地铁火灾CFD模拟时边界条件的研究

Word版本，下载可自由编辑地铁火灾CFD模拟时边界条件的研究1引言

对于从地铁网络中切割出来的车站或者区间火灾烟气流淌的数值模拟来说，普通惟独给定全部与外界相通状态的相关参数(包括流速、压力、温度等)，模拟计算才可以举行.模拟计算所需边界条件确实定，是影响模拟结果牢靠性的一个主要因素.

目前，国内外在讨论地铁火灾时，普通利用现场测试和计算机模拟获得模拟所需的边界条件.相当多的讨论人员[1.2]就是利用现场测试，获得了模拟所需要的边界条件。但是因为现场试验的可操作性不强。因此对于大部分所讨论的地铁车站只能采纳计算机模拟的办法来得到边界条件.现在有无数讨论人员[3]通过成熟的地铁环控模拟软件SES对正常状况下的车站及区间隧道火灾举行模拟讨论，把SES的结果作为CFD三维计算流体力学模拟讨论的边界条件来对地铁车站火灾举行分析.但是SES是一维模型，多用来讨论一维区间隧道的火灾模拟，而且若要比较精确     地得到某个截面的平均物理量，需要预先设置大量的阅历常数和几何参数.因此，对于讨论包括空间较大的车站烟气的三维流淌的精确     性具有很大的局限性.

本讨论通过CFD办法对数值模拟区域的边界举行了综合考虑，利用与现场试验结果举行比较，确立了一种比较便利精确     确定地铁车站或者区间CFD模拟的边界条件办法，即所谓的“连体模型”办法.

2物理模型

如图1所示，是由多个车站及区间组成的“多连体”.当火灾发生在车站D时，车站D和相邻两区间C,E的应急通风排烟风机开启;当火灾发生在区间E时，区间E和相邻两车站D、F的应急通风排烟风机开启.

“连体模型”的基本思想如下:(a)对于车站的数值模拟，为了获得车站D两端的断面风速，把“区间A一车站B一区间C一车站D一区间E一车站F一区间G(三车站一四区间)”当作一个整体来考虑。首先将车站B、车站D和车站F的计算模型简化，因为区间A和区间G均与车站相连，而且车站有通道直接与外界大气相通，认为车站压力即是大气压力，与区间A和区间G相连的远端车站对所讨论的车站D的影响忽视，区间A和区间G相连远端可假设自由开口边界条件，即两端面开口，(b)对于区间的数值模拟，为了获得区间E两端的断面风速，把“区间C一车站D一区间E一车站F一区间G(两车站一三区间)”当作一个整体来考虑.首先将车站D和车站F的计算模型简化，区间A和区间G相连远端可假设自由开口边界条件.把计算得出的结果作为相应的单个车站或者区间举行数值模拟计算的边界条件。

3数学模型及计算办法

3.1基本控制方程

3.2数位计算办法

本讨论的数值模拟使用PHOENICS软件，计算用的是标准的k-ε湍流模型.数值计算在直角坐标系中举行，网格采纳结构化网格，内节点法，节点位于控制容积的中心.

4数值模拟结果及与试验结果的比较

4.1车站发生火灾时的计算模型及结果

4.1.1不同风机风量的结果比较

本讨论对北京某地铁线路的冷烟现场举行实际测量，车站和区间风机单台额定风量为55m3/s，两台风机并联自立运行的测试风量为91.25m3/s和125.5m3/s，其平均值为108.375m3/s，与风机的额定风量临近，因为风机的额定风量简单获得，对风机风量设置为某一测试值91.25m3/s和110m3/s分离举行了模拟讨论。比较结果如图2，可看出风机风量取两台风机并联的额定风量时，模拟结果临近于现场实测值.

4.1.2模型简化出入通道结果的比较

用“连体”模型举行模拟计算时尽量将人行出入口通道简化，这样可以使计算网格划分匀称，计算量相对削减，有利于计算结果的收敛.在风机风量设置为110m3/s的前提下，对是否简化人行出入口通道分离举行了模拟讨论.比较结果如图3，可以看出简化出入口模型的模拟结果临近于现场试验值.

4.1.3多“连体”结果的比较

在风机风量设置为110m3/s和简化出入口的前提下，对三车站一两区间模型、三车站一四区间模型和五车站一四区间模型分离举行了模拟讨论。比较结果如图4，可以看出三车站一四区间模型、五车站一四区间模型的模拟结果与现场试验结果比较吻合.

4.2区间发生火灾时的计算模型及结果

在风机风量设置为110m3/s的前提下，对两车站一三区间模型和四车站一三区间模型分离举行了模拟讨论.比较结果如图5.可以看出四车站一三区间模型的模拟结果与现场试验结果比较吻合.

5研究

5.1结.分析

在使用“连体模型”举行数值模拟时，为了获得精确     的模拟结果，必需确定合理的风机参数.从图2可以看出风机风量取额定风量时，模拟结果和现场试验值的差别是不大的，这样就避免了需要对风机举行实测来获得模拟风量的不便.

对于“连体模型”而言，在数值计算时存在风量如何分配的问题即车站风量是利用人行出入口排到室外还是利用隧道流向下一个车站，简化出入口不仅可减小计算量、使计算更简单收敛，而且还可以减小人行出入口的阻力，这样和“连体模型”中所讨论的车站或者区间两端相连的区偶尔者车站比实际的少而导致阻力减小相平衡，保证了模拟结果的精确     性.从图3可看出简化出入口模型的模拟结果更临近于现场试验值。

为了保证计算机对模拟可以实现，我们需要确定“连体模型”涉及多少个车站和区间为优即计算量小又能很好的反映实际状况.从图4可以看出三车站一四区间模型、五车站一四区间模型的模拟结果与现场试验结果比较临近，并且边界自由出口风速要比三车站一两区间模型的边界自由出口风速小无数，基本符合“连体模型”思想的假设即远端车站和区间的影响可以忽视。考虑到二者结果相差不大和计算量的大小，认为三车站一四区间模型是最优的.对于区间的数值模拟，从图5中可以看出，四车站一三区间模型的模拟结果和现场试验测试结果吻合得比较好。

6结论

利用现场测试数据和模拟结果的比较分析，可以看到利用对“连体模型”模拟获得相应单个车站或者区间数值模拟所需边界条件的办法是可行的，其精确     度是可信的，相关模拟设置可供以后模拟参考.在举行“连体模型”模拟的过程中，风机的风量可以设置为额定风量;并且为了减小计算量使计算简单收敛，尽量简化模型的人行出入口，由分析的结果可以得到简化模