公路隧道火災(zāi)有限元法數(shù)值模擬

文/王葉 1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300133

2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津 300133

公路隧道火災(zāi)有限元法數(shù)值模擬

文/王葉 1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300133

2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津 300133

本文采用ANSYS/FLOTRAN軟件對(duì)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。

公路隧道；ANSYS/FLOTRAN；數(shù)值模擬；可行性

一、引言

目前，國內(nèi)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。

圖1 自然風(fēng)速下速度場的模擬計(jì)算結(jié)果

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(duì)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(duì)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。

圖2 2m/s風(fēng)速下溫度分布

表1 隧道模擬風(fēng)速與實(shí)測自然風(fēng)速對(duì)比（m/s ）

圖3 3m/s風(fēng)速下溫度分布

圖4 4m/s風(fēng)速下溫度分布

圖5 5m/s風(fēng)速下溫度分布

圖6 6m/s風(fēng)速下溫度分布

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(duì)誤差為7.14%?；鹪袋c(diǎn)處模擬值1與試驗(yàn)值的相對(duì)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(duì)誤差為7.47 %。在火源點(diǎn)處模擬值2與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為1.44 %。模擬值1與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為14.47 %。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為5.06 %。由圖4計(jì)算得知模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差27.32 %。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為50.46 %。由圖5可知模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差0.43%。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為8.01%.由圖6可知模擬值2與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為4.03 %。模擬值1與試驗(yàn)值的平均相對(duì)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(duì)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。

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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)猢p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)。

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