公路隧道火灾数值模拟及人员逃生研究

论文摘要

随着公路建设规模日益扩大,公路隧道从数量和长度上也迅速增加,特别是特长隧道和隧道群的大量出现,对运营管理及隧道火灾疏散与救援提出了更高的要求。而火灾是公路隧道运营过程中不可避免的危害性较大的灾害之一。国内外许多研究机构对隧道火灾的发展规律、温度场、烟雾浓度场研究比较多,但是对火灾时人员的逃生研究相对较少。逃生人员在公路隧道火灾时的逃生能力,与每个人的自身情况及温度和烟雾对其的损伤程度有关,所以要全面准确的研究隧道火灾时人员的逃生条件是一个非常复杂而且困难的课题。目前已有的隧道火灾时人员的逃生条件,有的仅仅是温度或CO浓度值,或是能见度的绝对值,有的考虑了温度和时间的影响,有的则考虑了烟雾浓度和时间的影响,但是都没有综合考虑温度与时间及烟雾浓度与时间的影响。文中以一实际公路隧道为研究对象,当隧道发生中型规模火灾且纵向通风风速为临界风速时,使用FDS软件对隧道内的温度场、烟气浓度场及能见度的分布进行了大量的数值模拟分析研究。得出了隧道各断面的温度、CO浓度及能见度的分布规律,火源下游的CO浓度在隧道中心线处比隧道侧壁处的低,而能见度在隧道中心线处比隧道侧壁处的高。所以人员逃生时应该沿着隧道中心线进行逃生。其次,将数值模拟结果与人员逃生相结合,以修正后的克拉尼公式和FED失能模型作为人员逃生的判别条件,综合考虑了温度与CO浓度一起作用下的人员逃生时间与忍受时间的关系,得出了在此种工况下,隧道内不同位置人员的最大安全逃生时间及隧道发生火灾1min后下游人员安全逃生的位置和有可能逃生的区域。最后提出了几项改善人员逃生的措施：制定隧道防火灾救援预案；合理控制火灾时的通风方式；利用横通道及避难室增加人员的逃生几率；缩短逃生人员所需要的安全疏散时间。本文的研究结果对制定长大公路隧道火灾时人员的逃生救援方案,提供了重要的技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 公路隧道的发展状况
• 1.1.2 火灾的研究方法
• 1.2 隧道火灾模拟国内外的研究状况
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 隧道火灾时人员逃生研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 隧道火灾模型及FDS理论基础
• 2.1 火灾模型的种类
• 2.1.1 区域模型
• 2.1.2 网络模型
• 2.1.3 场模型
• 2.1.4 火灾模型的选取
• 2.2 FDS简介
• 2.3 流体动力学模型
• 2.3.1 守恒方程
• 2.3.2 状态、质量和能量方程
• 2.3.3 动量方程
• 2.3.4 大涡模拟（LES）
• 2.4 燃烧模型
• 2.4.1 混合物组分燃烧模型
• 2.4.2 混合物组分模型的强化
• 2.5 热辐射模型
• 2.6 数值算法
• 2.6.1 简化的等式
• 2.6.2 时间离散
• 2.6.3 空间离散
• 2.6.4 大涡模拟和直接数字模拟
• 2.7 本章小结
• 第三章 公路隧道火灾场模型的建立
• 3.1 模型说明
• 3.2 火源设定
• 3.2.1 火灾规模
• 3.2.2 火灾模型
• 3.3 模拟条件
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 临界风速
• 3.3.3 模拟时间步长
• 3.3.4 网格的选择
• 3.4 本章小结
• 第四章 公路隧道火灾模拟分析
• 4.1 烟气蔓延
• 4.2 温度分布
• 4.3 CO浓度分布
• 4.4 能见度分布
• 4.5 本章小结
• 第五章 隧道火灾时人员的逃生研究
• 5.1 隧道火灾时人员逃生的判断条件
• 5.1.1 克拉尼公式
• 5.1.2 失能模型（FED窒息模型）
• 5.1.3 温度与CO浓度的相对关系
• 5.2 人员的逃生时间
• 5.3 模拟结果与分析
• 5.3.1 模拟结果
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 改善人员逃生的措施
• 5.4.1 火灾应急预案
• 5.4.2 火灾时的通风控制方式
• 5.4.3 横通道及避难室
• 5.4.4 人员安全疏散时间
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢