公路隧道火灾中纵向风对燃烧及烟气流动影响的研究

论文摘要

隧道在给人们带来便利交通的同时,也给火灾防治带来了许多新问题。与一般建筑相比,由于外界环境和隧道自身结构的原因,隧道内始终存在纵向风,当防排烟设备开启后,这种作用更加明显。因此,研究纵向风作用下的隧道火灾特性具有重要意义。本文通过燃烧风洞等小尺寸实验、高速公路隧道全尺寸实验以及FDS数值模拟,研究了纵向风作用下隧道内池火的燃烧速率、隧道拱顶的温度场特性及对火灾探测的影响,射流风机作用下的隧道流场特性,以及典型主辅双洞隧道的排烟控制策略,主要工作包括:在燃烧风洞内开展了不同纵向风速下油池火燃烧特性的小尺寸试验,定量揭示了纵向风对汽油池火燃烧速率的加速效应。油池火是最常见的火灾燃烧形式,其燃烧速率不仅能表示油池火燃烧的快慢,同时也是对火焰高度、火焰温度以及对火焰对周围的热辐射分布等起决定作用的参数。在隧道内纵向风的作用下,油池火的燃烧速率会受到较大的影响。试验中通过改变纵向风速、油池火尺寸、油池火燃料种类,测量了不同水平风速下各种尺寸油池火的燃烧速率;结果表明,在一定的纵向风范围内,随风速的增大,工业酒精池火的燃烧速率先降低后增大,而汽油池火的燃烧速率则随风速线性单调增大,同时发现,方形汽油池火燃烧速率随风速的增长速率与其边长呈幂指数关系。目前的研究结果表明,Hitoshi Kurioka等人由小尺寸试验得出的隧道顶部最高温度预测模型可以用于真实隧道之中。然而,此模型仅能预测纵向风作用下的拱顶最高温度值,对火灾发展初期拱顶温度的变化规律无法预测。本文通过对小尺寸模拟试验和全尺寸试验中火源上方拱顶区域温度数据的分析,得出了其温升速率与无量纲数Fr以及无量纲火源功率Q~*成幂函数关系的结论。另外,还将全尺寸试验中测得的火源上方拱顶区温度数据用于隧道火灾感温探测器报警阈值的设定建议之中。综合考虑了横洞效应,揭示了隧道射流作用下的隧道内气流特征。射流风机是隧道内最常见的烟气控制设备,按照现行的消防控制方式,只要发生隧道火灾,射流风机就应立即启动。本文通过数值模拟的方法研究了射流风机启动后风机附近的流场,以及对火源附近烟气层稳定性和相邻隧道流场等的影响。随后结合数值模拟的结果,提出了隧道火灾发生时不应该开启离火源较近的射流风机,也不应该在火灾初期开启火源下游的射流风机排烟,以免破坏隧道内火灾烟气层的稳定性,影响隧道内人员的安全疏散;另外,对于通过横洞相连的双洞隧道,在排烟时要合理利用横洞,不要因横洞而在排烟时发生“短路”。很多公路隧道具有主辅双洞,辅洞一般情况下被设计为紧急情况时车辆和人员的逃生通道,如何保证人员在疏散过程中的安全显得尤为重要。本文最后结合某多横洞主辅双洞隧道的实际情况,提出了在辅洞内利用射流风机进行正压送风,阻止隧道烟气进入辅洞,保障隧道内人员经辅洞安全疏散的策略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图例与表格目录
• 图例
• 表格
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 隧道的产生和发展历史
• 1.1.2 交通隧道形式及其分类
• 1.1.3 隧道火灾的严重性
• 1.1.4 隧道火灾的特殊性
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 小尺寸模拟试验研究
• 1.2.2 数值模拟研究
• 1.2.3 大尺寸及全尺寸试验研究
• 1.3 本文的研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 章节安排
• 参考文献
• 第2章 小尺寸模拟试验设计
• 2.1 引言
• 2.2 小尺寸试验的理论基础——相似性分析方法
• 2.2.1 流体动力学相似性分析定义
• 2.2.2 N-S方程和动力相似准则
• 2.2.3 量纲分析法
• 2.3 本文涉及的小尺寸试验设计
• 2.3.1 燃烧风洞试验设计
• 2.3.2 长通道试验台试验设计
• 参考文献
• 第3章 全尺寸试验设计
• 3.1 引言
• 3.2 全尺寸试验重要参数的测量方法
• 3.2.1 火源功率的测量方法
• 3.2.2 隧道内火源上方顶棚温度测量方法
• 3.2.3 隧道下方烟气温度纵向分布的测量方法
• 3.2.4 热烟气层温度竖直分布的测量方法
• 3.2.5 纵向风速的测量方法
• 3.2.6 烟气层前锋水平蔓延速率的测量方法
• 3.3 全尺寸试验中重要参数测点布置
• 3.3.1 试验公路隧道简介
• 3.3.2 火源设置
• 3.3.3 温度测量系统测点布置
• 3.3.4 烟气前锋蔓延测点布置
• 3.3.5 纵向风速的测点布置
• 3.4 全尺寸试验工况记录
• 参考文献
• 第4章 隧道内纵向风对油池火燃烧速率的影响
• 4.1 引言
• 4.2 油盘火燃烧速率的确定方法及试验测量结果
• 4.2.1 典型试验结果
• 4.2.2 试验结果整理与记录
• 4.3 纵向风速对汽油池火与工业酒精池火质量燃烧速率的不同影响
• 4.4 纵向风对汽油池火燃烧速率的加速效应
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第5章 隧道内火源附近的温度场特性及对火灾探测的影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 最高温升速率与纵向风速的关系
• 5.3 隧道内火源附近的温度场对火灾探测的影响分析
• 5.3.1 常用隧道火灾探测器简介
• 5.3.2 不同工况下隧道火灾探测器的响应情况
• 5.3.3 关于感温型火灾探测系统响应阈值设定的讨论
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第6章 射流风机作用下的隧道流场特性
• 6.1 常见隧道烟气控制方式
• 6.1.1 自然排烟方式
• 6.1.2 全横向排烟方式
• 6.1.3 半横向排烟方式
• 6.1.4 纵向排烟方式
• 6.2 射流风机在纵向排烟中的应用
• 6.2.1 射流风机的基本功能
• 6.2.2 隧道射流风机的安装
• 6.3 射流风机对隧道流场的影响
• 6.3.1 隧道内气体流动概况
• 6.3.2 CFD模拟方法介绍
• 6.3.3 利用CFD方法模拟射流风机作用下的隧道流场
• 6.3.4 模拟结果分析
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第7章 纵向风对主辅双洞隧道火灾烟气的控制作用
• 7.1 长大公路隧道火灾防灾救援的研究现状
• 7.1.1 国外在长大公路隧道防灾救援方面的研究
• 7.1.2 我国在长大公路隧道防灾救援方面的研究
• 7.2 主辅双洞隧道火灾烟气控制方案
• 7.2.1 控烟方案设计
• 7.2.2 火灾场景设置
• 7.2.3 不同火灾场景下的烟气蔓延情况
• 7.2.4 不同控烟方案效果对比
• 7.3 主辅双洞隧道火灾时排烟及人车疏散应急方案
• 7.4 小结
• 参考文献
• 第8章 结论与展望
• 8.1 全文总结及结论
• 8.2 本文创新点
• 8.3 研究展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果