1、地铁火灾数值模型的建立与方法验证【摘 要】火灾数值模拟中地铁站模型的选择、边界条件的建立及模拟方法对问题的探讨影响很大。通过对典型地铁站物理模型的建立、边界条件的分析、数值模拟方法的验证，对后续的研究起到关键性的作用。 【关键词】地铁；火灾；数值模拟 随着城市的发展，地铁已经成为城市交通的命脉。人们大多喜欢乘坐地铁出行，高峰时期地铁中人员密度非常大。由于地铁火灾的特征不同于地面建筑，当地铁发生火灾时及易造成严重的财产损失和人员伤亡。地铁火灾实验很难进行，为了便于问题的探讨，常选择数值模拟的方法来对其进行研究。1 1.地铁车站模型选择 为了便于问题的研究，地铁站火灾模拟中选取沈阳地区典型浅埋岛式
2、地铁车站为研究对象。车站公共区域通风空调系统按站厅、站台均匀送-回（排）风设计（闭式系统） 。站台层设置轨底排风风道，排风口与刹车电阻箱对齐；轨顶排风风道，排风口与列车空调冷凝器对齐；站台排风风道。车站空调回（排）风机兼作车站公共区消防排烟风机，回（排）风风道兼作排烟风道。站厅层送风风量为 66000 ，站台层排烟量为 132000 。地铁车站公共区域剖面如图 1 所示，车站主体两层结构均在地面以下。 2.地铁车站计算区域 合理简化计算区域，在不影响整体研究效果的情况下，适当的降低计算成本。站厅与站台层之间的结构不作为计算区域（即忽略两层的导热作用） 。站台层长 120m，候车区计算层高 3.
3、5m，宽 11.8m；隧道出入口4 个，尺寸为 3.75m5.26m；轨顶排烟口 24 个，尺寸为 1m0.6m；轨底排烟口 48 个，尺寸为 0.8m0.3m；送回风口 72 个，尺寸为0.5m0.5m。站厅层长 88m，宽 19.3m，计算层高 3.5m；送风口 30 个，尺寸为 0.5m0.5m；车站出入口 4 个，尺寸为 4.5m2.5m。 3.火源边界条件设置 世界各国对于各种可燃物的释热速率并没有明确的界定，根据香港地铁工程技术人员的保守估计，地铁车站公共区火灾释热速率为 2MW2；而英国 Building Research Establish 出版的报告中显示，在人员聚集的公共场
4、所可能的火灾释热速率为 22.5MW。根据文献3，本次研究地铁车站公共区域火灾释热速率 5 分钟后稳定在 5MW 的火灾情景。 4.数值实验方法验证 数值模拟方法是否正确常常需要通过相应的实验来进行验证，但是地铁站火灾实验很难进行。下面验证的过程是用地铁站火灾数值模拟实验的方法，针对已有隧道火灾实验数据来进行的对比，以表明火灾数值模拟实验方法的正确。 4.1 模型建立 Kumar 曾对隧道火灾进行了实验测试，隧道尺寸长 390m、宽 5m、高4m4，5。火源释热速率在 10s 内，从 0 线性增长到 7.225MW。根据上述条件建立相应物理模型，在此基础上采用与地铁站火灾数值模拟实验相同的方法
5、来进行对比。总计算时间为 120s，截取部分计算区域，对数值实验结果进行分析。 4.2 数值实验结果 自然通风情况下，120s 时火源中心 X=2.5m 截面处，可以看到强烈对流产生的温度分布和速度矢量分布，基本以火源为中心成对称分布；热烟气向上运动，并在隧道顶部形成热烟气层向隧道两端扩散，最大扩散速度为 7m/s；由于烟羽流的作用，烟气层下方的空气向着火源方向运动，速度较慢小于 2m/s，与文献5的计算值相似。 4.3 数值模拟实验与实验测试对比 图 2 为距火源 10m 处，隧道中心线上的温度分布和速度分布与文献5的计算值和 Kumar 实测值的对比。速度分布相近，趋势相同；温度分布稍有偏
6、差，主要是没有考虑辐射传热而引起的温度稍高，但总体趋势相同。综上所述，数值模拟方法可以较好的描述火灾的发展过程。 5.总结与展望 在地铁站火灾数值模拟研究中，地铁站物理模型的选择，模拟时边界条件的设置，数值模拟方法是否正确，都对实验结果造成一定的影响。物理模型的选择可以根据已有或在建的项目来构建，边界条件的设置可以根据相关研究来确定，数值模拟方法是否正确就要和实际燃烧实验来进行对比。 研究地铁站发生火灾时，不同防排烟系统模式下，温度场、速度场、以及火灾烟气蔓延和排烟效果，以及列车活塞风对地铁站火灾温度场、速度场以及烟气蔓延的影响，对火灾中人员安全疏散起到了指导作用。 参考文献： 1徐硕.地铁火
7、灾烟气蔓延研究初探.中国科技纵横，2011 年 7 月（下）总第 122 期. 2李启荣，黎少其.地铁火灾系统保障研究.香港：城市轨道交通研究，2001. 3杨昀，曹丽英.地铁火灾场景设计探讨.自然灾害学报，2006，Vol.15（4）：122125. 4S Kumar， G Cox.Mathematical modeling of fires in road tunnels.Proceedings of the 5th International Conference of Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnel， 1985：6174. 5王春.地铁车站通风与火灾三维数值模拟研究：学位论文.成都：西南交通大学，2005.
