST开发的FDS(Fire Dynamics Simulator)程序对地铁站在火灾中的不同通风状况进行数值分析和模拟计算，分析当站台地铁列车着火情况下，烟气在地铁站内蔓延的规律及温度场、浓度场分布特点，研究各种机械防排烟方式对烟气扩散的影响及机械防排烟的效果。(1)论述地铁站内防排烟规范，分析现有的机械排烟方法及其优缺点。(2)采用计算流体力学的方法对地铁站内列车着火情况下多个不同的着火点分别进行模拟，得到烟气的扩散形式及热量的传递规律，着重研究火灾状况下的温度、烟气浓度及火场可视度的变化。(3)通过用计算流体力学模拟的方式对地铁站火灾烟气控制进行研究，掌握在机械排烟情况下烟气的扩散形式，并对多种烟气控制方法进行分析比较，得出火灾状况下的最优通风方式，以期对火灾下地铁通风系统的性能化设计提供科学的建议。二数值模拟：在理论分析的基础上，利用FDS(Fire Dynamics Simulator)软件建立地铁站台发生火灾的数值模拟模型，从而得到有关地铁火灾的一般规律性结论。三预期结果：通过FDS(Fire Dynamics Simulator)软件建立地铁站台发生火灾的数值模拟模型，对不同着火点产生的烟气的扩散形式及热量的传递规律进行总结，采用对比分析的方法获得有利于减少地铁火灾危害的结论及地铁站台通风口的合理设置方式。从而为地铁站台防火建造提供科学参考。4、 技术路线：1、 理论研究：地铁火灾特点研究地铁火灾与我国地铁及其通风排烟设施概况调查 烟气的产生 烟气层流动特性地铁火灾烟气流动特性 回流现象 临界风速烟气流动阻力二、数值模拟：学习fds软件使用方法输入数据编写规则Fds运行及其输出结果的查看方法模型参数设定与计算火灾点在站台中部工况模拟模型建立（fds输入文件编写）火灾点在站台一端工况模拟Fds数值模拟计算结果分析三、研究进度1、 开题、收集资料：6周-7周2、 整理资料：8周3、 地铁火灾理论研究及地铁防火相关规范了解：9周4、 FDS(Fire Dynamics Simulator)软件学习：10周-14周8、 递交初稿：15周9、 设计审查：16周10、修改论文：17周11、答 辩：18周四、主要参考文献1 冯炼,刘应清等.地铁环境长期蓄热及火灾事故技术研究报告D.1999.1.2 魏平安,巴库地铁火灾的教训J.消防技术与产品信息,1998,(8)：3333.3 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