地铁火灾数值模型的建立与方法验证
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【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。
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 m3/h，站台层排烟量为132000m3/h。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3.5m，宽11.8m；隧道出入口4个，尺寸为3.75m×5.26m；轨顶排烟口24个，尺寸为1m×0.6m；轨底排烟口48个，尺寸为0.8m×0.3m；送回风口72个，尺寸为0.5m×0.5m。站厅层长88m，宽19.3m，计算层高3.5m；送风口30个，尺寸为0.5m×0.5m；车站出入口4个，尺寸为4.5m×2.5m。
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2MW[2]；而英国Building Research Establish出版的报告中显示，在人员聚集的公共场所可能的火灾释热速率为2～2.5MW。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4m[4，5]。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）：122～125.
[4]S Kumar， G Cox.Mathematical modeling of fires in road tunnels.Proceedings of the 5th International Conference of Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnel， 1985：61～74.
[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.