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基于FDS地铁火灾烟气蔓延数值模拟研究摘要：为了有效解决地铁隧道火灾时烟雾分布对人员疏散的影响问题，以西安地铁2 号线为研究对象，针对火灾列车停留在隧道中的火灾工况，重点研究不同规模火灾条件下隧道温度、烟雾蔓延范围、可见度等参数的分布情况及变化规律。
根据该隧道特定的内部几何构造，建立FDS 仿真模型。
利用该软件对隧道开展数值模拟研究，获得了隧道火灾发展及烟气蔓延的一般性规律。
关键词：地铁隧道；人员疏散；FDS 数值模拟；烟气蔓延0 引言鉴于地铁隧道火灾的危害性，国内外学者试图通过研究找出火灾发生的规律，制定一套隧道火灾的预防措施和救援方法。
本文利用计算流体动力学软件FDS(Fire Dynamics Simulator，火灾动态模拟)对西安地铁2 号线进行火灾仿真模拟，以Navier-Stokes 方程为基础，引入浮力修正的k-ε湍流模型、湍流燃烧模型和辐射换热模型，建立了适用于描述地铁隧道内烟气温度分布和气体流动的计算流体动力学模型，实现了对地铁隧道内火灾发生时温度场的数值模拟分析，获取了火灾参数。
1 公路隧道热释放速率依据瑞典国家测试研究所Ingason．H 的火灾热释放理论，现行采用的火灾热释放率数学模型主要有以下几种：(1)线性增长模型：增长阶段采用线性增长，稳定燃烧阶段保持恒定，下降阶段为线性下降。
(2)平方增长模型：增长阶段采用平方增长，稳定燃烧阶段保持恒定，下降阶段采用指数模型。
数学模型函数如表1 所示。
其中：tmax 为火灾达到最大热释放率的时间；td 为维持最大热释放率的时间；Qmax 为火灾最大热释放率；HRR 为火灾的热释放率。
(3)指数增长模型：Ingason．H 采用一个指数函数来描述火源热释放率的变化，燃料控制的火源热释放率模型依据Numajiri 和Furukawa 的建议，给出以下数学模型：式中：。
建筑防火设计 基于FDS的T型电缆隧道火灾探究周 彪,江记记,白亚楠(武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北武汉430081) 摘 要:为了获取T型电缆隧道火灾参数,研究隧道内空气温度及火灾烟雾浓度随时间、空间的分布情况,利用FD S软件建立T型电缆隧道模型,对电缆隧道火灾进行全尺寸模拟。
通过对模拟实验数据处理和分析,给出了电缆隧道发生火灾时烟气和氧气体积分数以及纵向温度的变化规律,为现实灭火救援以及火灾中逃生提供理论依据。
关键词:电缆隧道;火灾;数值模拟;F DS中图分类号:X924,T U234 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2008)07-0502-04工业电缆隧道中往往布置有大量的工业用电缆,若此类场所发生火灾,不但会烧毁电缆及设备,还会使很大范围内电力中断,工厂停机,造成严重的经济损失,危害很大。
因此,研究工业电缆隧道火灾及其防护措施十分必要。
然而,国内关于电缆隧道的防火研究相对较少,对于T型电缆隧道分叉口的火灾参数研究更少。
笔者利用FDS软件建立T型隧道模型,进行全尺寸火灾模拟,获得了烟气、压力、温度以及氧气体积分数的纵向变化规律,为现实电缆隧道防火和灭火提供理论基础。
1 FDS建模(1)根据T型电缆隧道实物,建立模型如下:Ⅰ号区域:长×宽×高=12m×2m×2m,取网格参数见表1;Ⅱ号区域:长×宽×高=8m×2m×2m,取网格参数见表2。
表1 Ⅰ区网格参数轴M in M ax网格数X 0.012.0120Y 0.0 2.020Z-0.4 1.620表2 Ⅱ区网格参数轴M in M ax网格数X 2.0 4.020Y-6.00.059Z-0.4 1.620 (2)在模拟实验中,取火源(小立方体0.1m×0.1m×0.1m)热释放率为1500kW。
(3)根据实际的铜芯橡胶绝缘电缆线,按铜:塑料=6:4进行电缆材料配比。
温度荷载作用下气化炉的安全评估
严伊莉;周俊杰;齐冠妮
【期刊名称】《中国新技术新产品》
【年(卷),期】2012(000)016
【摘要】作为洁净煤技术的代表,整体煤气化联合循环（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）发电技术是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。
本文利用abaqus软件对IGCC系统关键设备气化炉进行安全性研究,按照对象结构尺寸和运行经验建立了IGCC气化炉正常工况仿真模型。
针对炉体温度引起的炉壁应力应变进行仿真分析,从而评价其安全可靠性对IGCC关键设备的安全性的实际参考意义。
【总页数】1页(P251-251)
【作者】严伊莉;周俊杰;齐冠妮
【作者单位】郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001;郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001;中石化第五建设有限公司,广东广州510145
【正文语种】中文
【中图分类】U294.899
【相关文献】
1.不同压力荷载作用下气化炉的安全评估
2.基于FDS仿真火灾温度下隧道衬砌安全评估
3.温度荷载作用下纵连板式无砟轨道台后锚固结构受力变形特性
4.无缝式桥梁在温度荷载作用下的力学性能
5.无缝式桥梁在温度荷载作用下的力学性能
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基于FDS无通风工况下公路隧道火灾的数值模拟【摘要】本文利用FDS软件对无通风工况下公路隧道火灾进行了瞬态的数值模拟。
本模拟选取的是公路隧道中的一段500m作为模拟对象，模拟对象选为下坡隧道，坡度为1.1％，着火点位于隧道路面中央。
研究结果显示，对于坡度不大的隧道，利于人员的逃生，而对于坡度比较大的隧道，人员伤亡的危险性较高；烟流在上坡方向扩散速度与隧道坡度成正比，下坡方向相反；没有任何通风时，隧道内温度升高非常快，短期内火源附近隧道顶部温度可至1000℃左右，对隧道结构破坏严重。
【关键字】隧道，火灾，FDS，烟气，温度0 引言据交通部统计，20世纪五十年代，我国仅有30多座隧道，总长约2.5公里；六七十年代，我国干线公路上曾修建了百米以上的公路隧道；到1979年，我国公路隧道通车里程仅为52公里，数量为374座。
1979年改革开放以后，在国家加大公路基础设施建设的政策下，公路隧道顺应社会需要像雨后春笋般迅猛发展起来。
但同时，隧道规模的增加，交通压力的增加，也使得公路隧道内火灾的危险性呈上升趋势。
据不完全统计，近年来欧洲已经发生的重大隧道火灾有数十起之多。
2001年10月25日，欧洲第二长的公路隧道，连接瑞士与意大利的ST.Gotthard 隧道（16918m），在距离瑞士Airolo端出口前约一公里处，两辆货车因为超车不当发生猛烈碰撞，大火燃烧一整天，浓烟密布整条隧道，当天即造成十一人死亡，隧道顶部坍塌；2005年6月4日，法国与意大利之间的Frejus隧道（12895m），一辆载运轮胎的货车起火燃烧，造成至少二人死亡，二十余人吸入过量有毒气体而受伤，隧道也严重受损[1-3] 。
我国也曾经多次发生公路隧道火灾事故，1991年上海延安东路隧道发生火灾事故；1998年7月7日，福建盘陀山第二公路隧道因货车在隧道内起火引发火灾；2002年1月10日，浙江狐狸岭隧道发生火灾隧道等[4]。
因此，隧道火灾模拟研究工作显得尤为重要。
隧道工程的火灾风险评估隧道工程是现代城市建设中非常重要的一部分，然而，由于隧道内部独特的环境条件，火灾风险评估成为确保隧道安全的重要环节。
本文将探讨隧道工程的火灾风险评估方法和应对措施。
1. 火灾风险评估的重要性隧道工程的火灾风险评估是预防和应对火灾事故的基础。
通过对隧道工程的火灾风险进行评估，可以及时发现潜在的危险因素，制定科学合理的防火措施，减少火灾事故的风险。
2. 火灾风险评估方法2.1 隧道结构评估隧道结构的设计和施工质量对火灾风险评估有重大影响。
评估隧道结构的强度、耐火性和燃烧性能等因素，可以对火灾发生的可能性进行初步分析，并制定相应的建议。
2.2 火灾可能性评估火灾可能性评估是通过对隧道内潜在火灾源和火灾传播途径的分析，来评估火灾事件的发生可能性。
评估隧道内设备、管线和材料的易燃性，以及火灾预警系统的完善程度，可以为火灾防控措施的制定提供依据。
2.3 火灾后果评估火灾后果评估是对火灾发生后可能造成的人员伤亡、财产损失和环境污染等方面进行综合评估。
通过对火灾烟气扩散、疏散通道和应急照明等因素的考虑，可以对火灾的潜在影响进行全面评估，为灾后处置提供参考。
3. 应对火灾风险的措施3.1 设立有效的防火设施隧道工程应设置合适的防火设施，如消防栓、自动喷水系统和灭火器等，以及疏散通道和应急照明设备。
这些设施将为火灾发生时的灭火和人员疏散提供保障。
3.2 健全火灾监测与报警系统隧道工程必须配备先进可靠的火灾监测与报警系统，及时探测火灾源并发出警报，以便快速采取应对措施。
同时，还应加强火灾自动灭火系统的建设，提高火灾自动控制水平。
3.3 加强安全教育与培训隧道工程的管理人员和工作人员应接受相关的安全教育与培训，熟悉隧道内的灭火器材和应急措施，并了解火灾风险评估结果。
通过培训，提高人员的安全意识和火灾应对能力。
4. 隧道工程的火灾风险评估实践隧道工程的火灾风险评估需要综合考虑工程的结构、设备设施、材料选择等多方面因素。
隧道火灾后衬砌损伤评估之我见1引言国内外大量隧道火灾实例表明，隧道火灾扑救难度大，损失巨大，是制约隧道安全运营的关键因素。
同时，隧道一旦发生火灾，除了造成人员伤亡、车辆烧损外，还会造成隧道结构的破坏，严重影响隧道日后的运营安全。
因此对火灾后隧道衬砌结构的损伤程度作出及时、有效的评价显得尤为重要，对灾后衬砌的修复与加固，以及对日后的安全运营具有重要的现实意义。
2隧道火灾过程中衬砌受损因素隧道内容易且危害较大的是油罐货车、运煤货车着火，这些类型的车辆着火后，火源燃烧持续时间长、范围大，且温度上升很快，火焰的最高温度可达到1000℃，对隧道衬砌结构损坏非常严重。
火灾中隧道衬砌结构受损由两个方面作用造成：一个是火羽流直接作用在衬砌结构上，一个是通过烟羽流将热量传递到衬砌结构上。
其中火羽流直接作用也分为火焰内焰与外焰作用，外焰温度高于内焰温度，因此在火羽流直接作用下，不同衬砌区域损伤程度亦不同。
隧道衬砌通过烟羽流受热时比较复杂，火灾产生的烟气变化[9]可分为一下几个步骤：火羽流向上发展阶段，冲撞隧道拱顶阶段，环向扩散阶段，当径向分散的烟气碰到隧道边墙的阻碍时往纵向扩张的转变阶段，纵向蔓延阶段。
隧道火灾过程中烟气与壁面及环境之间的热交换功率公式为：其中，α为热交换系数；Tw是隧道壁面温度；D为烟流横截面周长中与隧道壁面接触部分的长度。
3隧道衬砌损伤检测隧道发生火灾后，衬砌的烧伤深度、剩余抗压强度、剩余抗拉强度以及结构的完整性都是检测的项目，在实际工程中，检测则需要保证隧道结构的完整性。
目前，使用超声波无损伤检测技术[1]是评估火灾后隧道二次衬砌损伤程度的方法之一。
超声波检测衬砌损伤程度的原理是利用超声波速与衬砌有关物力力学性能变化之间的关系来实现对衬砌结构损伤程度的检测。
具体可分为几个方面来分部检测：超声波速与火灾后衬砌结构的剩余抗压强度之间的关系；超声波速与火灾后衬砌结构的剩余抗拉强度之间的关系；超声波速与火灾后衬砌结构的损伤深度之间的关系。
第23卷第2期2008年6月灾 害 学J OURNAL OF CATASTROP HOLOGYVo l 23N o 2Jun 2008基于FDS仿真火灾温度下隧道衬砌安全评估*安永林,彭立敏,杨伟超(中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075)摘 要:为了研究火灾下隧道衬砌的安全性,首先采用火灾模拟软件FD S4 0模拟不同规模的火灾:通过许多小的长方体堆砌建立隧道的实体模型,并采用FDS4 0中的多重网格技术(M ultiple M es hes)进行网格划分;然后结合仿真得到横断面的温度场与相应温度下的材料参数,应用荷载-结构模式(即直刚法)对二次衬砌的安全性进行评估。
结果表明:小规模火灾下(<20MW),衬砌的安全性能够得到满足,在较大火灾规模下( 20MW),拱顶的安全性得不到满足,而其余部位的安全性满足要求;随着火灾规模的增大,衬砌安全系数逐渐降低,拱顶的安全系数降低梯度最大。
最后,对衬砌的耐火措施提出了一些建议。
关键词:隧道火灾;隧道衬砌;安全评估;直刚法中图分类号:U459 2;U492 8 文献标识码:A 文章编号:1000-811X(2008)02-0096-051 概述隧道与地下工程是西部大开发!、城市化进程!中的交通血脉!,是实现资源节约、环境友好、可持续发展、和谐发展、科学发展的主要途径[1]。
但是,由于隧道长度的增加、交通量的日益加大、运输物品越来越复杂和恐怖主义(人为纵火)等多种因素的作用,隧道火灾风险概率不断上升,无论是公路隧道、铁路隧道,还是地铁都时有重大火灾发生[2,3]。
隧道火灾温度高、升温速度快,不仅会对衬砌结构造成严重的损坏,还影响衬砌结构体系的可靠性与火灾中的人员疏散安全[4,5]。
因此,在地下空间大规模开发的背景下,如何保证地下结构的火灾安全性并及时对火灾后衬砌损伤进行评估是目前亟待解决的问题。
近几年,火灾下隧道衬砌的研究深受国内外学者和工程人员的重视:彭立敏等首先探讨了隧道火灾后衬砌材料的物理力学性能,并对衬砌损伤进行了模糊评估[6,7];马建秦等提出了铜-黄公路某通道衬砌混凝土在火灾中受损后的补强措施[8];黄红元等分析了隧道火灾衬砌失效的原因及危害[9];安永林等对衬砌损伤的规律进行了灰色预测与评估[4,5];Anon研究了RW S温升曲线下隧道衬砌混凝土的抗裂、抗剥落性[10];P ichler Christian针对添加聚丙烯的衬砌混凝土的高温性能,分析了火灾荷载与衬砌混凝土的脱水、混凝土的强度等关系[11]。
本文结合火灾模拟软件FDS4 0与直刚法,对不同火灾规模下的二次衬砌进行安全评估,并据此提出一些衬砌的耐火措施。
2 工程概况邵怀高速公路是国家重点建设五纵七横!国道主干线中上海至瑞丽高速公路的一部分,路线以隧道穿过邵阳市与怀化市交界的雪峰山脉,隧道进口距洞口县江口镇约3km,隧道进口位于洪江市塘湾乡兰家村,出口位于洪江市铁山乡小溪村。
隧道上、下行线分离,按两座独立隧道设计。
隧道左洞长7305m,右洞长7350m,左右洞平均长度为7327 5m,按隧道分类属特长隧道,其长度居我国公路隧道第3。
雪峰山隧道消防按250m 左右为标准设为若干分区,便于事故检测定位及紧急状态的监控、救援控制。
3 隧道火灾温度场仿真3 1 模型原理采用适用于低马赫数的N av i e r Stokes方程进行*收稿日期:2007-10-11基金项目:西部交通科技建设项目(20033179802)作者简介:安永林(1981 ),男,安徽寿县人,博士研究生,主要从事隧道与地下工程结构与防灾方面的研究E m ai:l anyongli ng@yahoo co m cn火灾的大涡模拟(Large Eddy S i m u lation,LES)。
其控制方程包含火灾过程的质量、能量、动量和化学反应等方面,由于篇幅所限,具体的求解过程可参见相关方面的书籍[12]。
3 2 几何模型与网格划分雪峰山隧道横通道间距平均为250m,一个防火分区约为700m~800m,因此,取隧道长800m 进行模拟,计算区域为7m∀10m∀800m。
因为在FDS4 0中,只能模拟边为直角的物体(长方体),所以对于隧道这样拱部为曲面的建模比较麻烦,多数研究者是对矩形隧道(一般为明挖的框架或者地下通道等隧道结构)或者根据水力半径等效原理将非矩形隧道简化为矩形进行模拟,这样建立的实体模型和实际相差较远,仿真的结果也值得商榷。
为此,本文采用许多小的长方体进行堆砌的方法来模拟实际隧道(图1a)。
同时,为了消除由于长方体堆砌形成的锯齿状对气流的影响,以达到仿真的精确性、可靠性,在FDS4 0输人文件的建模语句中加SAW TOOTH= FALSE /!,部分的建模语句如下:&OBSTXB=-6 15,-5 42,0 ,800 ,0 25,2 07, SAW TOOTH= FALSE /&OBSTXB=-5 85,-5 1703,0 ,800 ,2 07,3 63, SAW TOOTH= FALSE /&OBSTXB=-5 17,-4 5703,0 ,800 ,3 63,4 70, SAW TOOTH= FALSE /&OBSTXB=-4 57,-3 970,0 ,800 ,4 70,5 44, SAW TOOTH= FALSE /&OBSTXB=-3 97,-3 37 ,800 ,5 40,6 14,SAW TOOTH= FALSE /##!为了减少网格的数量,节约计算时间,采用FDS4 0中的多重网格技术(M u ltiple M eshes)[13],将隧道模拟的区域按照离火源的远近,沿隧道轴线划分为若干个小区域,每个小区域采用不同的网格尺寸。
网格划分在火源附近用较精细的网格划分:隧道宽度方向的网格为0 2m,高度方向的网格为0 1m,隧道轴线方向的为0 1m;在离火源较远处采用较粗的网格;共计划分了70 5万个(图1b)。
图1 隧道模型图3 3 火灾场景与模拟的工况火灾场景设为通风失效下小轿车起火、客车(或货车)起火、油罐车起火三种场景,根据相关文献,即为小规模火灾(火源功率5MW)、中等规模火灾(火源功率20MW)、大规模火灾(火源功率50MW)。
3种工况均在大型计算机工作站上进行计算,每个工况计算时间约6d。
因为本文重点是研究温度的横向分布,所以火灾发展模式设为稳态定常火源,且火源位于隧道的中线。
3 4 模拟结果火源处不同火灾规模下横断面的温度场分布如图2所示。
从图2中可以看出:∃总体上,高温集中在拱顶附近,而下方温度较低,如5MW时,下方的大部分温度低于50%。
&随着火灾规模的增大,拱顶和下方的温度整体升高,如5MW时,拱顶温度集中在300%;20MW时,拱顶温度集中在800%,下方温度约50%左右;50MW时,拱顶温度集中在900%,路面附近温度达到100%。
∋随着火灾规模的增大,温度场的分布越紊乱,即火灾时的涡流(紊流)程度越高。
4 火灾下衬砌安全评估4 1 计算模型的参数二次衬砌采用厚40c m的C25混凝土,其弹性模量为29 5GPa,泊松比为0 2,弹性抗力系数取为(级围岩的小值200MPa/m。
假定火灾下混凝土的泊松比与抗力系数不变,则参照文献[14],可得参数如表1所示。
972期安永林,等:基于FDS仿真火灾温度不隧道衬砌安全评估图2 火源处的温度场横向分布表1计算考虑的参数损失温度量级/%混凝土弹性模/GPa混凝土的抗压强度/M Pa混凝土的抗拉强度/M Pa常温29 5192 10028 3218 241 88 20027 1417 481 77 30025 9616 721 65 50023 3815 121 31 60021 1313 731 11 70018 3911 970 94 80015 169 850 78 90011 437 360 644 2 计算模型与荷载计算模型采用荷载-结构模式,因为隧道是运营状态时发生火灾,所以同时考虑仰拱回填和路基的重量(图3)。
荷载取为深埋地段的,根据新奥法原理,以围岩和初期支护为承载主体,二次衬砌为围岩压力的20%,则按规范可得:竖向荷载q=23 04kPa,水平荷载e=4 61kPa。
图3 荷载-结构模式的计算模型4 3 安全性判定的原理安全性的判断原理可参见公路隧道设计规范[15]。
4 4 计算结果为节省篇幅,图4给出了20MW时二次衬砌的弯矩、轴力、位移。
从图4中可以看出:∃拱顶和拱腰处的弯矩较大,而二次衬砌下方的弯矩较小; &总体上,二次衬砌的轴力为上部小,下部大,其中仰拱部的轴力较大;∋二次衬砌整体位移向下,其中拱顶部位的向隧道内部移动,而墙角部位的向围岩方向移动,位移最大的也发生在此处。
4 5 安全判定弯矩最大的在拱顶和拱腰,因此,以拱顶和拱腰的安全性作为判据。
表2给出了不同火灾规模下拱顶和拱腰的弯矩、轴力、安全系数、位移。
从表2中分析可知:∃对于弯矩,拱顶和拱腰的弯矩都随着火灾规模的提高而减小,这是由于火灾高温的作用,衬砌受到损伤,减少了衬砌拱顶附近的刚度,另外,对于拱顶弯矩下降的幅度要大于拱腰的,且减小幅度最多的阶段是0~20MW。
&对于轴力,拱顶轴力随着火灾规模的提高而提高,而拱腰的轴力随着火灾规模的提高而略微减小。
∋对于安全系数,拱腰的安全系数始终大于规范的数值3 6,满足要求;而拱顶,当火灾规模<20MW时,安全性满足要求,而当火灾规模较大时,安全性不满足。
)对于拱顶沉降,数值不大,50MW时,沉降为2 2mm,比无火灾时增加22%。
98灾 害 学23卷图4 20M W时二次衬砌的弯矩、轴力和位移表2不同火灾规模下衬砌的内力、位移与安全系数火灾规模/MW 弯矩/kN∗m拱顶拱腰轴力弯矩/kN拱顶拱腰安全系数拱顶拱腰拱顶沉降/mm030-251161754 27 01 8 528-251171753 86 61 8 2022-251211722 65 72 0 5020-221231702 54 12 25 隧道衬砌耐火建议(1)二次衬砌尽量采用低膨胀、小粒径的骨料以减轻高温下混凝土的爆裂性剥落;在隧道的拱部喷涂隧道专用防火涂料,且耐火极限不小于2h[16]。
(2)在经济条件允许的情况下加大通风排烟量,以达到扑灭火灾和降低隧道火灾对内部的温升作用。
(3)进行防火分隔[17],为了控制火势,防止蔓延,应在隧道内部划分防火分区,划分防火分区的原则应结合隧道自身结构特点将隧道、风井、电缆或通信沟(桥架)、机房间、逃生通道等部位分开设为独立的防火分区。
6 结论(1)基于FDS4 0中的大涡模拟方法仿真隧道火灾,并用许多小的长方体堆砌的方法来建立实际隧道的形状,克服了FDS4 0模拟曲面隧道的困难;同时为了减少网格的数量,节约计算时间,采用FDS4 0中的多重网格技术(M ultiple M eshes)进行网格划分,模拟结果表明这种处理是合理可行的。
