謝知航

（西安科技大學(xué)，陜西 西安710000）

地鐵因方便、快捷、輸運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)建城市快速立體交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[1]。但由于地下空間的封密性，也使其火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)倍受關(guān)注，特別是火災(zāi)煙氣對(duì)人的致亡率最為突出[2]。隨著節(jié)能減耗的廣泛倡導(dǎo)，多數(shù)中高緯度地鐵站開(kāi)始利用活塞風(fēng)來(lái)帶動(dòng)地鐵站內(nèi)的空氣流動(dòng)以減少能源消耗，但火災(zāi)時(shí)活塞風(fēng)可能會(huì)增加火災(zāi)煙氣蔓延的不確定性，從而增加人員疏散疏導(dǎo)的難度。

對(duì)于地鐵火災(zāi)煙氣的流動(dòng)特性許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。Manabu Tsukahara 等人[3]通過(guò)研究地鐵站疏散樓梯處的火災(zāi)煙氣分布規(guī)律，確定了人員的安全疏散路徑；趙明橋[4]采用全比例實(shí)驗(yàn)，研究出了垂簾分區(qū)控制煙氣擴(kuò)散的方案。也有許多學(xué)者針對(duì)地鐵活塞風(fēng)進(jìn)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(fēng)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，并利用MATLAB 軟件對(duì)無(wú)豎井隧道、列車(chē)不同行駛位置下的活塞風(fēng)進(jìn)行了模擬，得到了活塞風(fēng)風(fēng)速變化規(guī)律。

目前針對(duì)活塞風(fēng)對(duì)地鐵火災(zāi)煙氣蔓延影響的研究較少。既要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬列車(chē)產(chǎn)生的活塞風(fēng)流動(dòng)狀態(tài)，又要研究活塞風(fēng)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，很難通過(guò)一個(gè)模擬軟件實(shí)現(xiàn)，因此本文做了基于Fluent 與Pyrosim 的火災(zāi)情況下地鐵活塞效應(yīng)模擬。

1 Fluent 與Pyrosim 概述

1.1 Fluent 軟件概述

Fluent 早在1998 年就進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的仿真領(lǐng)域具有非常大的影響力。Fluent 軟件特點(diǎn)如下[6]：

（1）Fluent 軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格的梯度算法。

（2）Fluent 軟件中的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，局部網(wǎng)格重生是其獨(dú)有的，主要應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問(wèn)題以及物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律事先不知道的情況。

（3）Fluent 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，擁有多種基于解的網(wǎng)格自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)。

（4）Fluent 軟件中包含豐富且先進(jìn)的物理模型，能夠精確的模擬無(wú)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(jì)算結(jié)果更加精確。

（5）Fluent 軟件提供了先進(jìn)且便于操作的用戶(hù)界面，以及為滿足更多用戶(hù)需求而提供了二次開(kāi)發(fā)接口（UDF）。

本文選用Fluent 軟件是因?yàn)槠淇梢暬僮鹘缑姹阌诮⒏訙?zhǔn)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(jì)算結(jié)果更加精確；最終要的就是Fluent 擁有獨(dú)特的動(dòng)網(wǎng)格功能能夠很好的處理剛體運(yùn)動(dòng)造成的流場(chǎng)變化問(wèn)題。

1.2 Pyrosim 概述

Pyrosim 軟件是專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于火災(zāi)模擬的軟件，它是基于Pyrosim 火災(zāi)模擬理論的一款一體化軟件。在火災(zāi)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(jī)互動(dòng)的可視化界面，簡(jiǎn)化了建模過(guò)程的同時(shí)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(jìn)行二維、三維交替的幾何編輯，方便客戶(hù)更精準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)模型細(xì)微的錯(cuò)誤并便于修正。

（3）Pyrosim 擁有開(kāi)放的后臺(tái)程序且支持導(dǎo)入CAD 的DXF文件便于模型尺寸校準(zhǔn)。

（4）Pyrosim 軟件模擬時(shí)可通過(guò)點(diǎn)檢測(cè)、面檢測(cè)、三維檢測(cè)等方式得到客戶(hù)想要的數(shù)據(jù)。

綜上所述，本文將選取Pyrosim 軟件作為模擬火災(zāi)煙氣蔓延的軟件，不僅能利用Fluent 中得到的越站列車(chē)產(chǎn)生的活塞風(fēng)變化規(guī)律，且能通過(guò)其優(yōu)越的火災(zāi)模擬性能及Smokeview功能將火災(zāi)煙氣蔓延的規(guī)律清晰呈現(xiàn)出來(lái)。

2 Fluent 與Pyrosim 使用及重要設(shè)置

2.1 Fluent 剛體運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)置

Fluent 模擬剛體運(yùn)動(dòng)一般有兩種方法，一種是滑移網(wǎng)格，另一種是動(dòng)網(wǎng)格。本文采用動(dòng)網(wǎng)格的方法來(lái)模擬列車(chē)行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)。

（1）建立模型。

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

圖1 地鐵站臺(tái)平面示意圖

（2）劃分網(wǎng)格。

在mesh 中，根據(jù)計(jì)劃模型區(qū)域分不同，分別針對(duì)隧道與站臺(tái)進(jìn)行劃分。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小根據(jù)實(shí)際模型的大小和電腦性能采用size=0.5 的設(shè)置。

（3）參數(shù)設(shè)置。

在setup 中，首先設(shè)置模擬計(jì)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(duì)網(wǎng)格區(qū)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(shè)置動(dòng)網(wǎng)格（Dynamic Mesh），動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置中，采用光順?lè)ê椭貥?gòu)法結(jié)合使用的方法。

（4）Fluent 計(jì)算。

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

（5）后處理。

在Results 中查看模擬結(jié)果，并導(dǎo)出用于分析所需要的數(shù)據(jù)。

2.2 Pyrosim 火災(zāi)煙氣模擬設(shè)置

在Pyrosim 構(gòu)建符合模型尺寸的網(wǎng)格，可選擇二維或三維界面創(chuàng)建模型。設(shè)置邊界條件時(shí)除常規(guī)邊界條件參數(shù)外，更重要的是將Fluent 模擬中得到的數(shù)據(jù)及規(guī)律在Pyrosim 中體現(xiàn)出來(lái)。

首先在活塞風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)的位置上設(shè)置通風(fēng)口，對(duì)該通風(fēng)口進(jìn)行定義，指定它為進(jìn)風(fēng)口，并設(shè)定進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，然后在Ramp-up time 處選擇Custom，最后輸入活塞風(fēng)風(fēng)速與對(duì)應(yīng)的時(shí)間。其次根據(jù)活塞風(fēng)的持續(xù)時(shí)間，將已經(jīng)定義風(fēng)速的連通口進(jìn)行出現(xiàn)時(shí)間與消失時(shí)間的設(shè)置，使其能夠在出現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)按照設(shè)定好的風(fēng)速變化執(zhí)行命令，從而模仿出列車(chē)行駛時(shí)活塞風(fēng)變化的效果。

完成網(wǎng)格劃分、模型建立、邊界設(shè)置等后，設(shè)置模擬時(shí)間通過(guò)RUN FDS 進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算完成后，通過(guò)Smokeview查看模擬結(jié)果。

3 基于Fluent 與Pyrosim 的火災(zāi)時(shí)地鐵活塞風(fēng)模擬

如圖1 所示，以鄭州某地鐵站為例，站臺(tái)全長(zhǎng)142m，側(cè)式站臺(tái)寬9m，島式站臺(tái)寬13m，整個(gè)站臺(tái)連通站臺(tái)隧道空間高5m；單側(cè)站臺(tái)隧道為截面4m×5m 的長(zhǎng)方體，雙側(cè)站臺(tái)隧道為截面5m×5m 的長(zhǎng)方體；兩個(gè)站臺(tái)分別有三部樓梯，樓梯的起始位置分別是30m、70m、110m，樓梯周?chē)朔謩e設(shè)置1.5m 寬的擋煙垂壁，隧道與站臺(tái)之間設(shè)置0.5m 梁，站臺(tái)兩端分別設(shè)置有設(shè)備間；站臺(tái)隧道端口、樓梯出口為開(kāi)放通風(fēng)口，圖中紅色線條表示連通口，連通口是行車(chē)隧道與候車(chē)站臺(tái)之間開(kāi)放的通氣口。

3.1 利用Fluent 模擬列車(chē)行駛時(shí)活塞風(fēng)的變化情況

結(jié)合第2 節(jié)中的模擬設(shè)置方法，先利用Fluent 模擬了列車(chē)行駛時(shí)活塞風(fēng)的變化情況。得到如下結(jié)果：如圖2 是列車(chē)行駛過(guò)站臺(tái)時(shí)，在隧道與站臺(tái)之間不同位置通風(fēng)口監(jiān)測(cè)到的活塞風(fēng)風(fēng)速變化與時(shí)間的關(guān)系。距離進(jìn)口1m 位置上，活塞風(fēng)風(fēng)速隨著時(shí)間推移先逐漸減小至0（用時(shí)4s），再反向增大到最大后又逐漸減小至0（用時(shí)8s）；距離進(jìn)口27-140 位置上，活塞風(fēng)風(fēng)速隨時(shí)間推移先增大后減小至0（用時(shí)7s），再反向先增大后減小（用時(shí)8s）。

圖2 列車(chē)行駛時(shí)連通口不同位置活塞風(fēng)風(fēng)速與時(shí)間的關(guān)系

3.2 利用Pyrosim 模擬活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)火災(zāi)造成的影響

將以上研究結(jié)果作為Pyrosim 模擬的基礎(chǔ)，并設(shè)定著火站臺(tái)為島式站臺(tái)，列車(chē)從上行隧道駛過(guò)，然后進(jìn)行了活塞風(fēng)對(duì)地鐵火災(zāi)影響的模擬。對(duì)站臺(tái)能見(jiàn)度的變化情況進(jìn)行了分析，主要結(jié)果如下：火災(zāi)發(fā)生128s 時(shí)，站臺(tái)能見(jiàn)度無(wú)明顯變化；火災(zāi)發(fā)生200s 時(shí)，2 號(hào)樓梯能見(jiàn)度小于10m；火災(zāi)發(fā)生285s 時(shí)，側(cè)式站臺(tái)3 部樓梯以及島式站臺(tái)1、2 號(hào)樓梯處能見(jiàn)度低于10m。島式站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)，結(jié)果卻導(dǎo)致側(cè)式站臺(tái)更早的處于危險(xiǎn)狀態(tài)，因此可以判定，活塞風(fēng)會(huì)不利于控制站臺(tái)火災(zāi)煙氣的，會(huì)加速煙氣向其他區(qū)域擴(kuò)散的速度從而導(dǎo)致出現(xiàn)更大范圍因能見(jiàn)度過(guò)低區(qū)域，加大疏散救援工作的難度。

圖3 活塞風(fēng)影響下火災(zāi)時(shí)站臺(tái)能見(jiàn)度分布情況

4 結(jié)論

本文討論了基于Fluent 與Pyrosim 的火災(zāi)時(shí)地鐵活塞效應(yīng)模擬技術(shù)，并利用Fluent 與Pyrosim 聯(lián)合模擬了活塞風(fēng)對(duì)地鐵火災(zāi)的影響。主要結(jié)論如下：

（1）Fluent 與Pyrosim 能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合模擬火災(zāi)時(shí)的地鐵活塞效應(yīng)，并且由于二者在各自領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)越性能，能夠使模擬結(jié)果更符合實(shí)際，本文也簡(jiǎn)述了二者聯(lián)合應(yīng)用的方法。

（2）站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，活塞風(fēng)的影響加速火災(zāi)煙氣向著火站臺(tái)以外區(qū)域擴(kuò)散，最終導(dǎo)致相鄰的未著火站臺(tái)能見(jiàn)度比著火站臺(tái)能見(jiàn)度降低更快，達(dá)到危險(xiǎn)值的時(shí)間更早，對(duì)人員安全疏散非常不利。