公路隧道火災(zāi)有限元法數(shù)值模擬

【摘要】本文采用ANSYS/FLOTRAN軟件對公路隧道在自然通風(fēng)和火災(zāi)工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬，與實(shí)測數(shù)據(jù)以及其它軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明采用ANSYS/FLOTRAN軟件進(jìn)行公路隧道火災(zāi)數(shù)值模擬是可行的。

【關(guān)鍵詞】公路隧道；ANSYS/FLOTRAN；數(shù)值模擬；可行性

【中圖分類號】 TU47

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

一、引言

目前，國內(nèi)對隧道火災(zāi)的研究主要集中在火災(zāi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬上[1-4]，采用ANSYS軟件進(jìn)行火災(zāi)工況模擬的則文獻(xiàn)報(bào)道較少。將ANSYS/FLOTRAN軟件的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果或其它軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以考察ANSYS/FLOTRAN軟件在火災(zāi)數(shù)值模擬方面的可行性，為隧道火災(zāi)數(shù)值模擬研究也提供了一個(gè)新思路。

二、數(shù)值模擬

2.1自然通風(fēng)下的數(shù)值模擬

本文以文獻(xiàn)[5]提供的渝和高速公路上的北碚隧道內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)為參照，對自然通風(fēng)狀況下隧道內(nèi)速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，為后續(xù)火災(zāi)工況下的數(shù)值模擬提供依據(jù)。結(jié)果顯示：模擬平均值為1.335m/s，實(shí)測平均值1.465m/s，二者的平均相對誤差為8.87%，表明模擬結(jié)果可以較好地表示該隧道在自然通風(fēng)狀態(tài)下的速度場情況。

2.2火災(zāi)工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

模擬采用的模型是文獻(xiàn)[6-10]報(bào)道的秦嶺—終南山公路隧道的火災(zāi)試驗(yàn)時(shí)的實(shí)體模型，風(fēng)速分別為2m/s、3m/s、4m/s、5m/s和6m/s，火源點(diǎn)位于距入口斷面30m處。將文獻(xiàn)[6]提供的其它軟件模擬的數(shù)據(jù)（在以下圖中用“模擬值1”表示），與采用ANSYS/FLOTRAN軟件的模擬結(jié)果（在以下圖中用“模擬值2”表示）對比，不同風(fēng)速條件下隧道內(nèi)火源點(diǎn)下游溫度分布情況。如下圖所示。

由圖2可以看出模擬值2與試驗(yàn)值基本吻合，在火源點(diǎn)處模擬值2與試驗(yàn)值的相對誤差為7.14 %?；鹪袋c(diǎn)處模擬值1與試驗(yàn)值的相對誤差為17.85%?？梢钥闯鲈诨鹪袋c(diǎn)處模擬值2的模擬效果好。由圖3可以計(jì)算出模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對誤差為7.47 %。在火源點(diǎn)處模擬值2與試驗(yàn)值的相對誤差為1.44 %。模擬值1與試驗(yàn)值的相對誤差為14.47 %。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對誤差為5.06 %。計(jì)算得知模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對誤差27.32 %。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對誤差為50.46 %。由圖5可知模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對誤差0.43%。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對誤差為8.01%.由圖6可知模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對誤差為4.03 %。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對誤差為9.61 %。

結(jié)論：

通過以上圖示和計(jì)算比較可以看出，距離火源點(diǎn)下游較近的一段區(qū)域內(nèi)溫度下降較快，之后隨著距火源點(diǎn)距離的增加溫度變化梯度減小并逐漸趨于平緩。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速變大時(shí)，火源點(diǎn)下游附近的溫度會(huì)逐漸增高，但是隨著距火源點(diǎn)距離的增加，風(fēng)速越大溫度下降越多。采用ANSYS/FLOTRAN軟件模擬的火災(zāi)溫度場的分布曲線圖與實(shí)驗(yàn)得出的溫度場的分布曲線在沿程變化趨勢上一致。從兩種軟件的模擬結(jié)果比較來看，用ANSYS/FLOTRAN軟件模擬火源點(diǎn)附件的溫度值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為接近，說明了ANSYS軟件在隧道火災(zāi)的數(shù)模模擬中，對于火源點(diǎn)附近溫度的計(jì)算更加合理可信，表明這一軟件在模擬隧道火災(zāi)方面是可行的，能夠更真實(shí)的反應(yīng)火災(zāi)溫度場分布的情況，具有一定優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜濤.地鐵過江隧道火災(zāi)CFD數(shù)值模擬研究 湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，37（5）：477～483.

[2]黃洋，張英，陳先鋒等基于CFD坡度隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性模擬研究，2016，42（2）：33～36.

[3]韓新，崔力明.國內(nèi)外隧道火災(zāi)試驗(yàn)研究進(jìn)展簡述.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，（4）：544～549.

[4]朱江.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在隧道安全中的應(yīng)用.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（30）：337～340.

[5]王聰.長大公路隧道縱向通風(fēng)技術(shù)通風(fēng)效果現(xiàn)場測試研究.成都：西南交通大學(xué)，2007.

[6]王婉娣.長大公路隧道火災(zāi)通風(fēng)三維數(shù)值模擬研究.成都：西南交通大學(xué)，2004.

[7]王婉娣，馮煉.公路隧道火災(zāi)三維數(shù)值模擬.制冷與空調(diào)，2004，（1）：20～23.

[8]謝寧，馮煉，王婉娣等.隧道火災(zāi)三維數(shù)值模擬的瞬態(tài)分析.中國鐵道科學(xué)，2005，26（6）：89～92.

[9]楊其新，閆治國. 秦嶺終南山特長公路隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)研究.廣西交通科技，2003，28（3）：18～25.

[10]許洋.ANSYS11.0/FLOTRANL流場分析實(shí)例指導(dǎo)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：

王葉（1982-），河北省石家莊市人，2010年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事地下工程通風(fēng)及空調(diào)工程設(shè)計(jì)。