设排烟道隧道的火灾烟气流动特性研究

摘要

公路隧道是公路交通工程的主要组成部分。随着交通行业的快速发展，国内外建成了越来越多的公路隧道。隧道在给人们带来交通便利的同时，也伴随着许多新问题的产生，尤其是隧道火灾，尽管是一种小概率事件，如果发生，则通常会造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。一方面，火灾会损毁隧道内的附属设施，产生的高温会破坏隧道内衬结构、影响隧道的稳定性；同时，火灾产生的大量有毒烟气，会导致隧道内的人员窒息伤亡。为此，人们对于隧道火灾防治备受关注。本文选择隧道火灾的烟气流动特性及控制进行研究，对隧道安全运营管理具有一定的理论意义和实用价值。
　　本文在总结国内外隧道火灾已有的相关研究成果基础上，通过理论分析和数值模拟计算的方法，以半横向排烟方式的隧道为研究对象，探讨了不同排烟速率和不同纵向通风速度时的火灾烟气流动特性等。主要的研究内容和取得的研究成果有：
　　①总结了国内外关于隧道火灾已有的研究成果，包括隧道火灾的研究方法及研究手段等。在此基础上，分析了研究半横向排烟方式隧道火灾烟气流动特性与控制措施的必要性。
　　②以国内常见公路隧道为研究对象，建立相应尺寸大小的数值计算模型，以温度作为关键控制参量，将数值模拟结果与Kurioka等人的理论预测模型进行了对比，验证了采用数值模拟研究的可靠性。
　　③研究了不同排烟速率和纵向通风速度条件下隧道拱顶的温度变化规律。模拟结果表明，最高温度随纵向通风速度增大而减小，随排烟速率增大而升高。相同排烟速率和纵向通风风速条件下，隧道纵向坡度对拱顶最高温度有一定影响。坡度为负时，拱顶最高温度高于相应的水平隧道；坡度为正时，最高温度低于相应的水平隧道。坡度的倾角越大，差异越明显，直到纵向通风风速较大时这种差异逐渐减小。半横向排烟使火灾产生的高温烟气更集中于火源与排烟口之间，导致排烟口与火源之间的部分拱顶沿程温度升高，同时降低了排烟口以外的沿程温度。
　　④采用因次分析方法，推导出了临界风速与排烟速率之间的关系。研究了不同排烟速率和纵向通风速度条件下的烟气逆流长度，获得了临界风速的预测模型。研究结果表明，烟气逆流长度受纵向通风速度和排烟速率共同影响。逆流长度随纵向送风速度的增大程指数减小，排烟速率的增大使相应的临界风速程指数减小。与常规纵向通风相比，设置排烟道时排出了火灾烟气，明显减少了隧道内的烟气量，有利于保持烟气的层化状态，因此更有利于人员的疏散救援。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 隧道火灾的国内外研究现状

1.3 论文研究目的和内容与技术路线

2 隧道通风与火灾排烟方式

2.1 隧道通风排烟概述

2.2 纵向通风方式

2.3 横向通风方式

2.4 半横向通风方式

2.5 不同通风排烟方式的对比及特点

2.6 本章小结

3 隧道火灾的数值模拟研究

3.1 火灾数值模拟概述

3.2 隧道火灾模拟几何模型的构建

3.3 模拟的初始条件

3.4 模型的网格划分

3.5 模拟计算的合理性验证

3.6 本章小结

4 隧道拱顶烟气温度分布规律研究

4.1 概述

4.2 隧道火灾模拟方案设计

4.3 模拟结果与分析

4.4 本章小结

5 隧道火灾烟气逆流长度与临界风速研究

5.1 概述

5.2 临界风速的理论模型

5.3 数值模拟方案设计

5.4 模拟结果与分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目