互换式通风公路隧道火灾烟气浓度场的数值模拟和试验研究

摘要

近年来，随着我国高速公路建设规模的日益扩大，互换式通风公路隧道的数量也有了快速的增长。但是公路隧道一旦发生火灾，将造成严重的人员伤亡和财产损失。而在隧道火灾中，影响人员逃生的最大因素就是烟气，因此了解和掌握隧道火灾时烟气的分布和变化规律对于制定合理的火灾防灾预案和进行有效的人员疏散救援具有重要的意义。
　　本文首先针对公路隧道火灾数值模拟的基本理论分析了带有浮力修正的k-ε湍流双方程模型以及SIMPLE算法的具体步骤;对模型试验的基本原理进行了研究，根据隧道火灾所必需满足的相似准则数推导出模型和原型之间主要物理量的相似关系。
　　然后以厦门莲花隧道为对象，采用FLUENT软件，进行了公路隧道火灾的三维稳态和瞬态数值模拟，分析研究了不同火灾规模的临界风速值;20MW火灾规模时，不同通风风速下隧道不同测点处的烟气浓度的纵向分布规律以及火源下游不同横截面上烟气浓度的横向分布规律、烟气流动蔓延规律、烟气浓度随时间的变化规律、横通道对烟气分布的影响。
　　接着以莲花隧道为对象进行了隧道火灾试验，对临界风速值和烟气浓度的变化规律进行了模型试验，并与数值模拟结果进行了对比，结果表明数值模拟中得出的临界风速值和烟气浓度变化规律可以应用于实际隧道火灾的研究。
　　最后介绍了隧道火灾中产生的有毒气体对人体的危害以及人员的心理反应和行为反应。并且采用模型试验中得出的数据，计算了10MW火灾规模下人员的逃生时间，给出了使人员能够安全逃生的烟气浓度值的控制范围和横通道的合理间距;介绍了隧道火灾时的通风方式和疏散救援的基本原则及工作流程。
　　本论文的研究结论可以为厦门莲花隧道火灾模式下的通风方案和疏散救援计划的制定提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国公路隧道的发展概况

1．1．2 公路隧道火灾案例

1．1．3 公路隧道火灾的特性

1．1．4 公路隧道火灾通风系统的基本形式

1．2 隧道火灾研究现状

1．2．1 研究方法

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 本课题的研究意义、主要研究方法及研究内容

1．3．1 研究意义

1．3．1 研究方法及研究内容

2 公路隧道火灾数值模拟和模型试验的基本理论

2．1 隧道火灾数值模拟的基本理论

2．1．1 隧道通风中流体研究的基本假设

2．1．2 计算流体动力学的基本理论

2．1．3 数值模拟方法

2．2 隧道火灾模型试验的基本理论

2．2．1 流体动力学相似

2．2．2 相似准则

2．3 本章小结

3 莲花隧道火灾烟气浓度场的数值模拟

3．1 莲花隧道计算模型的建立

3．1．1 几何模型

3．1．2 火源设置及网格划分

3．1．3 初始条件及边界条件

3．1．4 模拟工况

3．2 莲花隧道火灾稳态数值模拟计算

3．2．1 不同火灾规模下临界风速的确定

3．2．2 CO浓度分布规律

3．3 莲花隧道火灾瞬态数值模拟计算

3．3．1 烟气的流动蔓延规律

3．3．2 CO浓度随时间的变化规律

3．4 横通道对隧道火灾CO浓度的影响

3．4．1 模型的建立

3．4．2 边界条件的设置及模拟工况

3．4．3 烟气浓度分布规律

3．5 本章小结

4 莲花隧道火灾烟气浓度场的模型试验

4．1 模型试验系统

4．1．1 模型隧道尺寸

4．1．2 火源设置

4．1．3 试验参数的测量

4．2 模型试验结果

4．2．1 临界风速

4．2．2 烟气浓度分布规律

4．3 本章小结

5 公路隧道火灾的人员逃生和防灾救援

5．1 隧道火灾有毒烟气影响下人员的逃生

5．1．1 有毒烟气对人体的危害

5．1．2 隧道火灾时人员的心理反应和行为反应

5．1．3 基于烟气影响下人员的逃生

5．1．4 火灾时的事故通风

5．2 隧道火灾时的防灾救援

5．2．1 隧道火灾预防的基本原则

5．2．2 隧道火灾救援的工作流程

5．3 本章小结

结论和展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果