Page 198 - 捷運技術 第32期

188 丁俊智 計算流體力學(CFD)軟體於捷運工程之應用

1. 前言

捷運的完成，帶動了其鄰近地區的蓬勃發展，每天使用捷運上下班的人數高達數十萬人
次，其便捷快速的特色吸引著趕時間的民眾。雖然快速、便捷之地下化捷運系統可局部避免
土地徵收問題及不受一般道路交通管制等優越性，但卻因為其本身結構及使用環境而產生獨
特之安全問題，如捷運火災及月台門強度安全等問題，尤其近年來地下捷運、鐵路等交通運
輸系統發生之安全問題，更使捷運車站及隧道間之安全成為國內外重視之課題，尤其是火災
發生時，所有產生的有毒氣體、高溫及濃煙在短時間內即能使人喪命，同時亦使救火的工作
的危險性增高，甚至窒礙難行。因此當火災發生時，捷運中龐大數量的乘客疏散問題便是一
個難題。所以瞭解發生火災時濃煙的擴散情形及溫度分布及如何利用捷運相關設施使乘客有
足夠的逃生時間，是必需研究的一個重點。
因此為了提升捷運車站的安全以及應付設計情況的多變性，台北捷運自新莊線 192 標引
進 CFD（Computational Fluid Dynamics）軟體進行環控系統設計，藉由 CFD 軟體預測工程設
計上的流場狀況，以提供工程師設計上的重要依據以及強化設計功能。
目前 CFD 軟體於捷運工程方面的應用主要分為火災狀況模擬以及列車活塞效應模擬。火
災模擬主要模擬當車站內發生火災、列車在車站軌道區失火以及列車在隧道內失火三種情況
發生時的溫度以及濃度分布等以分析人員是否有足夠的時間逃生。列車活塞效應模擬主要在
於分析當列車移動時所產生的壓力，藉以分析車站月台門所須承受之壓力以及檢視設置之釋
壓通風井大小及位置是否恰當。除以上模擬議題外，CFD 軟體亦應用於分析其它捷運工程規
劃設計上所遇到的問題，如軌道區防煙垂壁設置之探討、軌道區上方排氣系統（OTE）設置
之探討、隧道火災兩端加壓模式評估及半密閉式月台門分析等，因此本文除了說明 CFD 軟體
於捷運工程的基本應用外，將以流明天花之開孔率應為多少才不會影響蓄煙能力為例說明
CFD 軟體於特殊問題的應用。

2. CFD 計算方法及軟體介紹

CFD（計算流體力學）是以數學的方式將流體力學方程式、燃燒方程式、質能轉換方程
式、半經驗公式等方程式予以離散化，再配合時間、空間的差分，進行流場的模擬。簡而言
之，就是將這些微分、偏微分方程式經過數學的轉換，成為電腦看的懂的語言，透過這些語
言驅動電腦進行運算以模擬實際的情境，模擬完後，再將數據圖面化或是做成動畫，以虛擬
的方式呈現案例，並從中得知相關資訊。

2.1 CFD計算方法
自從十九世紀建立了嚴謹的計算流體力學數學模式，用以描繪流體運動行為之後，往後
的學者無不為了求得這些方程式的解析解而努力。但是由於這些方程式具有高度的非線性
項，因此僅僅只有簡單的幾何形狀，或是簡化的條件下才可獲得解析解。如此，在實際的工
程應用上並沒有很大的助益。因此在 1920 年代雖然有學者開始嘗試以數值方法求解方程式，
不過由於計算過程繁複，所以只限於求解簡單的問題。一直到 1950 年代，由於計算機科技突

飛猛進，才使得流體力學方程式的數值解法得以蓬勃發展。
在數值領域中所使用的數值方法大概可分為有限體積法、有限差分法、及有限元素法，
有限差分法是較早期發展的理論，現今仍為某些特殊領域專用程式所採用的數值方法，如爆
炸、噪音及波動，或以近似流體特性模擬破壞現象等之模擬程式，另有部分則使用有限元素
法來作運算，此數值方法為熱流力學中較晚發展的技巧，而有限體積法則發展的最為成熟及

廣泛，因此一般泛用的熱流分析軟體則多是採用有限體積法。