FDS在隧道中建模方式的研究

方 偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，隧道的建設(shè)規(guī)模也越來也大。隨著隧道的長度和數(shù)量的增加，發(fā)生隧道火災(zāi)的概率也越來越大。由于隧道結(jié)構(gòu)是一個封閉的狹長結(jié)構(gòu)物，在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，隧道內(nèi)人員疏散難度很大，嚴(yán)重的火災(zāi)還會造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的損毀，造成非常不良的社會影響。因此，在隧道設(shè)計中，必須考慮隧道火災(zāi)的影響。

目前，隧道火災(zāi)的研究方法主要有實(shí)體實(shí)驗、模型實(shí)驗和數(shù)值模擬等方法，其中數(shù)值模擬的方法因省時省力、可靠性高而備受研究者關(guān)注。數(shù)值模擬所用的軟件有很多種，F(xiàn)DS作為一款專業(yè)的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件已逐漸成為火災(zāi)數(shù)值模擬的主流軟件之一［1］。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國NIST(National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的一種火災(zāi)模擬程序。FDS是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動為主要模擬對象的計算流體動力學(xué)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，重點(diǎn)計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程［2］。由于FDS程序是開放的，其準(zhǔn)確性得到了大量試驗的驗證。因此，在火災(zāi)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

FDS軟件為了保證計算的快速性和準(zhǔn)確性，只采用了一種接近立方體的網(wǎng)格，而且在建立實(shí)體模型以后，實(shí)體模型的邊界會自動靠近最近的網(wǎng)格。眾所周知，隧道結(jié)構(gòu)為了保證受力均勻，一般都是用弧形結(jié)構(gòu)，而FDS的建模中不能直接建立弧形結(jié)構(gòu)，只能通過矩形疊加的方式來近似的構(gòu)成弧形結(jié)構(gòu)［3］。結(jié)合FDS在隧道中建模的兩種方式，分別對實(shí)際工程進(jìn)行模擬分析，比較兩種建模方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 兩種建模方式

FDS建模時，所建實(shí)體的最小單元只能是長方體，不具備直接創(chuàng)建傾斜實(shí)體、弧形實(shí)體等特殊實(shí)體的功能。而由于隧道橫斷面輪廓一般含有曲線，使用FDS建立隧道模型必須要利用分解原理，將特殊實(shí)體由若干立方體單元來創(chuàng)建。

在隧道建模中常見的建模方式有以下2種。

(1)實(shí)體疊加建模:首先通過PDIM命令生成出一個合理的計算區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)通過OBST命令生成多個長方體的實(shí)體障礙物，通過若干長方體形的實(shí)體障礙物疊加后所剩下區(qū)域即為最后形成隧道模型。見圖1。

(2)計算區(qū)域疊加建模:通過PDIM命令生成多個長方體形的計算區(qū)域，多個長方體形的計算區(qū)域疊加后的總計算區(qū)域即為最后形成隧道模型。見圖2。

圖1 實(shí)體疊加建模方式

圖2 計算區(qū)域疊加建模方式

3 兩種隧道建模方式的對比

為比較兩種建模方式的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)對某隧道按上述兩種建模方式建模，然后劃分網(wǎng)格進(jìn)行火災(zāi)模擬計算，并對模擬計算的結(jié)果進(jìn)行分析比較。

3.1 計算對象

本次建模選取某公路隧道為研究對象，設(shè)定其計算區(qū)域的長為500 m。

為比較上述兩種隧道建模方式，擬定了以下兩種工況進(jìn)行分析對比。

實(shí)體疊加建模方式，火源功率20 MW，火源位置在隧道中部，邊界條件為兩端自然開口，網(wǎng)格大小為0.5 m×0.2 m×0.2 m，編號:F-1。模型見圖3。

計算區(qū)域疊加建模方式，火源功率20 MW，火源位置在隧道中部，邊界條件為兩端自然開口，網(wǎng)格大小為0.5 m×0.2 m×0.2 m，編號:F-2。模型見圖4。

圖3 工況F-1模型

圖4 工況F-2模型

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 兩種模型的溫度曲線分布

圖5、圖6分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道軸線方向高度為5 m處的溫度分布曲線。從圖5、圖6中看出，火災(zāi)發(fā)生后，在100 s時，火源位置處溫度升高到50℃左右，火源位置前后50 m溫度均有升高。在200 s時，火源位置處溫度升高到150℃左右，火源位置前后150 m溫度均有升高。在300 s時，工況F-2中火源位置處溫度為380℃左右，而工況F-1中該處溫度為500℃。在400 s時，工況F-2中火源上方溫度保持在380℃左右，而工況F-1該處下降為400℃左右，工況F-2中溫度曲線開始出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。在500 s時，工況F-2中火源上方溫度下降到320℃左右，而工況F-1中該處溫度下降到380℃。

圖5 工況F-1沿隧道軸向溫度曲線

圖6 工況F-2沿隧道軸向溫度曲線

3.2.2 兩種模型能見度分布

圖7、圖8分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道軸線方向高度5 m處能見度分布曲線。從圖7、圖8中可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，在100 s時，火源點(diǎn)附近能見度下降至6 m左右，煙氣蔓延至火源點(diǎn)前后50 m。在200 s時，煙氣蔓延至火源點(diǎn)前后150 m，工況F-2的能見度曲線變化更為陡峭，工況F-1的能見度曲線變化相對平緩。工況F-2中，在20 m左右的距離內(nèi)，能見度從30 m下降至5 m，而工況F-1中，在60 m左右的距離內(nèi)，能見度從30 m下降至5 m左右。圖9、圖10分別為工況 F-1、工況 F-2 在 100、200、300、500 s時的能見度云圖。

圖7 工況F-1沿隧道軸向能見度曲線

圖8 工況F-2沿隧道軸向能見度曲線

圖9 工況F-1在Y=0處能見度云圖

圖10 工況F-2在Y=0處能見度云圖

3.2.3 兩種模型風(fēng)速分布

圖11、圖12分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道軸線方向高度5 m處風(fēng)速分布曲線。圖13、圖14分別為工況F-1、工況F-2在沿隧道方向高度5 m處風(fēng)速云圖。從圖11、圖12中可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，在100 s時，由火風(fēng)壓產(chǎn)生的風(fēng)速在1 m/s左右，影響范圍在火源位置前后50 m。在200 s時，隧道內(nèi)最大風(fēng)速達(dá)到1.5 m/s左右，影響范圍擴(kuò)大至火源位置前后150 m附近。在300 s之后，工況F-1中隧道內(nèi)的風(fēng)速趨于穩(wěn)定，此后變化不大，從圖13中可以看出隧道內(nèi)風(fēng)速分布均勻，隧道內(nèi)的最大風(fēng)速為2 m/s左右。而工況F-2中隧道內(nèi)風(fēng)速波動較大，隧道內(nèi)最大風(fēng)速為6 m/s，隨著時間的推移，隧道風(fēng)速沒有趨于穩(wěn)定的跡象，見圖14。

圖11 工況F-1沿隧道軸線風(fēng)速曲線

圖12 工況F-2沿隧道軸線風(fēng)速曲線

圖13 工況F-1在Y=0處風(fēng)速云圖

圖14 工況F-2在Y=0處風(fēng)速云圖

3.3 建模方式分析比較

(1)從溫度、能見度及風(fēng)速分布曲線可以看出，兩種建模方式結(jié)果的大體趨勢是一致的。

(2)從溫度、能見度及風(fēng)速分布曲線可以看出，實(shí)體疊加建模方式較計算區(qū)域疊加建模方式穩(wěn)定，計算區(qū)域疊加建模方式的波動性較大，并且這種波動性隨著時間的推移而增大。

(3)由于火源位于隧道中間，兩端邊界條件相同，各參數(shù)應(yīng)該對于隧道中線是對稱的。實(shí)體疊加建模方式模擬結(jié)果中各參數(shù)是完全對稱的，而計算區(qū)域疊加建模方式模擬結(jié)果中參數(shù)出現(xiàn)了明顯的不對稱情況。

(4)兩種建模方式的結(jié)果在具體參數(shù)的數(shù)值上的差距是較大的。如圖5、圖6中，工況 F-1、工況 F-2的最高溫度分別為500、400℃。圖11、圖12中，工況F-1、工況F-2的最大風(fēng)速分別為3、6 m/s。

(5)計算區(qū)域疊加建模方式中由于多重計算區(qū)域疊加，導(dǎo)致在隧道上部形成暗區(qū)，不利于觀察煙氣流動情況。

4 結(jié)語

隧道火災(zāi)的防范，特別是在長大隧道的防災(zāi)中占據(jù)了十分重要的地位。應(yīng)用計算流體力學(xué)(CFD，Computational Fluid Dynamics)方法可以很方便地對隧道火災(zāi)時通風(fēng)狀況進(jìn)行研究，并且具有減少地面實(shí)驗工作量、縮短研制周期、節(jié)省試驗費(fèi)用等方面的優(yōu)點(diǎn)［4］。筆者對場模擬軟件FDS在隧道建模中兩種建模方式的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對同一隧道按不同建模方式建模，按同一網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行了模擬計算，經(jīng)過對模擬計算結(jié)果分析得到如下結(jié)論。

(1)兩種建模方式模擬結(jié)果的變化趨勢是一致的，表明兩種建模方式都是可行的。

(2)計算區(qū)域疊加建模方式建模時，必須考慮計算區(qū)域疊加處，網(wǎng)格劃分問題，不利于提高建模精度，而實(shí)體疊加建模方式建模通過疊加障礙物，不影響網(wǎng)格劃分從而不存在該問題。

(3)計算區(qū)域疊加建模方式建模時，由于是多重計算區(qū)域的疊加，為保證建模精度，從而取多個極為扁平的長方體容易造成在計算過程出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的錯誤。而實(shí)體疊加建模方式是通過增加障礙物精度的方式來保證建模精度，對計算區(qū)域無影響，不容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況。

(4)通過計算區(qū)域疊加建模方式進(jìn)行建模計算時，由于計算區(qū)域邊界處將產(chǎn)生數(shù)據(jù)交換，降低了計算的精度。

總的來講，兩種建模方式都是可行的，從建模效率、網(wǎng)格劃分及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性來看，推薦使用實(shí)體疊加的建模方式。

［1］馮煉，王婉娣.長大公路隧道火災(zāi)通風(fēng)三維數(shù)值模擬研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2004.

［2］A.Haack.Fire Protection in Traffic Tunnels-Initial Findings from Large scale Tests［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，1992，7(4):363-375.

［3］Kevin McGrattan，Glenn Forney.Fire Dynamics Simulator(Version 4)User s Guide［M］.Washington:U.S.governing printing office，2004:20-58.

［4］舒寧，徐建閩，鐘漢樞，等.計算流體力學(xué)在縱向式公路隧道火災(zāi)通風(fēng)中的仿真［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2001(4):511-516.