隧道火灾不同CFD模型的对比分析及试验验证.pdf
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1、第 4 期高才驰,等.隧道火灾不同 CFD 模型的对比分析及试验验证隧道火灾不同 CFD 模型的对比分析及试验验证高才驰1,陈宁威2,陈 飞1,张小宁3(1 苏交科集团股份有限公司,南京 210019;2 南京地铁运营有限责任公司,南京 210008;3 山东大学土建与水利学院,济南 250061)采用日期:2023 01 06基金项目:江苏省交通发展(科技与成果转化)项目(2022G112)第一作者:高才驰(1980),男,高级工程师,主要从事轨道交通工务、机电方面的技术研究及产品研发工作。摘 要:为筛选出适用于隧道火灾模拟、科学经济的 CFD(Computational Fluid Dyn
2、amics,计算流体动力学)模型,为复杂结构的隧道内发生火灾时的数值模拟提供科学参考,基于 Heskestad 羽流理论,提出传质体热源模型。使用 FLU-ENT 软件对比不同物理模型、燃烧模型等的计算结果,并开展缩尺试验进行验证。结果表明,不扩大计算域可能造成顶棚下方温度的不对称分布,而隧道两端扩大的计算域能够消除不合理的边界条件对隧道内温度场的影响。布辛涅斯克(Boussinesq)近似理论假设空气物性不变,但实际上空气的热扩散系数会随着温度的升高而提高,因此使用布辛涅斯克近似的原则得到的温度与实际差异较大。提出的传质体热源模型能够较准确地预测隧道顶棚下方的最大温度,案例的计算误差在 10
3、%以内。然而,该模型没有考虑壁面对流散热和空气卷吸的情况,因此在一定程度上高估了纵向温度分布。关键词:隧道火灾安全;数值模拟;CFD 模型;缩尺试验;对比分析中图分类号:U458 1 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2023)04 0015 06Comparative Analysis and Experimental Verification of Different CFD Modelsfor Tunnel FireGAO Caichi1,CHEN Ningwei2,CHEN Fei1,ZHANG Xiaoning3(1 JSTI Group Co.,Ltd.,Nanjing
4、 210019,China;2 Nanjing Metro Operation Co.,Ltd.,Nanjing 210008,China;3 School of civil engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract:To select a scientific and economic CFD model suitable for tunnel fire simulation and to provide a scientific refer-ence for numerical simulation of com
5、plex tunnel fire,based on Zukoski plume theory,Air Entrainment Model and Mass Trans-fer-Heat Source Model were proposed.Comparing the calculation results of different physical models combustion models,etc.usingFLUENTsoftware,andconductscaletestsforverification.Theresultsshowthatthenon-expandedcomput
6、ational domain may cause asymmetrical distribution of temperature.Expanded computational domain can eliminatethe influence of unreasonable boundary condition on temperature field.Buossinesq approximation assumes that the physicalproperties of air remain unchanged,but in fact,the thermal diffusivity
7、of air increases with temperature,so temperature pre-dicted by Buossinesq approximation is lower.Because the heat dissipation by wall is not considered,temperature predicted byusing the air physical property fitting parameters is higher.It is hard to control heat release rate using eddy dissipationm
8、odel.Mass transfer-volumetric heat source model can predict the maximum temperature under the tunnel ceiling well,andthe case error is less than 10%,but the model does not consider the wall heat dissipation and air entrainment,and overesti-mates the longitudinal temperature distribution.Key words:tu
9、nnel fire safety;numerical Simulation;CFD model;scale test;comparative analysis 随着交通网络的不断完善,我国隧道的数量也在逐年增加1。据中华人民共和国交通运输部发布的2021 年交通运输行业发展统计公报,截至2021 年年底,我国已有公路隧道 23 268 处,总长2 469 89 万延米。隧道在方便人们出行、提高运输效率的同时,也伴随着火灾安全隐患。虽然隧道火第 20 卷 第 4 期2023 年 8 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation TechnologyVol 20 No 4Au
10、g.2023现 代 交 通 技 术2023 年灾事故发生的频率不高,但是一旦发生,造成的损失往往十分重大2 5。2017 年,山东省威海市陶家夼隧道火灾造成 13 人死亡,其中 11 名是儿童;同年,河北省保定市浮图峪隧道发生火灾爆炸事故,造成 15 人死亡,直接经济损失逾 4 200 万元。近年来,新建的隧道结构更加复杂6 11,传统的隧道火灾烟气控制方案可能失效,给隧道消防安全带来了新挑战。在获取隧道火灾数据时,试验虽最可信12,但是存在成本高、周期长、数据少等缺点;而理论分析基本无法给出隧道内物理场的解析解。数值模拟能够给出隧道火灾发生、发展、熄灭全过程的信息13 15,并 合 理 预
11、测 温 度 场 和 烟 气 流 动 的 特征16 17,具有成本低、数据丰富等优点。在隧道火灾的数值模拟方面,CFD 模拟是应用最广泛的方法18,其代表软件有 FDS(Fire Dynamics Simulator,火灾动力学模拟工具)、FLUENT 和 PHONIECS。借助这些软件,学者们对诸多隧道火灾场景开展了数值模拟研究。在顶棚下方最大温度方面,Hu 等19通过 FDS 模拟与全尺寸试验的对比,验证了 Kurio-ka 模型的准确性;姚坚20使用 FLUENT 软件模拟了不同纵向风速下的温度场变化规律,建立了描述隧道火灾纵向和横向温度的近似公式。陈长坤等2122使用 FDS 软件研究了
12、火源面积对隧道内温度分布的影响。在烟气运动方面,Wang 等23 24使用 FLUENT 软件模拟了弯曲隧道发生火灾时的临界风速。Yang 等25模拟了隧道内发生火灾时的烟气流动。FLUENT 软件是常用于火灾模拟计算的软件,但使用 FLUENT 软件计算得到的隧道火灾温度一般都偏高20,因此有必要对 FLUENT 软件支持的多种 CFD 模型进行对比分析,提出结果准确、计算成本低的模型,为研究隧道内火灾的数值模拟提供参考。湍流模型和燃烧模型是计算隧道火灾的两个重要工具,受到了众多学者的关注。Gao 等26对比了 LES(Large Eddy Simulation,大涡模拟)和标准k-方程,认
13、为 LES 能够更好地模拟烟气回流和隧道断面的热分层现象,但是两者均高估了隧道内的烟气温度。Maele 等27对比了 LES 和 RANS(Reyn-olds-averaged Navier-Strokes equations,雷诺平均方程)模拟的通风良好的水平隧道发生火灾时的临界风速,发现 RANS 给出的预测值偏小而 LES 偏大。Yang 等28和 Xue等29对 比 了 体 积 热 源(volumetric heat source,VHS)模型、涡旋破碎(eddybreak up,EBU)模型和概率密度(probability densityfunction,PDF)模型,发现不同燃烧
14、模型对室内火灾的预测结果缺乏良好的一致性。以往的研究使用 FLUENT 软件进行隧道火灾数值模拟时,采用的燃烧模型(如体积热源法、组分 PDF 模型等)和湍流模型(如 RANS 或 LES)不尽相同,甚至物理模型也不相同,如是否扩大计算域、是否考虑壁厚等。Mcgrattan30指出,对于一个特定火灾场景,不同的 CFD 模型没有对与错,只有合适与否。鉴于此,本文选取单管直隧道火灾场景,首先利用搭建的缩尺试验台开展试验,然后使用 FLU-ENT 软件,通过对比不同物理模型、燃烧模型和湍流模型的计算值与试验值的差异,筛选出适用于隧道火灾模拟的 CFD 模型,为复杂结构隧道火灾模拟提供参考。1 缩尺
15、试验设计搭建模型开展试验,1 6 缩尺寸分岔隧道模型示意如图 1 所示。主隧道长 20 0 m,宽 1 2 m,高 0 9 m,横截面为矩形,火源位于主隧道中央。隧道骨架由 3 mm 厚的钢板制成,内表面使用 5 cm厚的石棉板保护。将石棉板表面处理平整,以尽可能减小壁面摩擦阻力。使用热电偶树测量隧道内纵截面上的温度分布,热电偶布置如图 1(a)所示。其中,最高的热电偶位于顶棚下方 9 cm 处,用以测量顶棚下方的最大温度。距离火源 1 m 的范围内,热电偶树的间距为 0 25 m;这个范围以外,热电偶树的间距为 0 5 m。在距离一端口 1 m 处安装 一 台 摄 像 机,记 录 火 焰 形
16、 态。使 用 边 长为 0 4 m 的方形乙醇池火模拟火源,乙醇纯度为99%。用电子天平记录乙醇的质量损失速率,电子天平精度为 1 0 g。热释放速率通过质量损失率计算,燃烧效率取 1 0。点火前燃料厚度保持在10 cm。环境温度约为 10。图 1 16 缩尺寸分岔隧道模型示意2 数值模拟模型及设置2 1 物理模型按照缩尺寸试验装置建立 3 种不同的物理模61第 4 期高才驰,等.隧道火灾不同 CFD 模型的对比分析及试验验证型。第 1 种物理模型与缩尺试验台相同,但没有体现壁厚;第 2 种物理模型在隧道两端口增加两个六面体,以消除隧道出口边界条件对隧道内流场的影响;第 3 种物理模型在第 2
17、 种物理模型的基础上体现了壁厚,使流体能够向隧道壁面散热。后两种物理模型的具体尺寸如图 2 所示。图 2 后两种物理模型的具体尺寸2 2 燃烧模型隧道火灾模拟常用的燃烧模型有体积热源法和燃烧速率计算法。体积热源法不计算化学反应速率,直接将火源简化为一个发热体,即对空间内位于火焰内部的网格添加能量源项,其值等于火源功率,计算方法为energy source=Q,cellflame region(1)式中,cell 表示网格单元,flame region 表示火焰区。体积热源法虽不能考虑火焰形态,模拟的烟气生成量也比实际小,但是计算量不大,能给出较合理的临界风速预测值,因此被很多学者采用2425,
18、31 32。由于 VHS 模型仅考虑了火源对计算域热量的传递,没有考虑热烟气的生成,因此基于 Heskestad羽流模型,提出传质体积热源(mass transfer-volu-metric heating source,MT-VHS)模型,该模型能够在VHS 模 型 的 基 础 上 释 放 热 空 气 以 模 拟 火 羽流。Heskestad 模型认为火源热烟气的质量流量可以描述为mp=0 071Q1/3c(z-z0)5/3+1 92 10-3Qc(2)式中,Qc表示火源热释放速率中的对流部分;z0表示虚火源高度,其计算公式33为z0=0 083Q2/5-1 02D(3)式中,Q表示火源热释
19、放速率;D 表示火源的当量直径。综合式(1)式(3)可得 MT-VHS 模型的表达式。可以看出,在质量传递方面,该模型能够将符合实际量的热烟气送入计算域;在热量传递方面,该模型继承了体积热源法的优点,能够产生稳定功率的热量,但该模型没有考虑空气卷吸。气体描述模型决定了气体的流动传热状态,主要参数包括密度、定压比热、导热系数和动力黏度。为了减少模拟计算量,本文认为热烟气是温度高的空气。空气的物性参数使用拟合的曲线来表示32。火灾数值模拟中,常用的湍流模型有 k-双方程模型和大涡模拟。k-双方程模型是雷诺平均方程中的一种,它采取了工程上可接受的、将温度等物理量进行时间平均的处理方式,因而极大地减少
20、了计算量;而大涡模拟基于涡旋的能量级串原则,不对物理量进行时间平均,直接对涡旋进行模拟计算。以往学者在进行火灾模拟计算时,两种湍流模型均被使用。下文将对比两种模型的计算结果。2 3 模拟工况设置空气的流动和热物性参数对火灾时的温度等有直接的影响。常用的布辛涅斯克近似理论仅能适用于温度变化不大的场景(如自然对流等)。因此,本文通过对空气在 3002 000 K 之间进行拟合,使用得到的拟合公式来描述空气在不同情况下的流动和热物性。空气物性参数随温度的变化如表1 所示。为对比不同物理模型、燃烧模型、气体描述模型和湍流模型的特点,筛选出合理的模型,模拟工况设置如表 2 所示。使用 ICEM 软件划分
21、结构化网格,并对火源附近的网格进行加密。网格独立性验证表明,使用总数为 56 万的网格能够兼顾准确性和经济性。试验中质量损失速率为 1 32 gs-1,折合火源功率为 35 34 kW。因此在使用 VHS 模型时设定 Q=35 34 kW。试验中使用的乙醇燃烧时产生的热烟气量很少,总的热释放中以热辐射的形式散失的热量占比较小,因此取 Qc=Q。71现 代 交 通 技 术2023 年表 1 空气物性参数随温度的变化参数布辛涅斯克近似拟合气体参数密度/(kgm-3)1 225-2 8110-10T3+1 4710-6T2-0 002 57T+1 705导热系数/(Wm-1K-1)0 0245 50
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