地下交通环廊隧道火灾烟气蔓延特性及纵向控制方法研究

摘要

地下交通环廊隧道是一种新型的城市交通隧道，可以使城市繁华区域的交通更加便利。与常规公路隧道相比，地下交通环廊隧道结构复杂，一旦发生火灾，烟气难以控制。地下交通环廊隧道主要由进出口匝道和地下主体隧道构成。进出口匝道为倾斜隧道，且坡度比一般的公路隧道大；地下主体隧道为环形隧道，气流组织比较复杂。本课题主要研究其倾斜隧道和环形隧道烟气蔓延特性及纵向控制方法。
　　由于烟囱效应的影响，倾斜隧道和水平隧道烟气流动特性差别较大。本文利用盐水实验研究了火源位置和火源功率对倾斜隧道内温度、速度等参数分布的影响。实验结果表明，火源与倾斜隧道上端出口之间的高差以及火源对流热释放功率越大，倾斜隧道内烟气层厚度越大，烟气与空气混合越均匀，烟气流量越大。本文提出了控制倾斜隧道内烟气流动机制的无量纲参数Q0△Lsinθ/B01-3H2，随着Q0△Lsinθ/B01-3H2的增大，火源下游从双向分层流动转变为混合均匀的单向流动。另外，Q0△Lsinθ/B01-3H小于约0.7时，无量纲流量Q/(B0LsinθH2)1-3与Q0△Lsinθ/B01-3H2成正比；Q0△Lsinθ/B01-3H大于0.7时，无量纲流量Q/(B0LsinθH2)1-3为定值，与Q0△Lsinθ/B01-3H2无关。
　　纵向排烟是隧道内最常用的烟气控制方法，本文分析了纵向排烟临界风速的形成机制以及实现纵向排烟临界风速所需要的动力。认为临界风速由顶棚射流的初动量和烟气层静压共同决定，提出了临界风速的理论模型。分别分析了水平隧道和倾斜隧道纵向排烟的阻力，提出了计算火源和烟囱效应阻力的理论模型。盐水实验和FDS数值模拟均表明，由于烟囱效应的影响，火灾发生在倾斜隧道不同位置时达到纵向排烟临界风速所需要的动力可能差别很大。
　　利用模型实验研究了纵向排烟方式在地下交通环廊隧道的烟气控制效果。实验结果表明，在环廊隧道采用纵向排烟时，不仅需要保证着火分支的风速大于临界风速，还需要保证与排烟路径相连的防烟分支的风速大于防烟风速。本文通过理论分析提出了防烟风速的理论模型，通过小尺寸实验证明了该理论模型的可靠性。在环廊隧道内采用纵向排烟时，可能有多种风机组合方案都能够达到设计要求。针对同一个火灾场景，比较了两种纵向排烟方案的烟气控制效果，并讨论了选择纵向排烟方案的原则。
　　地下交通环廊隧道不同分支上射流风机相互影响，增大了纵向排烟系统设计的难度。本文通过引入上游分流点和下游合流点将环状通风网络转变为枝状通风网络，根据理论分析提出了环形隧道纵向排烟系统设计的方法，给出了详细的设计步骤。为了验证该设计方法的可靠性，本文分别采用CFD模拟和场-网复合模拟研究了地下交通环廊的纵向排烟效果，并将模拟结果与设计方法的预期结果进行了对比，证明通过该设计方法确定的纵向排烟方案烟气控制效果较好。另外，本文在前人的基础上提出了环廊隧道场-网复合模拟的步骤。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究方法

1.5 章节安排

2 实验台设计及测试方法的介绍

2.1 引言

2.2 倾斜隧道盐水实验

2.2 地下交通环廊隧道模型实验

3 倾斜隧道火灾烟气自然蔓延特性

3.1 引言

3.2 实验工况的设置

3.3 倾斜隧道内g '的分布和流动机制

3.4 速度分布

3.5 Richardson数及剪切流动

3.6 隧道断面流量

3.7 本章小结

4 实现隧道纵向排烟临界风速的动力条件

4.1 引言

4.2 纵向排烟的原理

4.3 纵向排烟的动力匹配

4.4 盐水实验

4.5 数值模拟

4.6 本章小结

5 地下交通环廊隧道纵向排烟方式实验研究

5.1 引言

5.2 防烟风速理论模型

5.3 实验工况的设置

5.4 实验结果和讨论

5.5 本章小结

6 环形隧道纵向排烟系统设计方法研究

6.1 引言

6.2 典型火灾场景及相应排烟路径

6.3 环状通风网络向枝状通风网络的转变

6.4 环形隧道纵向排烟系统设计方法

6.5 环形隧道纵向排烟效果的CFD模拟研究

6.6 环形隧道纵向排烟场-网复合模拟研究

6.7 本章小结

7 结论、创新点与研究展望

7.1 本文结论

7.2 本文创新点

7.3 对未来工作的展望

致谢

参考文献

附录 在读期间发表的学术论文及获得的奖励