基于Fluent 与Pyrosim 的火灾情况下地铁活塞风效应模拟技术

谢知航

（西安科技大学，陕西 西安710000）

地铁因方便、快捷、输运量大等优点，在构建城市快速立体交通网络发挥着越来越大的作用[1]。但由于地下空间的封密性，也使其火灾风险倍受关注，特别是火灾烟气对人的致亡率最为突出[2]。随着节能减耗的广泛倡导，多数中高纬度地铁站开始利用活塞风来带动地铁站内的空气流动以减少能源消耗，但火灾时活塞风可能会增加火灾烟气蔓延的不确定性，从而增加人员疏散疏导的难度。

对于地铁火灾烟气的流动特性许多学者已经进行了大量研究。Manabu Tsukahara 等人[3]通过研究地铁站疏散楼梯处的火灾烟气分布规律，确定了人员的安全疏散路径；赵明桥[4]采用全比例实验，研究出了垂帘分区控制烟气扩散的方案。也有许多学者针对地铁活塞风进行了研究。贺江波、吴喜平、边志美等人[5]用恒定流理论作为活塞风简化计算模型，并利用MATLAB 软件对无竖井隧道、列车不同行驶位置下的活塞风进行了模拟，得到了活塞风风速变化规律。

目前针对活塞风对地铁火灾烟气蔓延影响的研究较少。既要实现动态模拟列车产生的活塞风流动状态，又要研究活塞风流动状态对火灾烟气蔓延的影响，很难通过一个模拟软件实现，因此本文做了基于Fluent 与Pyrosim 的火灾情况下地铁活塞效应模拟。

1 Fluent 与Pyrosim 概述

1.1 Fluent 软件概述

Fluent 早在1998 年就进入中国市场，在国内和国外的仿真领域具有非常大的影响力。Fluent 软件特点如下[6]：

（1）Fluent 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，且具有基于网格节点和单元网格的梯度算法。

（2）Fluent 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，局部网格重生是其独有的，主要应用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道的情况。

（3）Fluent 软件具有强大的网格支持能力，拥有多种基于解的网格自适应、动态自适应技术。

（4）Fluent 软件中包含丰富且先进的物理模型，能够精确的模拟无粘流体、层流、湍流等。湍流模型包括Spalart-Allmaras 模型、k-ω 模型、k-ε 模型等，其中k-ε 模型中的RNG k-ε 模型能使计算结果更加精确。

（5）Fluent 软件提供了先进且便于操作的用户界面，以及为满足更多用户需求而提供了二次开发接口（UDF）。

本文选用Fluent 软件是因为其可视化操作界面便于建立更加准确的模型；且Fluent 软件中的RNG k-ε 湍流模型能使本研究涉及到的计算结果更加精确；最终要的就是Fluent 拥有独特的动网格功能能够很好的处理刚体运动造成的流场变化问题。

1.2 Pyrosim 概述

Pyrosim 软件是专门应用于火灾模拟的软件，它是基于Pyrosim 火灾模拟理论的一款一体化软件。在火灾模拟软件中非常具有特色[7]。

（1）Pyrosim 软件整合FDS 和Smokeview，提供了人机互动的可视化界面，简化了建模过程的同时也提高了模型的精确度。

（2）Pyrosim 软件可采用地板、空洞、斜板等建模工具进行二维、三维交替的几何编辑，方便客户更精准的发现模型细微的错误并便于修正。

（3）Pyrosim 拥有开放的后台程序且支持导入CAD 的DXF文件便于模型尺寸校准。

（4）Pyrosim 软件模拟时可通过点检测、面检测、三维检测等方式得到客户想要的数据。

综上所述，本文将选取Pyrosim 软件作为模拟火灾烟气蔓延的软件，不仅能利用Fluent 中得到的越站列车产生的活塞风变化规律，且能通过其优越的火灾模拟性能及Smokeview功能将火灾烟气蔓延的规律清晰呈现出来。

2 Fluent 与Pyrosim 使用及重要设置

2.1 Fluent 刚体运动模拟设置

Fluent 模拟刚体运动一般有两种方法，一种是滑移网格，另一种是动网格。本文采用动网格的方法来模拟列车行驶产生的活塞风。

（1）建立模型。

选用ANSYS 集成软件Fluid flow(Fluent)中的Geomtry 创建同比例地铁站台及隧道模型。

图1 地铁站台平面示意图

（2）划分网格。

在mesh 中，根据计划模型区域分不同，分别针对隧道与站台进行划分。网格采用非结构化四面体网格，网格大小根据实际模型的大小和电脑性能采用size=0.5 的设置。

（3）参数设置。

在setup 中，首先设置模拟计算方法（Models）, 流体采用Viscous 中的Standard k-e 方程。其次定义模拟材料属性（Materials），再次对网格区域（Cell Zone Conditions）及边界条件（Boundary Conditions）定义，在边界条件定义中加入了UDF，最后设置动网格（Dynamic Mesh），动网格设置中，采用光顺法和重构法结合使用的方法。

（4）Fluent 计算。

在Solution 中设置模拟步数（Number of time Steps）、时间步长（Time step size）以及每一步的迭代次数（Max time step），迭代次数越多模拟越容易收敛，只有模拟结果收敛了才能得到较为准确的数据。本文设置迭代次数30 次，步长0.005s，总步数5000。

（5）后处理。

在Results 中查看模拟结果，并导出用于分析所需要的数据。

2.2 Pyrosim 火灾烟气模拟设置

在Pyrosim 构建符合模型尺寸的网格，可选择二维或三维界面创建模型。设置边界条件时除常规边界条件参数外，更重要的是将Fluent 模拟中得到的数据及规律在Pyrosim 中体现出来。

首先在活塞风进入站台的位置上设置通风口，对该通风口进行定义，指定它为进风口，并设定进风风速，然后在Ramp-up time 处选择Custom，最后输入活塞风风速与对应的时间。其次根据活塞风的持续时间，将已经定义风速的连通口进行出现时间与消失时间的设置，使其能够在出现的时间内按照设定好的风速变化执行命令，从而模仿出列车行驶时活塞风变化的效果。

完成网格划分、模型建立、边界设置等后，设置模拟时间通过RUN FDS 进行模拟计算。计算完成后，通过Smokeview查看模拟结果。

3 基于Fluent 与Pyrosim 的火灾时地铁活塞风模拟

如图1 所示，以郑州某地铁站为例，站台全长142m，侧式站台宽9m，岛式站台宽13m，整个站台连通站台隧道空间高5m；单侧站台隧道为截面4m×5m 的长方体，双侧站台隧道为截面5m×5m 的长方体；两个站台分别有三部楼梯，楼梯的起始位置分别是30m、70m、110m，楼梯周围端分别设置1.5m 宽的挡烟垂壁，隧道与站台之间设置0.5m 梁，站台两端分别设置有设备间；站台隧道端口、楼梯出口为开放通风口，图中红色线条表示连通口，连通口是行车隧道与候车站台之间开放的通气口。

3.1 利用Fluent 模拟列车行驶时活塞风的变化情况

结合第2 节中的模拟设置方法，先利用Fluent 模拟了列车行驶时活塞风的变化情况。得到如下结果：如图2 是列车行驶过站台时，在隧道与站台之间不同位置通风口监测到的活塞风风速变化与时间的关系。距离进口1m 位置上，活塞风风速随着时间推移先逐渐减小至0（用时4s），再反向增大到最大后又逐渐减小至0（用时8s）；距离进口27-140 位置上，活塞风风速随时间推移先增大后减小至0（用时7s），再反向先增大后减小（用时8s）。

图2 列车行驶时连通口不同位置活塞风风速与时间的关系

3.2 利用Pyrosim 模拟活塞风对站台火灾造成的影响

将以上研究结果作为Pyrosim 模拟的基础，并设定着火站台为岛式站台，列车从上行隧道驶过，然后进行了活塞风对地铁火灾影响的模拟。对站台能见度的变化情况进行了分析，主要结果如下：火灾发生128s 时，站台能见度无明显变化；火灾发生200s 时，2 号楼梯能见度小于10m；火灾发生285s 时，侧式站台3 部楼梯以及岛式站台1、2 号楼梯处能见度低于10m。岛式站台发生火灾，结果却导致侧式站台更早的处于危险状态，因此可以判定，活塞风会不利于控制站台火灾烟气的，会加速烟气向其他区域扩散的速度从而导致出现更大范围因能见度过低区域，加大疏散救援工作的难度。

图3 活塞风影响下火灾时站台能见度分布情况

4 结论

本文讨论了基于Fluent 与Pyrosim 的火灾时地铁活塞效应模拟技术，并利用Fluent 与Pyrosim 联合模拟了活塞风对地铁火灾的影响。主要结论如下：

（1）Fluent 与Pyrosim 能够实现联合模拟火灾时的地铁活塞效应，并且由于二者在各自领域内的优越性能，能够使模拟结果更符合实际，本文也简述了二者联合应用的方法。

（2）站台发生火灾时，活塞风的影响加速火灾烟气向着火站台以外区域扩散，最终导致相邻的未着火站台能见度比着火站台能见度降低更快，达到危险值的时间更早，对人员安全疏散非常不利。