隧道火災(zāi)煙氣蔓延的熱物理特性研究.pdf

1、隨著交通業(yè)的迅速發(fā)展，世界上建成了越來越多的隧道。隧道給人們帶來便利交通的同時(shí)，也給火災(zāi)防治帶來了許多新問題。同時(shí)，近年來發(fā)生的幾次群死群傷的隧道火災(zāi)表明，隧道火災(zāi)雖然是一種小概率事件，但其一旦得不到有效控制的話，將給我們帶來災(zāi)難性的損失。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，由于不完全燃燒所產(chǎn)生的有毒有害煙氣是隧道火災(zāi)中導(dǎo)致人員死亡的最主要因素。因此，研究隧道火災(zāi)的煙氣流動(dòng)特性及其合理控制具有重要意義。 火災(zāi)煙氣流動(dòng)本身就是一種復(fù)雜的浮力驅(qū)動(dòng)流，同時(shí)

2、，由于隧道自身狹長結(jié)構(gòu)的限制以及隧道內(nèi)縱向風(fēng)的作用，使得隧道內(nèi)的煙氣流動(dòng)相比于一般建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)更為特殊。本論文首先結(jié)合隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)在不同發(fā)展階段的特性和當(dāng)前所需要解決的研究問題，開展了針對性的基礎(chǔ)研究；之后，對隧道火災(zāi)的煙氣控制策略進(jìn)行了針對性的現(xiàn)場試驗(yàn)測試，為隧道火災(zāi)防排煙系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。論文的具體工作包括： 在長度為96m的模擬隧道和長度分別為2700m、3200m和1024m的實(shí)際隧道內(nèi)系統(tǒng)性地

3、開展了一系列的大尺寸和全尺寸現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，測量了隧道火災(zāi)煙氣溫度場和不同縱向風(fēng)速下隧道火災(zāi)煙氣層蔓延的熱物理特性，為隧道火災(zāi)研究積累了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 建立了隧道火災(zāi)煙氣層溫度縱向衰減的預(yù)測模型。傳統(tǒng)的雙層區(qū)域模型無法考慮隧道火災(zāi)煙氣溫度沿隧道衰減的這一重要特征，本論文通過理論分析和全尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明火災(zāi)煙氣層溫度沿隧道呈冪指數(shù)的衰減，并建立了衰減系數(shù)的預(yù)測模型。 采用全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬驗(yàn)證了Kuriok

4、a的最高煙氣溫度預(yù)測模型。隧道火災(zāi)拱頂處的最高溫度對于隧道拱頂在火災(zāi)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)保護(hù)具有重要的理論參考價(jià)值，Kurioka通過小尺寸的模擬實(shí)驗(yàn)(2003年)，建立了經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測模型，由于開展相關(guān)的全尺寸試驗(yàn)難度大，該模型能否在實(shí)際全尺寸的隧道內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文通過全尺寸試驗(yàn)結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬對Kurioka模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，Kurioka模型在實(shí)際尺寸的隧道內(nèi)仍能提供較好的預(yù)測結(jié)果。 通過全尺寸實(shí)驗(yàn)分析

5、了隧道火災(zāi)的頂棚射流溫度場在火源上、下游的不同分布特征，并對火災(zāi)發(fā)展的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件FDS在預(yù)測隧道火災(zāi)拱頂邊界層溫度場的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，在縱向風(fēng)的作用下，火源上游的頂棚射流溫度衰減要比下游快很多，相對于下游而言，上游頂棚射流的溫度分布存在一個(gè)虛擬集熱障礙位置。在該位置之前，火源上游的頂棚射流溫度要高于下游；而在該位置之后，火源上游的頂棚射流溫度要低于下游。而FDS在近火源區(qū)(40m一80m)，對拱頂邊界層溫度

6、場的預(yù)測結(jié)果較好，而在遠(yuǎn)火源區(qū)域，預(yù)測值偏低，誤差在4-5℃以內(nèi)。 通過理論分析、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，論文建立了煙氣逆流距離及臨界縱向抑制風(fēng)速的預(yù)測模型，將模型得到的預(yù)測結(jié)果跟全尺寸實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果、FDS數(shù)值模擬的結(jié)果以及WuY.和Barker模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，論文所建立模型的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及FDS的數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，而WuY.和Barker通過小尺寸實(shí)驗(yàn)所建立的模型預(yù)測值則偏低。 論文通過大尺寸和全