基于FDS的隧道通风系统模型边界条件的确定研究

摘 要：本文利用火灾动力学软件FDS并依据实际地铁隧道区间通风系统建立相关模型，结合隧道区间实测数据，主要就模型边界条件包括壁面粗糙度以及风机参数的设置进行研究，进行模型边界条件的确立。本文的研究成果对以后的FDS建模提供了重要参考，使得模拟研究的结果更加准确。

关键词：FDS；隧道通风；边界条件

Research on Boundary Condition of Tunnel Ventilation System Model Based on FDS

SHI Ke1 ，LI Hong-wen2，ZHANG Hao2，WANG Sui-lin1

(1.School of Environment and Energy Engineering，BUCEA，Beijing 100044；2.Institute of Building Fire Research，China Academy of Building Research，Beijing 100013)

[Abstract]In this paper, the fire dynamics software FDS established the related model according to the actual subway tunnel ventilation system .Combined with measured data in the tunnel, the main model boundary conditions including surface roughness and fan parameter setting was researched and established the model boundary conditions. This research provides an important reference to the later FDS model and makes the result of simulation more accurate.

[Keywords]FDS，tunnel ventilation system，boundary condition

中图分类号：U45文献标识码： A

0 引言

随着现代计算机技术的高速发展，火灾数值模拟技术成为了现代研究火灾的一个重要工具。场模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）是模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件[1]。FDS软件程序是开放的，现在它的源程序又不断的得到更新和完善，目前，FDS的使用已经开始超出火灾研究实验室的范围，进入了工程建设领域，可以作为建筑性能化设计的重要辅助工具之一[2]。

FDS在建立隧道通风系统模型的时候，会涉及到一些边界条件的设置，这些会影响到模拟结果的准确度和可靠度。本文将主要就模型边界条件包括壁面粗糙度以及风机参数的设置进行研究，以期望对以后使用FDS软件建模的人员有所帮助。

1 模型简介

本段隧道区间位于八号线二期工程北段，始西小口站至永泰庄站，左右线线间距为15m。本隧道通风系统设有三个射流风机即XYQJ-SDS-1 ，XYQJ-SDS-2 和XYQJ-SDS-3，其中XYQJ-SDS-2 和XYQJ-SDS-3在右线线路中心线上，XYQJ-SDS-1在停车线线路中心线上，XYQJ-SDS-1和XYQJ-SDS-2中心里程相同。XYQJ-SDS-2与XYQJ-SDS-3串联的间距为131.219m，XYQJ-SDS-1和XYQJ-SDS-2并联，如图1所示。

图1区间平面图

模型以区间射流风机XYQJ-SDS-2中心为原点，以西永方向为正x轴，隧道宽为Y轴，高度为Z轴，以右线线路空间用FDS软件建立1:1模型，如图2.在右线中心线测量断面上分别布置4个风速测点，测点位置如图3。

图2 FDS模型图图3测点位置图

2 实验工况

实验工况为人员向西小口站（迎风）方向疏散，西小口站、永泰庄站、区间相关风机按气流组织方向启动运转，各风机控制方式见表1，区间内联络通道门关闭。

表1 风机控制模式表

3边界条件设置

3．1粗糙度设置

计算隧道壁面粗糙度，一般要知道它的摩擦阻力系数。现在有用于计算摩擦阻力系数的公式中，适用范围最广的是来源于莫迪图的Colebrook公式[3]，公式如下：

式中，δ为隧道壁面粗糙度，m；d为隧道截面的当量直径，其中m。

据文献[4]，其推荐的双线隧道沿程阻力系数并考虑一定的安全系数选取隧道壁面的摩阻系数取0.021。而据文献[5]，隧道壁面摩阻损失系数应根据隧道的断面当量直径和壁面粗糙率等取值，参考此处混凝土隧道壁面的摩阻系数取0.02。

把分别代入到式中，得到粗糙度，为了更好的进行模拟结果分析，加入。由此，在模拟中对粗糙度的设置有四个变量，并定义为，，，，对应工况1-4。

3.2风机参数设置

区间所用射流风机的型号参数如表2。

表2射流风机参数表

射流风机的安装位置靠近隧道壁面或拱顶，则空气射流与壁面或与拱顶之间必然会产生附加摩擦损失。在FDS中，设置风机用的是fan命令，其设置参数有两个即风速v和风量q，对其进行损失修正得： , 。

因此，模型中设置在v=32.03m/s和q=25.19m3/s工况下分别进行模拟。

4.模拟结果分析

4.1风机参数影响

在v=32.03m/s和q=25.19m3/s参数下，各工况各点风速均值与实测值的对比如图4至5所示。

图速v=32.03m/s下，右线中心线沿程各点风速比较

图5 风量q=25.19m3/s下，右线中心线沿程各点风速比较

综合模拟结果来看，在风速v=32.03m/s工况下，模拟值更接近于实测值，即风机采用风速参数进行模拟拟合度更好。因此，FDS模型中有风机时，模拟要采用风速参数进行模拟。

4.2粗糙度的影响

在风速v=32.03m/s下，各工况各点风速均值与实测值的对比如图4所示。

综合模拟结果来看，当粗糙度或0.01时，模拟值更接近于实测值，而当粗糙度、时，模拟结果与实测数据差别较大，这说明粗糙度的设置影响到模拟结果的准确性，但是1-2毫米的差别对结果影响不大，这也对以后的FDS模拟时，在壁面粗糙度的设置上提供了一个可参考的误差范围。由于隧道中流体的雷诺数值比较大，由Colebrook公式的特点可以看出，隧道当量直径对粗糙度的影响很小。一般情况下，不同断面尺寸参数的隧道计算得出的粗糙度结果相差并不大。因此，在FDS模拟中，可以将粗糙度设置在0.01m左右。

5 结语

利用FDS建立隧道及其通风系统模型时，边界条件设置采用壁面粗糙度0.01m和风机在风速参数模拟下得出的结果值更接近于实测值，拟合度更好。在此条件基础之上，进行其他的模拟研究得出的结论可信度更强，参考价值更高。本文研究结果为以后的FDS模拟时边界条件的设置提供了重要的参考性建议，从而使计算机数值模拟技术更好的为工程实践服务。

参考文献

[1] 刘鹏举等.隧道火灾研究现状与发展[J].中国科技信息,2008,(2):35～38.

[2] 赵忠杰.公路隧道火灾探测方法研究[D].西安:长安大学硕士学位文,2007.

[3]周延. 隧道及网络火灾中的热动力现象研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.

[4]中铁二院工程集团有限责任公司，等.TB10068-2010 铁路隧道运营通风设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[5]交通部重庆公路科学研究所，等.JTJ026.1-1999 公路隧道通风照明设计规范[S].北京：人民交通出版社，1999.