公路隧道火灾烟流蔓延规律的实验与三维动态数值模拟研究

摘要

近年来，公路隧道火灾事故发生频率逐年上升，造成了巨大的社会负面影响。基于隧道在火灾安全体系研究方面的迫切需要，就隧道火灾问题进行相关应用基础研究，对预防和扑救隧道火灾、减少火灾损失、保障人员生命安全、保证隧道的安全运营、从而为隧道提供安全舒适的运营环境意义重大，并成为火灾研究人员越来越关心的课题。
　　 小尺寸模拟实验是火灾研究的一种重要手段。本文以相似理论为依据，结合成都天府隧道实例和实验经费等条件，设计并制作出可模拟多工况火灾场景、且坡度可调的小尺寸隧道火灾风洞实验装置。模型隧道的横截面为0．5m×0．9m，长10m，隧道内的风速可在0～5m/s范围内调节。采用该风洞装置，开展了一系列小尺寸火灾模型实验，测量了不同通风风速、不同火灾规模、着火小车静止或运动、不同火源位置、不同隧道坡度等多种火灾场景下，隧道火灾烟气温度场和烟气扩散的热物理特性，为隧道火灾研究积累了宝贵的实验数据。
　　 采用计算流体力学（CFD）的方法对隧道火灾进行数值模拟研究成为国内外近几年的研究热点。鉴于普通CFD软件不能对火灾进行3维动态数值模拟，本文采用火灾动力学专门模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator），建立尽可能接近真实情况的数学物理模型并编写出多种工况下的计算程序，模拟得到了火灾下烟气在隧道内的流动及蔓延的3维动态过程，模拟结果与实验结果吻合较好。
　　 通过对各火灾场景的模拟，给出了顶棚设烟道、隧道有坡度以及火源移动状况下火灾发生时的烟气浓度场、温度场等的分布规律和特性，讨论了烟气的发展情况，细致地研究了不同隧道结构、各种坡度、不同火源移动速度下，隧道纵断面温度和浓度、横断面的温度和浓度以及它们随时间的变化规律，同时对影响烟气蔓延的因素进行研究，提出了一些控制火灾发展、满足火灾救援和人员疏散的有效措施。
　　 临界风速是隧道防火设计中的一个重要参量。本文对坡度隧道下临界风速的确定进行了研究，提出了新的坡度修正公式，由此公式获得的临界纵向抑制风速预测结果更接近于实际。另外，对顶棚设烟道隧道结构下的临界排风风速、移动火源下的临界纵向抑制风速作了初步研究，给出了推导此类公式的思路。本文的实验和数值模拟结果可为研究隧道火灾烟气的运动情况和制定防灾救灾预案提供一定的指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 公路隧道火灾概述

1.1.1 公路隧道的发展状况

1.1.2 公路隧道火灾发生的频率

1.1.3 公路隧道火灾的危害性

1.1.4 隧道火灾事故的原因

1.1.5 隧道火灾事故的特点

1.2 国内外公路隧道火灾的研究现状及发展动态

1.2.1 国外研究

1.2.2 国内研究

1.2.3 问题的提出

1.3 本文研究内容及方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法和技术路线

第二章 火灾过程的模拟方法及物理数学模型

2.1 火灾过程的数值模型

2.1.1 网络模拟

2.1.2 区域模拟

2.1.3 场模拟

2.2 隧道火灾物理数学模型

2.2.1 基本控制微分方程组

2.2.2 湍流模型

2.2.3 湍流燃烧模型

2.2.4 热辐射模型

2.2.5 壁面对流换热模型

2.3 初始条件和边界条件

2.3.1 初始条件

2.3.2 边界条件

2.4 FDS软件简介

2.5 本章小结

第三章 小型火灾模型实验系统的设计及实验结果分析

3.1 火灾模型实验设计

3.1.1 实验装置总体尺寸的确定

3.1.2 火灾规模的实现

3.2 实验系统介绍

3.2.1 模型主体各主要部分介绍

3.2.2 各物理量的测量

3.3 实验测量系统的布置及实验流程

3.3.1 实验测量系统的布置

3.3.2 实验流程

3.3.3 测试项目及其测试方法

3.4 模型实验结果与分析

3.4.1 固定火源无坡度隧道内拱顶下方烟气温度沿隧道的纵向分布

3.4.2 温度场的横向分布

3.4.3 坡度隧道火灾时的烟流蔓延规律

3.4.4 移动火源时的温度变化规律

3.5 本章结论

第四章 两种不同隧道结构下火灾烟气蔓延的比较分析

4.1 模拟方法与过程验证

4.2 隧道物理模型

4.2.1 常规隧道结构模型

4.2.2 顶棚设烟道的隧道结构模型

4.3 计算模型

4.3.1 几何模型的建立

4.3.2 热释放功率

4.3.3 网格划分及初始、边界条件

4.3.4 模拟场景设计

4.4 烟气浓度随时间的变化

4.5 隧道内温度场的发展规律

4.6 通风时烟流场和温度场的分布

4.6.1 普通隧道结构下的温度场的分布

4.6.2 设烟道的隧道结构下的温度场的分布

4.7 CO的浓度平均分布

4.8 多个烟道口开启时的烟气蔓延情况

4.9 本章小结

第五章 坡度隧道内烟气蔓延的数值分析

5.1 理论分析

5.1.1 火风压的定义及特性

5.1.2 浮力效应或阻力效应

5.1.3 坡度隧道火灾临界风速的计算公式

5.1.4 火灾烟气逆流层的性态

5.2 模型的建立

5.2.1 几何模型

5.2.2 模拟研究的边界条件和坡度的控制

5.2.3 假设条件

5.3 坡度隧道火灾下烟气蔓延分析

5.3.1 坡度变化对火灾烟气逆流长度的影响

5.3.2 稳态时隧道内烟流浓度纵向分布

5.4 坡度隧道下的温度分布

5.4.1 坡度变化对温度纵向分布的影响

5.4.2 火源点两侧对称横截面的温度分布比较

5.5 烟气在隧道内的向量流动分析图

5.6 坡度隧道下的临界风速

5.7 本章小结

第六章 移动火源下隧道内烟气蔓延的数值分析

6.1 模型的建立

6.1.1 几何模型

6.1.2 网格划分和边界条件

6.1.3 火源移动的实现

6.1.4 模拟工况

6.2 无通风时隧道内温度场的发展规律

6.2.1 隧道纵断面温度随火源移动速度的变化规律

6.2.2 隧道水平断面温度随火源移动速度的变化规律

6.2.3 隧道横断面温度分布规律

6.3 同一火源移动速度下不同断面的温度分布规律

6.3.1 不同纵断面处温度分布比较

6.3.2 不同水平断面高度处的温度分布

6.4 烟气浓度随时间的变化

6.5 不同通风风速时隧道内温度场的纵向蔓延

6.6 移动火源下的临界纵向抑制风速

6.7 本章小结

总结与展望

1.全文总结及结论

2.创新成果

3.研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢