FDS在隧道中建模方式的研究

方 伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概述

近年来，随着我国经济的腾飞，交通事业蓬勃发展，隧道的建设规模也越来也大。随着隧道的长度和数量的增加，发生隧道火灾的概率也越来越大。由于隧道结构是一个封闭的狭长结构物，在隧道内发生火灾后，隧道内人员疏散难度很大，严重的火灾还会造成隧道衬砌结构的损毁，造成非常不良的社会影响。因此，在隧道设计中，必须考虑隧道火灾的影响。

目前，隧道火灾的研究方法主要有实体实验、模型实验和数值模拟等方法，其中数值模拟的方法因省时省力、可靠性高而备受研究者关注。数值模拟所用的软件有很多种，FDS作为一款专业的火灾动力学模拟软件已逐渐成为火灾数值模拟的主流软件之一［1］。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美国NIST(National Institute of Standards and Technology)开发的一种火灾模拟程序。FDS是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程［2］。由于FDS程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证。因此，在火灾领域得到了广泛应用。

FDS软件为了保证计算的快速性和准确性，只采用了一种接近立方体的网格，而且在建立实体模型以后，实体模型的边界会自动靠近最近的网格。众所周知，隧道结构为了保证受力均匀，一般都是用弧形结构，而FDS的建模中不能直接建立弧形结构，只能通过矩形叠加的方式来近似的构成弧形结构［3］。结合FDS在隧道中建模的两种方式，分别对实际工程进行模拟分析，比较两种建模方式的优缺点。

2 两种建模方式

FDS建模时，所建实体的最小单元只能是长方体，不具备直接创建倾斜实体、弧形实体等特殊实体的功能。而由于隧道横断面轮廓一般含有曲线，使用FDS建立隧道模型必须要利用分解原理，将特殊实体由若干立方体单元来创建。

在隧道建模中常见的建模方式有以下2种。

(1)实体叠加建模:首先通过PDIM命令生成出一个合理的计算区域，在该区域内通过OBST命令生成多个长方体的实体障碍物，通过若干长方体形的实体障碍物叠加后所剩下区域即为最后形成隧道模型。见图1。

(2)计算区域叠加建模:通过PDIM命令生成多个长方体形的计算区域，多个长方体形的计算区域叠加后的总计算区域即为最后形成隧道模型。见图2。

图1 实体叠加建模方式

图2 计算区域叠加建模方式

3 两种隧道建模方式的对比

为比较两种建模方式的优缺点，现对某隧道按上述两种建模方式建模，然后划分网格进行火灾模拟计算，并对模拟计算的结果进行分析比较。

3.1 计算对象

本次建模选取某公路隧道为研究对象，设定其计算区域的长为500 m。

为比较上述两种隧道建模方式，拟定了以下两种工况进行分析对比。

实体叠加建模方式，火源功率20 MW，火源位置在隧道中部，边界条件为两端自然开口，网格大小为0.5 m×0.2 m×0.2 m，编号:F-1。模型见图3。

计算区域叠加建模方式，火源功率20 MW，火源位置在隧道中部，边界条件为两端自然开口，网格大小为0.5 m×0.2 m×0.2 m，编号:F-2。模型见图4。

图3 工况F-1模型

图4 工况F-2模型

3.2 计算结果分析

3.2.1 两种模型的温度曲线分布

图5、图6分别为工况F-1、工况F-2在沿隧道轴线方向高度为5 m处的温度分布曲线。从图5、图6中看出，火灾发生后，在100 s时，火源位置处温度升高到50℃左右，火源位置前后50 m温度均有升高。在200 s时，火源位置处温度升高到150℃左右，火源位置前后150 m温度均有升高。在300 s时，工况F-2中火源位置处温度为380℃左右，而工况F-1中该处温度为500℃。在400 s时，工况F-2中火源上方温度保持在380℃左右，而工况F-1该处下降为400℃左右，工况F-2中温度曲线开始出现不对称现象。在500 s时，工况F-2中火源上方温度下降到320℃左右，而工况F-1中该处温度下降到380℃。

图5 工况F-1沿隧道轴向温度曲线

图6 工况F-2沿隧道轴向温度曲线

3.2.2 两种模型能见度分布

图7、图8分别为工况F-1、工况F-2在沿隧道轴线方向高度5 m处能见度分布曲线。从图7、图8中可以看出，火灾发生后，在100 s时，火源点附近能见度下降至6 m左右，烟气蔓延至火源点前后50 m。在200 s时，烟气蔓延至火源点前后150 m，工况F-2的能见度曲线变化更为陡峭，工况F-1的能见度曲线变化相对平缓。工况F-2中，在20 m左右的距离内，能见度从30 m下降至5 m，而工况F-1中，在60 m左右的距离内，能见度从30 m下降至5 m左右。图9、图10分别为工况 F-1、工况 F-2 在 100、200、300、500 s时的能见度云图。

图7 工况F-1沿隧道轴向能见度曲线

图8 工况F-2沿隧道轴向能见度曲线

图9 工况F-1在Y=0处能见度云图

图10 工况F-2在Y=0处能见度云图

3.2.3 两种模型风速分布

图11、图12分别为工况F-1、工况F-2在沿隧道轴线方向高度5 m处风速分布曲线。图13、图14分别为工况F-1、工况F-2在沿隧道方向高度5 m处风速云图。从图11、图12中可以看出，火灾发生后，在100 s时，由火风压产生的风速在1 m/s左右，影响范围在火源位置前后50 m。在200 s时，隧道内最大风速达到1.5 m/s左右，影响范围扩大至火源位置前后150 m附近。在300 s之后，工况F-1中隧道内的风速趋于稳定，此后变化不大，从图13中可以看出隧道内风速分布均匀，隧道内的最大风速为2 m/s左右。而工况F-2中隧道内风速波动较大，隧道内最大风速为6 m/s，随着时间的推移，隧道风速没有趋于稳定的迹象，见图14。

图11 工况F-1沿隧道轴线风速曲线

图12 工况F-2沿隧道轴线风速曲线

图13 工况F-1在Y=0处风速云图

图14 工况F-2在Y=0处风速云图

3.3 建模方式分析比较

(1)从温度、能见度及风速分布曲线可以看出，两种建模方式结果的大体趋势是一致的。

(2)从温度、能见度及风速分布曲线可以看出，实体叠加建模方式较计算区域叠加建模方式稳定，计算区域叠加建模方式的波动性较大，并且这种波动性随着时间的推移而增大。

(3)由于火源位于隧道中间，两端边界条件相同，各参数应该对于隧道中线是对称的。实体叠加建模方式模拟结果中各参数是完全对称的，而计算区域叠加建模方式模拟结果中参数出现了明显的不对称情况。

(4)两种建模方式的结果在具体参数的数值上的差距是较大的。如图5、图6中，工况 F-1、工况 F-2的最高温度分别为500、400℃。图11、图12中，工况F-1、工况F-2的最大风速分别为3、6 m/s。

(5)计算区域叠加建模方式中由于多重计算区域叠加，导致在隧道上部形成暗区，不利于观察烟气流动情况。

4 结语

隧道火灾的防范，特别是在长大隧道的防灾中占据了十分重要的地位。应用计算流体力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)方法可以很方便地对隧道火灾时通风状况进行研究，并且具有减少地面实验工作量、缩短研制周期、节省试验费用等方面的优点［4］。笔者对场模拟软件FDS在隧道建模中两种建模方式的实现原理进行了详细分析，并对同一隧道按不同建模方式建模，按同一网格划分方式进行了模拟计算，经过对模拟计算结果分析得到如下结论。

(1)两种建模方式模拟结果的变化趋势是一致的，表明两种建模方式都是可行的。

(2)计算区域叠加建模方式建模时，必须考虑计算区域叠加处，网格划分问题，不利于提高建模精度，而实体叠加建模方式建模通过叠加障碍物，不影响网格划分从而不存在该问题。

(3)计算区域叠加建模方式建模时，由于是多重计算区域的叠加，为保证建模精度，从而取多个极为扁平的长方体容易造成在计算过程出现数据不稳定的错误。而实体叠加建模方式是通过增加障碍物精度的方式来保证建模精度，对计算区域无影响，不容易出现数据不稳定的情况。

(4)通过计算区域叠加建模方式进行建模计算时，由于计算区域边界处将产生数据交换，降低了计算的精度。

总的来讲，两种建模方式都是可行的，从建模效率、网格划分及数据稳定性来看，推荐使用实体叠加的建模方式。

［1］冯炼，王婉娣.长大公路隧道火灾通风三维数值模拟研究［D］.成都:西南交通大学，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］舒宁，徐建闽，钟汉枢，等.计算流体力学在纵向式公路隧道火灾通风中的仿真［J］.水动力学研究与进展，2001(4):511-516.