地鐵火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的數(shù)值模擬研究

1、地鐵火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的數(shù)值模擬研究 西安科技大學(xué)（梁雅婷） 匯報人 馮彩云 g2014809001緒論緒論02火災(zāi)理論分析火災(zāi)理論分析03地鐵實例模型建立地鐵實例模型建立04模擬結(jié)果分析模擬結(jié)果分析05結(jié)論與展望結(jié)論與展望目錄目錄研究現(xiàn)狀研究背景和意義研究背景和意義緒論 地鐵成為出行的重要的出行工具，且火災(zāi)事故時常發(fā)生。本文討論的排煙通風方式對地鐵火災(zāi)后人員安全疏散和消防救援具有十分重要的意義。 本文研究方法實驗研究模擬研究一、緒論實驗研究研究現(xiàn)狀國外的研究國內(nèi)的研究1965年，瑞士、英國、日本、奧地利等九個國家先后進行了大量的隧道實體尺寸火災(zāi)試驗，研究了不同的通風方式及火災(zāi)荷載、溫度與火災(zāi)持

2、續(xù)時間的關(guān)系。1993年，Bettis等人根據(jù)全尺寸礦山隧道火災(zāi)試驗研究出熱釋放率與臨界風速的關(guān)系。1996年，美國人Memorial進行了全尺寸的隧道火災(zāi)實驗來研究臨界風速，結(jié)果證明了火災(zāi)熱釋放率的增加，用臨界風速計算公式算出的臨界風速比實驗值高出10%左右。北京工業(yè)大學(xué)田沛哲等采用半橫向通風進行公路隧道實驗臺火災(zāi)控制試驗得出不同隧道火災(zāi)發(fā)生位置的通風控制模式 。中南大學(xué)徐志勝等 采用1/5縮尺列車在火災(zāi)實驗室進行風洞火災(zāi)實驗 得出不同條件下的列車火災(zāi)特性及煙氣蔓延特性 。一、緒論模擬研究實驗研究研究現(xiàn)狀國內(nèi)的研究國外的研究網(wǎng)絡(luò)模擬 模型中都假設(shè)煙氣流動與空氣流動形式相同并且兩者相互混合后都

3、是均勻分布的。迄今為止，網(wǎng)絡(luò)模型已由穩(wěn)態(tài)模擬模型發(fā)展到非穩(wěn)態(tài)模型。 場模擬 利用CFD計算流體力學(xué)的相關(guān)軟件開展研究。 區(qū)域模擬 發(fā)現(xiàn)區(qū)域模型似乎不適用于研究隧道或者狹長通道內(nèi)的煙氣擴散和蔓延。網(wǎng)絡(luò)模擬 2001年6月，西南交通大學(xué)的馮煉進行了深圳地鐵隧道通風網(wǎng)絡(luò)模擬研究，算出臨界風速值。 區(qū)域模擬 鄭晉麗得出了三種情形下煙氣的最高溫度和煙層最低界面高度以及它們分別出現(xiàn)的時間。 場模擬研究 2003年北京工業(yè)大學(xué)王日升對美狐林隧道火災(zāi)的煙氣蔓延情況利用CFX5.5進行了的模擬計算，確定了煙氣在不同火源情況下的臨界風速并分析了隧道內(nèi)的分層擴散現(xiàn)象。2005年，北京工業(yè)大學(xué)的張娜等人用場模擬軟件C

4、FX5.5研究了火災(zāi)時有坡度隧道的邊界風速問題，并對臨界風速的常用坡度公式進行優(yōu)化。 一、緒論模擬研究本文研究方法實驗研究模擬研究研究現(xiàn)狀1、首先根據(jù)地鐵實際情況進行火災(zāi)可能性及可燃物分析;2、根據(jù)地鐵火災(zāi)及煙氣流動相關(guān)理論，建立數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型；3、結(jié)合某地鐵實際情況，分別確定行駛地鐵列車和隧道內(nèi)的火災(zāi)場景并建立隧道的物理幾何模型；4、利用性能化防火的方法，對地鐵上下行隧道的聯(lián)絡(luò)通道與防煙樓梯間的間距、寬度等具體參數(shù)進行了探討計算。運用人員疏散的公式計算出安全疏散時間，并以此為判斷標準作為 FDS 模擬的時間的參考。5、利用 FDS 軟件對不同火災(zāi)場景下的地鐵火災(zāi)進行數(shù)值模擬，分析煙氣溫度

5、、蔓延范圍，煙氣濃度及毒性，將隧道內(nèi)溫度場、能見度、煙氣質(zhì)量等參數(shù)的變化情況結(jié)果對比，判斷是否可以安全疏散。一、緒論本文研究方法火災(zāi)特性分析通風排煙分析模擬理論分析 010203二、火災(zāi)理論分析二、火災(zāi)理論分析二、火災(zāi)理論分析二、火災(zāi)理論分析火災(zāi)特性分析火災(zāi)過程分析火災(zāi)危險性分析著火因素分析火災(zāi)可燃物成分分析：地鐵火災(zāi)可燃物主要有乘客衣物、書籍、電纜設(shè)備及列車裝飾火災(zāi)場景分析：內(nèi)部火和外部火列車起火地點分析：列車起火地點有在站內(nèi)和隧道起火兩種地鐵火災(zāi)規(guī)模分析 人員復(fù)雜難以管理可燃物燃燒成分復(fù)雜，且燃燒產(chǎn)物不易散去發(fā)生災(zāi)害時，若人員逃跑方向與煙氣方向一致，危害性增大有毒有害氣體危害、高溫輻射危害

6、等二、火災(zāi)理論分析二、火災(zāi)理論分析通風排煙分析煙氣流動 方式：煙囪效應(yīng)、煙氣的熱浮力效應(yīng)、氣體熱膨脹效應(yīng)、 風的影響效應(yīng)流動風速：臨界風速排煙方式 自然排煙機械排煙橫向式排煙半橫向式排煙縱向式排煙排煙規(guī)范 地鐵設(shè)計規(guī)范排煙評判標準 發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)采用2m/s-11m/s的排煙風速。二、火災(zāi)理論分析二、火災(zāi)理論分析模擬理論分析FDS 模擬原理 FDS 軟件簡介FDS的模擬原理是運用計算機求解火災(zāi)過程中空間分布的狀態(tài)參數(shù)（速度、溫度、各組分的濃度等）隨時間變化的運算。這種模擬方式叫作場模擬，它的理論依據(jù)是自然界中成立的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)的定律。三、地鐵實例模型建立三、地鐵實例模型

7、建立 地鐵結(jié)構(gòu)圖三、地鐵實例模型建立三、地鐵實例模型建立 1、火災(zāi)特征直徑D*與網(wǎng)格尺寸劃分大小密切相關(guān)。大量研究表明，F(xiàn)DS模型的網(wǎng)格尺寸d=0.1D*或d=0.2D*時，模型結(jié)果與實驗結(jié)果較為相符。網(wǎng)格劃分2、該地鐵建立模型的網(wǎng)格總數(shù)為269，376個?；鹪锤浇W(wǎng)格劃分情況如圖3.3所示，左側(cè)為著火隧道。三、地鐵實例模型建立三、地鐵實例模型建立 參數(shù)設(shè)定環(huán)境及煙氣控制參數(shù)設(shè)定根據(jù)該地平均氣溫，在模擬計算開始時刻，將環(huán)境溫度與地鐵內(nèi)部溫度均設(shè)為 20，隧道四周墻壁及站內(nèi)材料設(shè)為磚構(gòu)造，熱傳導(dǎo)率為 0.69，站內(nèi)及隧道區(qū)間煙氣濃度在模擬開始時刻為 0。站內(nèi)與外界四個出口正常情況下均為自然風壓，

8、即不排煙也不送風。 計算出該模型模擬的臨界風速為2.15m/s，結(jié)合排煙評判標準中規(guī)定的排煙速度大于11m/s時，不利于乘客行走的條件，取通風風速2.15m/s11m/s之間。本文在兩個數(shù)值區(qū)間內(nèi)取3個值，分別為2.8m/s、5.6m/s和8.2m/s?；鹪磪?shù)設(shè)定 模擬時列車火災(zāi)規(guī)模為 7.5MW采用穩(wěn)態(tài)火源的理想假設(shè)狀態(tài)疏散時間設(shè)定 火的發(fā)展蔓延時間警報器報警時間人員反應(yīng)時間及選擇不同路線逃跑時間tm=tt3+tt4=224.4+16.97=241.37s 本次模擬時間設(shè)為6min.四、模擬結(jié)果分析四、模擬結(jié)果分析縱向通風縱向通風1.v=2.8m/s 煙氣濃度隨時間變化圖2.v=5.6m/

9、s 煙氣濃度隨時間變化圖 3.v=8.2m/s 煙氣濃度隨時間變化圖隨風速增加，對煙氣在人員疏散方向的抑制作用明顯加強。8.2m/s 的通風條件能有效抑制煙氣在疏散通道方向的蔓延，控制煙氣向疏散路徑的蔓延，相比于其他風速的抑制效果十分明顯。四、模擬結(jié)果分析四、模擬結(jié)果分析縱向通風縱向通風從煙氣質(zhì)量隨時間的變化趨勢圖中可以明顯看出，通風風速的增大，有利于在火災(zāi)初期對煙氣產(chǎn)量的抑制，保證人員疏散路徑上煙氣的產(chǎn)量保證在一個穩(wěn)定的范圍，并能在火災(zāi)初期很短時間內(nèi)產(chǎn)生抑制效果，有利于人員疏散的順利進行。四、模擬結(jié)果分析四、模擬結(jié)果分析橫向通風橫向通風1.v=2.8m/s 煙氣濃度隨時間變化圖2.v=5.6

10、m/s 煙氣濃度隨時間變化圖 3.v=8.2m/s 煙氣濃度隨時間變化圖煙氣隨時間變化圖看出，橫向通風方式對于煙氣濃度的擴散有一定的抑制作用，但是效果不明顯，并且隨著通風風速的加大至一定風速范圍時，對煙氣蔓延的抑制作用不再增強，不能滿足對于站廳煙氣的有效控制和人員疏散的條件。 四、模擬結(jié)果分析四、模擬結(jié)果分析橫向通風橫向通風圖中明顯可以看出三種風速條件下對煙氣的產(chǎn)生量的抑制作用差別不大。在 250s后達到一個緩慢增長的過程，在 250s 之前煙氣的產(chǎn)生量均成較快增長的趨勢，說明該通風方式對火災(zāi)中煙氣產(chǎn)生量的抑制效果不大，并且風速的增大對煙氣產(chǎn)量的抑制作用影響不明顯。 四、模擬結(jié)果分析四、模擬結(jié)

11、果分析半橫向通風半橫向通風1.v=2.8m/s 煙氣濃度隨時間變化圖2.v=5.6m/s 煙氣濃度隨時間變化圖 3.v=8.2m/s 煙氣濃度隨時間變化圖由以上煙氣隨時間變化圖看出，8.2m/s 的通風條件能有效抑制煙氣在疏散通道方向的蔓延，控制煙氣濃度的增加，相比于其他風速條件效果明顯。 四、模擬結(jié)果分析四、模擬結(jié)果分析半橫向通風半橫向通風明顯可以看出風速5.6m/s 及其 8.2m/s 的情況下對煙氣的產(chǎn)生量有較強的抑制作用，大概在 20s 左右對整體火場的煙氣產(chǎn)生控制作用，并在整個火災(zāi)過程中保持煙氣產(chǎn)生量在一個可接受的范圍內(nèi)，有利于救援和人員疏散的進行。 縱向通風方式對于火場溫度的抑制作用強于其他兩種，并且風速越大，抑制作用越強。橫向通風對溫度蔓延抑制作用不大，并且過大風速會對溫度蔓延的抑制起到不利作用。不同通風方式對煙氣產(chǎn)量的影響作用:煙氣隨時間的產(chǎn)生量在縱向通風方式中產(chǎn)生量較小，橫向通風方式和半橫向通風方式的煙氣產(chǎn)生量