公路隧道火灾有限元法数值模拟

文/王叶 1.中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133

2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300133

公路隧道火灾有限元法数值模拟

文/王叶 1.中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133

2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300133

本文采用ANSYS/FLOTRAN软件对公路隧道在自然通风和火灾工况下进行了数值模拟，与实测数据以及其它软件的模拟结果进行比较分析，结果表明采用ANSYS/ FLOTRAN软件进行公路隧道火灾数值模拟是可行的。

公路隧道；ANSYS/FLOTRAN；数值模拟；可行性

一、引言

目前，国内对隧道火灾的研究主要集中在火灾实验和数值模拟上[1-4]，采用ANSYS软件进行火灾工况模拟的则文献报道较少。将ANSYS/FLOTRAN软件的模拟结果与试验结果或其它软件计算结果进行比较，可以考察ANSYS/FLOTRAN软件在火灾数值模拟方面的可行性，为隧道火灾数值模拟研究也提供了一个新思路。

二、数值模拟

2.1 自然通风下的数值模拟

本文以文献[5]提供的渝和高速公路上的北碚隧道内实测数据为参照，对自然通风状况下隧道内速度场进行了数值模拟，与实测结果进行对比分析，为后续火灾工况下的数值模拟提供依据。结果显示：模拟平均值为1.335m/s，实测平均值1.465m/s，二者的平均相对误差为8.87%，表明模拟结果可以较好地表示该隧道在自然通风状态下的速度场情况。

图1 自然风速下速度场的模拟计算结果

2.2 火灾工况下试验数据与数值模拟结果对比分析

模拟采用的模型是文献[6-10]报道的秦岭—终南山公路隧道的火灾试验时的实体模型，风速分别为2m/s﹑3m/s﹑4m/s﹑5m/s和6m/s，火源点位于距入口断面30m处。将文献[6]提供的其它软件模拟的数据（在以下图中用“模拟值1”表示），与采用ANSYS/FLOTRAN软件的模拟结果（在以下图中用“模拟值2”表示）对比，不同风速条件下隧道内火源点下游温度分布情况。如下图所示。

图2 2m/s风速下温度分布

表1 隧道模拟风速与实测自然风速对比（m/s ）

图3 3m/s风速下温度分布

图4 4m/s风速下温度分布

图5 5m/s风速下温度分布

图6 6m/s风速下温度分布

由图2可以看出模拟值2与试验值基本吻合，在火源点处模拟值2与试验值的相对误差为7.14%。火源点处模拟值1与试验值的相对误差为17.85%。可以看出在火源点处模拟值2的模拟效果好。由图3可以计算出模拟值2与试验值的平均相对误差为7.47 %。在火源点处模拟值2与试验值的相对误差为1.44 %。模拟值1与试验值的相对误差为14.47 %。模拟值1与试验值的平均相对误差为5.06 %。由图4计算得知模拟值2与试验值的平均相对误差27.32 %。模拟值1与试验值的平均相对误差为50.46 %。由图5可知模拟值2与试验值的平均相对误差0.43%。模拟值1与试验值的平均相对误差为8.01%.由图6可知模拟值2与试验值的平均相对误差为4.03 %。模拟值1与试验值的平均相对误差为9.61 %。

结论：

通过以上图示和计算比较可以看出，距离火源点下游较近的一段区域内温度下降较快，之后随着距火源点距离的增加温度变化梯度减小并逐渐趋于平缓。当通风风速变大时，火源点下游附近的温度会逐渐增高，但是随着距火源点距离的增加，风速越大温度下降越多。采用ANSYS/ FLOTRAN软件模拟的火灾温度场的分布曲线图与实验得出的温度场的分布曲线在沿程变化趋势上一致。从两种软件的模拟结果比较来看，用ANSYS/FLOTRAN软件模拟火源点附件的温度值与试验数据更为接近，说明了ANSYS软件在隧道火灾的数模模拟中，对于火源点附近温度的计算更加合理可信，表明这一软件在模拟隧道火灾方面是可行的，能够更真实的反应火灾温度场分布的情况，具有一定优势。

[1]姜涛.地铁过江隧道火灾CFD数值模拟研究 湖北大学学报（自然科学版），2015,37(5)：477～483.

[2]黄洋，张英，陈先锋等基于CFD坡度隧道火灾烟气蔓延特性模拟研究，2016,42(2)：33～36.

[3]韩新，崔力明.国内外隧道火灾试验研究进展简述.地下空间与工程学报,2008,(4)：544～549.

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[5]王聪.长大公路隧道纵向通风技术通风效果现场测试研究.成都：西南交通大学，2007.

[6]王婉娣.长大公路隧道火灾通风三维数值模拟研究.成都：西南交通大学，2004.

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[8]谢宁，冯炼，王婉娣等.隧道火灾三维数值模拟的瞬态分析.中国铁道科学,2005,26(6)：89～92.

[9]杨其新，闫治国. 秦岭终南山特长公路隧道火灾模型试验研究.广西交通科技，2003，28（3）：18～25.

[10]许洋.ANSYS11.0/FLOTRANL流场分析实例指导教程.北京：机械工业出版社，2009.

王叶（1982-），河北省石家庄市人，2010年毕业于兰州交通大学供热﹑供燃气﹑通风及空调工程专业，硕士，工程师，现从事地下工程通风及空调工程设计。

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