长隧道火灾湍流燃烧模拟及结构防火安全研究

论文摘要

长隧道火灾造成的灾难性后果已引起各国学者的广泛关注。随着我国经济持续高速增长及隧道长大化发展,隧道火灾事故的发生几率将呈上升趋势。隧道火灾释放出大量的高温有毒烟气,不仅对人员造成巨大伤害,且会使隧道结构受损而降低隧道的整体稳定性。因此,研究长隧道火灾烟气的运动规律及结构防火安全性无疑具有重要的意义。本文在总结国内外隧道火灾研究成果和经验的基础上,应用多相湍流反应流体动力学、热分析动力学等学科交叉手段,通过理论分析、数值模拟、比尺模型试验、热重试验、红外光谱分析试验等方法对长隧道火灾过程及结构防火等问题进行深入地研究。取得主要成果如下:（1）本文基于湍流燃烧理论构建的隧道火灾三维数学模型弥补了传统体积热源模型未考虑火源燃烧过程、只能模拟低风速隧道火灾之不足。利用该模型首次揭示燃烧对隧道火灾流场结构的塑造作用,并定量分析烟气的脉动效应。LES能捕捉到受迫火焰的三个分区——连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区,刻画出火源上方温度的大幅波动和烟气的脉动细节。对于复杂的湍流问题,LES优于k-ε模型。（2）通过数值模拟系统分析隧道火灾烟气的三维运动规律,在纵向排烟模式下,烟气羽流运动受浮力和强制对流的共同作用,可分为三维螺旋涡流区、二维均匀分层区和一维纵向蔓延区3个特征阶段:而集中排烟模式存在双向不对称、双向对称和单向3种排烟方式。（3）首次进行沥青材料燃烧的热重和红外光谱分析试验,揭示沥青及其胶浆的燃烧机理、特征,并对其燃烧气态产物成分、释放规律进行分析,发现:1)沥青胶浆的燃烧过程可分为稳定阶段、活泼挥发分燃烧、二次挥发分燃烧、残炭燃烧4个阶段;沥青的燃烧过程可分为稳定阶段、活泼挥发分燃烧、二次挥发分及残炭燃烧3个阶段:2)沥青及其胶浆燃烧的主要气态产物为CO2、CO、NO、NO2及SO2。其中,CO主要在活泼挥发分析出燃烧阶段产生;SO2的排放量主要取决于样品的含硫量;活泼挥发分含量和空气流量对沥青及其胶浆燃烧气态产物的释放规律有较大影响,增加空气流量虽能减少CO的产生,但会增加碳黑的排放量。热动力学分析表明,对于沥青胶浆燃烧的第二至四阶段,三维扩散模型的Z-L-T方程、Jander方程、一维相边界反应模型的Mampel Power法则分别是最概然的机理函数;而沥青燃烧的第二、三阶段的最概然机理函数则为三级反应级数模型和满足Mampel Power法则的一维相边界反应模型;（4）采用数值模拟与物理试验相结合的方法对隧道火灾过程中的结构安全性进行分析:1)热分析试验测得室温固化植筋胶的玻璃化转变温度为106.2℃,据此通过数值计算获得,当植筋位置与受火面之间的混凝土厚度超过22cm时,植筋胶用于隧道工程是安全的;2)低于10MW规模的隧道火灾基本不会引燃沥青混凝土路面,对20和50MW规模的隧道火灾,只要分别保持2和4m·s-1的通风,也基本能确保沥青路面不被引燃。沥青混凝土路面发生燃烧对隧道火灾的影响是有限的,其最大释热率不超过火灾规模的1.7%;3)在集中排烟模式下,顶隔板上表面可能发生爆裂的区域要远大于其下表面,二者间差距随火灾规模的增大而增大。受混凝土不良导热性影响,顶隔板上下表面始终存在着较大温差,由此产生的巨大温度应力可能导致顶隔板在隧道火灾过程中发生破坏。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 隧道火灾的基本特征及其分类
• 1.2.1 隧道及其分类
• 1.2.2 隧道火灾的原因、特点和危害
• 1.2.3 隧道火灾的分类
• 1.3 隧道火灾的主要研究方法
• 1.3.1 隧道火灾物理试验
• 1.3.2 火灾数值模拟技术
• 1.4 国内外隧道火灾的研究现状和发展
• 1.4.1 国内外主要的相关研究结构、组织和项目
• 1.4.2 国内外在隧道火灾安全方面的相关技术标准和规范
• 1.4.3 隧道火灾烟气运动和控制
• 1.4.4 隧道火灾场景
• 1.4.5 隧道火灾对人员和结构安全的影响
• 1.5 研究方法与研究内容
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 研究内容
• 1.6 参考文献
• 2 隧道火灾数值模拟的基本理论与方法
• 2.1 引言
• 2.2 湍流流动的数值模拟
• 2.2.1 雷诺统计平均模型
• 2.2.2 直接模拟
• 2.2.3 大涡模拟
• 2.2.4 涡方法
• 2.2.5 格子气模型
• 2.3 燃烧的数值模拟
• 2.3.1 化学反应速率
• 2.3.2 湍流燃烧模型
• 2.4 辐射传热的数值模拟
• 2.4.1 辐射传热模型
• 2.4.2 各种辐射模型的选择
• 2.5 数学模型的求解
• 2.5.1 微分方程的离散化方法
• 2.5.2 代数方程的求解
• 2.5.3 计算区域的离散化方法
• 2.6 参考文献
• 3 长隧道火灾三维湍流燃烧数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 隧道火灾系统的特点
• 3.2.1 湍流燃烧
• 3.2.2 物性参数的变化
• 3.2.3 燃烧组分复杂
• 3.3 数学模型的构建
• 3.3.1 湍流模型
• 3.3.2 燃烧模型
• 3.3.3 辐射模型
• 3.3.4 数值求解方法
• 3.4 数学模型的试验验证
• 3.4.1 隧道比尺模型的相似模化
• 3.4.2 模型制作和隧道火灾试验
• 3.4.3 计算结果与试验数据比较
• 3.5 燃烧对隧道火灾流场结构的影响
• 3.5.1 计算条件
• 3.5.2 燃烧对流场的重塑作用
• 3.5.3 燃烧对烟气运动的影响
• 3.6 隧道火灾中的脉动效应分析
• 3.6.1 大涡模型和计算条件
• 3.6.2 两种模型的比较
• 3.6.3 火灾规模对烟气脉动的影响
• 3.6.4 通风条件对烟气脉动的影响
• 3.7 本章小节
• 3.8 参考文献
• 4 特长隧道火灾与通风的三维数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 隧道通风排烟技术现状
• 4.2.1 隧道通风要求及方式
• 4.2.2 火灾通风与正常通风的区别及原则
• 4.2.3 隧道火灾的排烟设计
• 4.3 纵向排烟隧道火灾烟气的运动特征
• 4.3.1 计算条件
• 4.3.2 隧道火灾烟气的三维运动现象
• 4.3.3 通风条件对烟气运动的影响
• 4.4 集中排烟隧道火灾烟气的运动特征
• 4.4.1 工程背景
• 4.4.2 计算条件
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 两种排烟模式特点的比较分析
• 4.6 本章小节
• 4.7 参考文献
• 5 隧道沥青路面材料的燃烧特性与烟气分析
• 5.1 引言
• 5.2 前人的研究概况
• 5.2.1 沥青的阻燃机理
• 5.2.2 沥青阻燃性能的评价方法
• 5.2.3 沥青的热解和燃烧
• 5.3 沥青燃烧的热重试验
• 5.3.1 热重试验原理
• 5.3.2 样品制备和试验过程
• 5.3.3 燃烧反应过程分析
• 5.3.4 燃烧特性分析
• 5.4 沥青燃烧反应的热动力分析
• 5.4.1 热分析动力学理论
• 5.4.2 沥青燃烧的动力学过程
• 5.5 沥青燃烧释放气体成分的红外光谱分析
• 5.5.1 光谱分析原理
• 5.5.2 试验装置和过程
• 5.5.3 沥青燃烧产物分析
• 5.5.4 燃烧气态污染物的释放规律
• 5.5.5 影响气态污染物释放的因素
• 5.6 本章小节
• 5.7 参考文献
• 6 隧道火灾过程的结构防火安全性分析
• 6.1 引言
• 6.2 集中排烟模式下隧道顶隔板的防火安全性
• 6.2.1 隧道衬砌结构的损伤形式及机理
• 6.2.2 顶隔板温度场分布特征和变化规律
• 6.2.3 火灾过程顶隔板损伤评估
• 6.3 隧道火灾过程的植筋胶耐火性分析
• 6.3.1 植筋胶的性能特点概况
• 6.3.2 植筋胶耐热性的热分析试验
• 6.3.3 标准火灾曲线下衬砌温度分布
• 6.3.4 隧道火灾过程植筋胶安全性评估
• 6.4 纵向通风隧道沥青路面的防火安全性
• 6.4.1 隧道火灾过程中沥青路面温度场变化规律
• 6.4.2 沥青燃烧的概念
• 6.4.3 沥青路面燃烧的热效应
• 6.5 本章小节
• 6.6 参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究成果及创新点
• 7.1.1 主要结论
• 7.1.2 创新点
• 7.2 研究展望
• 作者简历
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文