长大公路隧道火灾烟气数值模拟及逃生研究

论文摘要

火灾是公路隧道运营过程中危害性较大的不可避免的灾害之一。二十多年来国内外许多学者对隧道火灾的发展规律、隧道内的温度场、风流场、烟雾场研究较多,但对火灾过程隧道内人员逃生研究相对较少。人员在公路隧道火灾时的逃生能力,是和每个人的年龄大小、身体状况、心理素质、逃生知识以及烟雾和温度对其损伤的累积程度有关,要全面准确地研究隧道火灾时的人员逃生条件是一个非常困难和复杂的事情。目前已有的隧道火灾逃生条件,有的仅是具体的温度或者CO浓度,或者是能见度的绝对值,有的虽然考虑了温度和时间的影响,但没有考虑烟雾浓度的影响。本文在已有试验研究的基础上,将公路隧道火灾时的烟雾对人的毒害转化为CO的浓度累积,通过对传统的FED失能模型进行修改,首次给出了在公路隧道中发生火灾时考虑烟雾毒性的人员逃生判别公式。其次,采用有限元数值模拟方法,详细地研究了不同隧道环境风速、不同火灾规模、不同火源位置以及射流风机、横通道、斜竖井开启时的压力分布、流场分布以及烟气浓度场分布,得出了火灾时隧道内不同区域烟气浓度的传播分布规律。最后,在数值模拟研究的基础上,以本文提出的修正FED失能模行为判别条件,得出了在不同隧道环境和火灾规模时,隧道纵向风速与火灾上游安全救援的关系、隧道内不同位置人员的最大安全逃生时间、火灾1min后下游人员安全逃生的位置和有可能逃生的区域。本文的研究结果对制定长大公路隧道火灾时的人员逃生救援预案,提供了重要的技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 公路隧道的火灾
• 1.1.2 公路隧道火灾的特点
• 1.1.3 隧道火灾的危害
• 1.2 国内外隧道火灾研究现状
• 1.2.1 国内外隧道火灾的物理试验研究
• 1.2.2 国内外隧道火灾的数值模拟研究
• 1.3 隧道火灾模拟与人员逃生研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 隧道通风的理论基础及火灾数值模拟方法
• 2.1 隧道通风中的假定
• 2.1.1 流体为连续介质
• 2.1.2 流体是不可压缩的
• 2.1.3 流体为稳定流
• 2.1.4 流体遵循能量守恒定律
• 2.2 流体动力学控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.2.4 组分质量守恒方程
• 2.2.5 控制方程的通用形式
• 2.3 三维湍流模型及其在CFD 中的应用
• 2.3.1 三维湍流数值模拟方法的分类
• 2.3.2 标准k-ε模型及其适用性
• 2.4 求解条件
• 2.5 隧道火灾模拟的数值模拟方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 隧道火灾时的人员逃生判断条件研究
• 3.1 隧道火灾人员逃生条件研究
• 3.2 火灾时有害气体释放量及毒性评价模型
• 3.2.1 火灾烟气释放量
• 3.2.2 有害气体毒性指标
• 3.2.3 火灾烟气毒性评价模型
• 3.2.4 FED 窒息模型
• 3.2.5 FED 窒息模型（失能模型）
• 3.3 隧道火灾时的人员逃生判断条件
• 3.4 本章小结
• 第四章 雁门关公路隧道火灾的三维数值模拟
• 4.1 雁门关公路隧道的简介
• 4.2 计算模型的建立
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 火灾规模
• 4.3 模拟结果与分析
• 4.3.1 二辆或三辆大卡车燃烧（热释放率为30MW）
• 4.3.2 一辆大卡车着火（热释放率为10MW）
• 4.3.3 一辆小轿车燃烧（热释放率为5MW）
• 4.4 本章小结
• 第五章 射流风机对火灾烟气发展影响的数值模拟
• 5.1 隧道模型的建立
• 5.1.1 计算模型的建立
• 5.1.2 模拟工况
• 5.2 模拟结果与分析
• 1=100，L₃=200）'>5.2.1 一组风机开启，火源位于风机下游（L₁=100，L₃=200）
• 1=300，L₃=200）'>5.2.2 一组风机开启，火源位于风机上游（L₁=300，L₃=200）
• 1=100，L₂=250，L₃=300）'>5.2.3 两组风机开启，火源位于风机下游（L₁=100，L₂=250，L₃=300）
• 1=100，L₂=250，L₃=175）'>5.2.4 两组风机开启，火源位于两组风机之间（L₁=100，L₂=250，L₃=175）
• 1=300，L₂=450，L₃=200）'>5.2.5 两组风机开启，火源位于两组风机上游（L₁=300，L₂=450，L₃=200）
• 5.3 本章小结
• 第六章 通道及斜竖井对火灾烟气发展影响的数值模拟
• 6.1 隧道模型的建立
• 6.1.1 几何模型的建立
• 6.1.2 模拟工况
• 6.2 模拟结果与分析
• 6.2.1 打开一个人行横通道，火源位于通道上游50 米
• 6.2.2 打开一个车行横通道，火源位于通道上游50 米处
• 6.2.3 打开竖井送风，火源位于竖井下游100 米
• 6.2.4 斜竖井联合通风，火源位于斜井下游，竖井上游
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论及建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 下一步研究的设想
• 参考文献
• 致谢