基于温度和CO影响下的公路隧道火灾人员逃生研究

论文摘要

在研究隧道防灾、救灾、以及人员逃生时,火灾的初始增长阶段对于确定隧道内的温度增长、烟雾扩散、人员逃生以及救援位置是非常重要的。在隧道火灾中,人员除了要遭受高温气体对呼吸道的伤害,还要受到火灾产生的有害气体的伤害。目前，国内外在研究失火隧道内温度、烟气生成等参数时,大多针对不同的火灾场景给出了恒定的热释放率,这样虽然能够简化计算,使结果偏于安全,但是无法模拟出火灾增长和衰减的实际过程。另外,在研究人员逃生时,不少文献只是采用了恒定的温度和CO浓度的逃生条件,显然也存在瑕疵。本文首先参考了国内外相关文献,在分析目前国际上多种热释放函数优缺点的基础上,以长安大学杨涛给出的火灾热释放函数为基础,采用数值模拟方法,研究了不同环境风速和不同火灾规模时公路隧道的火灾温度场和烟雾浓度场。其次,在文献提出的的修正克拉尼温度逃生条件的基础上,根据火灾烟雾中一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、氰化氢等对人体的伤害机理,将FED失能模型作为隧道火灾时有害气体逃生条件,首次将温度和烟雾对人员的共同伤害引入隧道火灾的逃生中。再次,以厦门翔安海底公路隧道为对象,采用数值模拟方法,详细地研究了隧道火灾发生后,在不同入口风速、不同火灾规模、不同火源位置以及射流风机、横通道、竖井的开启时的隧道内的压力分布、流场分布、温度场分布以及烟雾浓度场分布,得出了火灾时隧道内不同区域温度和烟雾的传播分布规律。最后,根据人员极限忍受温度与忍受有害气体的时间,给出了不同隧道风速、不同火灾规模时隧道内人员逃生的区域和可安全逃生的距离。本文的主要结论有：(1)首次同时考虑温度和有害气体对人体的伤害,并将其应用在隧道火灾的逃生研究中；(2)选择包含时间变化的热释放函数,采用数值模拟方法研究不同情况时隧道内的温度场和烟雾场,得到如下结论：①同一时刻各特征点的温度随火源距离的增加而降低,且降低的幅度是逐渐减小的。隧道内除火源处外,其他特征点的最高温度都出现在较晚的时刻,与火源处最高温度的出现时间相比,有一个时间延迟；②火灾发生后,隧道内纵向温度分布呈三段式分布特征：在火区下游开始一小段距离范围内,温度明显低于分布在两侧的“两侧高温段”的温度。随后接下来的一段距离发展为中心区域温度比两侧温度稍高些的“中心高温段”。最后剩下的至出口范围温度分布才趋于均匀的“均匀段”；③针对厦门翔安海底隧道而言,当火灾规模为20MW时,应取不小于3m／s的火灾控制风速,当火灾规模为30MW时,应取不小于4m／s的火灾控制风速；

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 我国公路隧道的发展
• 1.1.2 国内外隧道火灾案例
• 1.1.3 隧道火灾的特点
• 1.2 国内外隧道火灾研究现状
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文的研究方法与内容
• 第二章 火灾热释放率
• 2.1 火灾基本理论
• 2.1.1 火灾的分类
• 2.1.2 火灾燃烧过程及产物
• 2.2 火灾热释放率研究
• 2.2.1 热释放率研究现状及存在问题
• 2.2.2 本文采用的热释放率函数
• 2.3 本章小节
• 第三章 火灾时的人员逃生条件
• 3.1 温度影响下人员逃生条件
• 3.1.1 高温环境对人体的伤害
• 3.1.2 高温环境的人员逃生条件
• 3.2 有害气体影响下的逃生条件
• 3.2.1 CO对人体的伤害
• 3.2.2 其他气体对人体的伤害
• 3.2.3 有害气体影响下人员逃生条件
• 3.3 考虑温度—CO综合影响时的逃生条件
• 3.3.1 判断条件的选取
• 3.3.2 疏散时间的确定
• 3.4 本章小节
• 第四章 隧道火灾数值模拟的基本理论
• 4.1 隧道通风中的基本理论
• 4.1.1 流体是连续介质
• 4.1.2 流体是不可压缩的
• 4.1.3 流体为稳定流
• 4.2 流体动力学控制方程
• 4.2.1 质量守恒方程
• 4.2.2 动量守恒方程
• 4.2.3 能量守恒方程
• 4.2.4 组分质量守恒方程
• 4.3 常用的离散化方法
• 4.3.1 有限差分法
• 4.3.2 有限元法
• 4.3.3 有限体积法
• 4.4 常用的CFD软件介绍
• 4.4.1 CFD技术的特点
• 4.4.2 CFD软件介绍
• 4.5 本章小节
• 第五章 公路隧道火灾数值模拟
• 5.1 厦门翔安隧道简介
• 5.2 不同规模火灾数值模拟
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 模拟工况
• 5.2.3 模拟结果与分析
• 5.3 射流风机对火灾的影响
• 5.3.1 计算模型的建立
• 5.3.2 模拟工况
• 5.3.3 模拟结果与分析
• 5.4 横通道对火灾的影响
• 5.4.1 计算模型的建立
• 5.4.2 模拟工况
• 5.4.3 模拟结果与分析
• 5.5 竖井对火灾的影响
• 5.5.1 计算模型的建立
• 5.5.2 模拟工况
• 5.5.3 模拟结果与分析
• 5.6 本章小节
• 第六章 公路隧道火灾时的人员逃生研究
• 6.1 火灾逃生概述
• 6.2 隧道火灾人员逃生研究
• 6.2.1 不同规模火灾时的人员逃生
• 6.2.2 射流风机影响下的火灾人员逃生
• 6.2.3 横通道开启时的火灾人员逃生
• 6.2.4 竖井送风时的火灾人员逃生
• 6.3 本章小节
• 第七章 结论及建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢