地铁火灾数值模拟研究最新进展
摘 要: 火灾是地铁系统中危害最大而发生频次最高的事故。由于火灾实验具有一定的破坏性，加之地铁运营、安全等因素的限制，以及技术手段的局限，数值模拟被更多地应用到地铁火灾的预测和防控研究中。本文主要论述地铁火灾数值模拟研究的前沿进展，对现有主要的模拟软件和软件中有待完善的问题进行综述和分析，为地铁火灾数值模拟的研究提供参考。
关键词: 地铁火灾; 数值模拟; 模型; FDS
为了有效解决城市化带来的交通问题，许多城市都选择大力发展公共交通。地铁作为一种具有运量大、速度快、无污染、准时、方便等优点的交通工具进入了高速发展时期。虽然比起其他的各类交通，地铁的安全系数相对较高，但是地铁也存在着诸多安全隐患如火灾、洪涝、踩踏等。其中，危害性最大、事后造成后果最严重的属火灾事故。地铁火灾防范工作刻不容缓，且意义重大。
1 地铁火灾的危害性
统计国内外重大地铁事故，火灾事故约占地铁事故总数的 57%［1］。地铁事故灾害中，危害最大的主要是地铁站台和地铁隧道内燃烧、烟气和毒害物质的扩散造成的人员伤亡。地铁火灾与地面或其他地下建筑火灾相比有其特殊性: 地铁系统与外界的联系主要为出入口，人员密集、排除热量及烟气困难，因此与地面建筑火灾相比具有更大的危害性，主要表现在以下几方面:
( 1) 地铁车站客流量大，人员集中，一旦发生火灾，容易造成群死群伤事故。
( 2) 地铁列车本身具有相应的电器设备，虽然车辆制造材料主要为不燃，但仍有少部分阻燃材料，火灾时还会产生一定的毒性气体。
( 3) 地下车站与外界连通的通道、风道较少，通过主要靠与地面连接的风亭和风井［2］。
地铁火灾模型试验具有周期长、费用高、得到的数据有限，而且受到运营及安全等因素限制。
尤其火灾实验是一种破坏性的实验。作为模型实验的一种补充研究方法，计算机数值模拟得到了越来越多的应用。得益于计算机硬件技术的快速发展，计算流体力学( CFD，Computational Fluid Dynamics) 成为了火灾数值模拟的主要手段。CFD 是通过数值方法求解包含流体流动和热传导等相关物理现象的控制方程，以获得流场离散的定量描述，并采用图形可视化技术显示计算结果，来预测流体运动规律的综合技术。
2 国内外地铁火灾数值模拟研究进展
2. 1 火灾数值研究模型的进展
火灾模拟研究的最初目的是了解火场中的各项参数，比如: 燃烧速率、辐射特性、火焰形状、气流速度、温度、烟气浓度、烟气层厚度、能见度等等，由此产生了燃烧动力学，并结合近年来发展迅速的计算流体力学，产生了几类有代表性的火灾研究数值模型。分别是: 区域模型、场模型和网络模型［2-3］。三种模型各有优缺点，区域模型计算速度快，但不适合几何形状复杂和有强火源和强通风的场合，场模型虽然求解精度高，但计算工作量大，网络模型虽然在求解精度和速度上有了一定的平衡，但是由于网络模拟中每一个受限空间只需用一个均匀参数来表示，因而适用于远离火场且混合已基本均匀的区域，在大空间及超大空间火灾模拟上应用不多。
随着研究领域的细分和扩展，在获得了基本模型所得到的各项参数后，研究者开始对这些参数进行相关扩展应用以满足不同的专业需求，分别出现了火灾模拟的一些扩展模型。
( 1) 探测器响应模型。探测器响应模型主要用来预测探测器初始响应时间、自动喷淋系统及熔融探测器的响应时间，也有少部分用来计算感烟探测器响应时间［4］。模型使用区域的方法来计算烟气和热的流动，但使用子模型来确定探测器热敏元件对热和流体流动的响应。而且对于一些更为复杂的区域探测模型，需要室内几何尺寸和建筑材料的典型特征。
( 2) 疏散模型。由于火灾中人员安全疏散与人员的生命安全直接相关，如何有效预防和减少火灾造成的人员伤亡，尤其是防止群死群伤火灾事故的发生，已成为当前国内外公共安全领域的研究热点和重点。疏散模型根据基本模型预测得到的相关参数，结合建筑结构内人员运动规律和疏散动力学的相关研究，用于预测火灾情况下建筑内人员的疏散时间［5-6］。
( 3) 火灾耐久性模型。火灾对建筑结构具有较强的破坏性，人们往往需要了解建筑结构在火灾之后被破坏的程度以进行相关的安全评估。火灾耐久性模型结合混凝土结构的相关耐久性特性，模拟火灾中暴露的建筑构件的响应。
2. 2 FDS 场模拟模型
就性能来说，目前市场上比较成熟的商业 CFD 软件，比如: FLUENT，PHOENIX 和 CFX 等都不是专业的火灾模拟软件。2000 年，在前期研发的基础上，美国国家标准局( NIST) 的防火实验室( BFRL) 官方发布了FDS( Fire Dynamics Simulator) ，作为专业的火灾模拟及消防研究的软件。
2. 2. 1 优点
( 1) 使用场模型中的大涡模拟方法，在提高了计算精度的同时，减少了运算时间，即便对于体育场馆、地铁车站这样的大空间，随着电脑科技的不断进步，其对硬件能力的要求也得到了解决。
( 2) 开放原始代码，可以使用 SmartSVN 客户端下载得到其使用 Fortran 90 编写的源代码，一方面可以让广大使用者验证其正确性，另一方面，也加速了程序的扩展和完善的速度，同时也可以让使用者根据自身需要进行再次开发。
( 3) 软件的获得是免费的，使用者可以从其谷歌代码网页直接下载适用于微软、苹果以及 Linux 各种操作系统的版本，这为研究者节省了不少的费用，从而使其具有了众多的实际应用。
( 4) 作为专业的火灾模拟软件，FDS 在火灾场景的设定上比较简单、迅速，可轻易建构复杂的空间，面对复杂的火场信息，FDS 常常可用简单的程式即可完成描述。
( 5) 具有強大的后处理程式 SMOKEVIEW，对火场內的温度场、速度场、热传导、热辐射、热对流、CO 浓度、CO2浓度、能见度等参数均能以优越的 3D 立体视觉效果呈现，甚至即使非消防专业人员也能一目了然。
( 6) 由于源代码开放，FDS 被使用者不断扩展，目前比较完整地具备了火灾报警的探测器响应、自动喷淋以及人员疏散的功能( 见图 1、图 2) 。
由于上述的一些优点，FDS 自官方正式发布以来受到了众多消防减灾领域研究者的使用，其中也有很多地铁火灾模拟的案例［7-9］，同时，研发人员也在不断对其进行完善和更新，2012 年 11 月 2 日发布了最新的第 6 版软件，目前正接受广大使用者的测试和验证。
2. 2. 2 缺点
当然在具有上述优点的同时，FDS 也有缺点和限制，其中有一些也是其他火灾模拟软件共同存在的问题以及亟需改进和完善的地方。
( 1) 受网格划分的限制，FDS 目前的计算格点系统必须为立方体形，在模拟非立方体形建筑物或其内部的摆放物体时，必须以分解为多个立方体的方式来建构，目前，研发组正在需求采用更高阶的数值处理方法来改善其物理模型的建模。
( 2) 为提高大梯度区域内的求解精度，需要使用更加高效的算法来求解输运方程，目前由于采用二阶有限差分方法求解雷诺时均方程，FDS 对火场内速度及温度模拟的准确度一般约在 80% ～ 90% 。
( 3) 大空间内多重网格边界上的不连续性对 FDS目前使用的压力求解器造成了很大的障碍，降低了其求解速度，需要开发新的低马赫数下大涡模拟的自适应网格划分方法，并提高新算法在大型计算机群上并行求解的效率。
( 4) 对于灭火过程模拟依然比较粗糙，使用的是一个所谓“氧气极限”的简单经验模型，对于火场中的二次点燃、火焰自熄等复杂现象还无法模拟。
3 展望
地铁火灾预防在城市公共交通安全保障中有着极其重要的意义，计算机数值模拟由于具有费用低、速度快、资料完备、可重复性好等优点，被越来越多地应用到地铁火灾的相关研究当中。在传统成熟的 CFD 商业软件被广泛应用的同时，也出现了专业的火灾模拟软件并在地铁火灾模拟中得到越来越多的应用，同时模拟的内容也不再限于火场内的相关参数，而开始向喷淋灭火、人员疏散以及结构耐久性评估等方向细化、扩展。
目前我国地铁建设发展迅猛，昆明、兰州、贵阳等高原城市也开始修建地铁。已有研究表明，高原地区低压低氧环境下的火灾动力学特性和烟气特性与平原地区有很大不同［10］，针对平原地区地铁火灾数值模拟的研究成果能否应用到高原城市尚有待验证，这给地铁防火与安全带来新的课题。
参考文献:
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［4］ 田宏，梁力达． 火灾模型在火灾报警系统中的应用［J］．消防技术与产品信息，2008( 12) : 72-73．
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