基于FDS的公路隧道火灾的实验及数值模拟研究

摘要

在现代社会随着经济快速发展，城市规模不断扩大，公路隧道数量和隧道长度日益增长，行车速度和车流密度不断加大，公路隧道内火灾事故发生频率以及危害程度呈现出不断升高的趋势。公路隧道火灾严重威胁人的生命和财产安全，由于公路隧道内部狭长，相对封闭的独特结构，致使火灾一旦发生，常常造成灾难性的事故。如1999年位于法国及意大利之间的勃郎峰（Mont Blanc）公路隧道火灾导致41人死亡的惨剧。因此，对隧道火灾的相关热物理机制进行研究，对隧道火灾的预防及扑救，减少火灾中的财产损失及人员伤亡，保障隧道的安全运行，都是具有非常重大的意义的。针对公路隧道火灾的应用性研究成为火灾研究人员越来越关心的课题。
　　 本论文首先对公路隧道火灾的国内外研究现状以及本文采用的研究方法和研究内容进行综述。然后针对腔室火灾中的一个特殊现象-轰燃，进行了讨论和研究。主要研究了轰燃现象的突变论基础，轰燃发生的判据，以及车辆火灾向轰燃转化条件的突变动力学分析。
　　 根据公路隧道火灾烟气湍流流动的特点，以及火灾过程中状态参数变化所遵循的基本守恒定律，以Navier-Stokes方程为基础，引入浮力修正的k-ε湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型，建立了适用于描述隧道内烟气温度分布和气流流动的计算流体动力学模型，并对计算网格进行了合理的划分。设计了一套横截面为0．5m×0．88m，长12m，隧道内的风速可在0-5m/s范围内调节的风洞实验装置，进行了隧道火灾模型实验，测得了有效的实验数据。实验测量呈现出的温度分布规律为：横截面的温度分布呈现对称性，且拱顶温度最高，拱腰、边墙次之，底部温度最低。对纵向温度分布而言，火区温度最高，随着到火源点距离的增加，温度降低，且下降的梯度逐渐减小；随着纵向通风风速的增大，火灾区附近的温度急剧下降，但火源下游沿程温度仍然很高；火源点附近某一区域，横向烟气有分层现象，但该区域以外，温度分布开始逐渐趋于均匀。采用FDS软件对模型隧道内的烟气温度场及流场进行了CFD计算及分析，模拟结果与实验结果趋势规律一致。创新性地利用FDS软件针对设置有顶棚烟道结构的隧道和常规结构的隧道在火灾时的情况进行了对比分析。结合实验测量结果与CFD数值模拟计算结果，对隧道的防火排烟设计、人员车辆的逃生策略提出了一些合理的建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 近年公路隧道的发展状况

1.1.2 公路隧道火灾的危害

1.1.3 引发公路隧道火灾的原因

1.1.4 公路隧道火灾的特殊性

1.1.5 本论文的研究意义

1.2 本课题的国内外研究现状

1.2.1 火灾轰燃

1.2.2 公路隧道火灾实验

1.2.3 公路隧道火灾的数值模拟

1.2.4 目前的研究方法、研究热点及存在的问题

1.3 本论文的研究内容和研究方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

第二章 火灾轰燃的非线性动力学研究

2.1 轰燃现象及其突变特征

2.2 轰燃发生的判据

2.2.1 温度

2.2.2 热流密度

2.2.3 燃烧速率

2.3 轰燃的突变理论基础

2.3.1 突变理论简介

2.3.2 初等突变理论的研究对象

2.3.3 突变的类型

2.4 车辆火灾向轰燃转变条件的突变动力学分析

2.4.1 轰燃预测的经典方法

2.4.2 燕尾突变的特征

2.4.3 轰燃势函数的建立

2.4.4 轰燃条件讨论

2.5 本章小结

第三章 隧道火灾烟流场的控制方程与湍流模型

3.1 控制方程

3.1.1 质量守恒方程

3.1.2 动量方程

3.1.3 能量守恒方程

3.1.4 化学组分传输方程

3.1.5 湍流方程

3.2 通用湍流流动模型

3.3 湍流燃烧模型

3.3.1 VHS模型

3.3.2 PrePDF模型

3.4 辐射换热模型

3.5 初始条件和边界条件

3.5.1 初始条件

3.5.2 边界条件

3.6 本章小节

第四章 火灾模型求解的数值方法

4.1 传热与流体流动问题的数值方法

4.1.1 有限差分法

4.1.2 有限元法

4.1.3 有限体积法

4.2 湍流流场的数值模拟方法

4.2.1 直接模拟

4.2.2 大涡模拟

4.2.3 Reynolds时均法模拟

4.3 数值计算的主要过程

4.4 控制方程组的离散

4.5 网格类型和质量

4.5.1 结构化网格

4.5.2 非结构化网格

4.5.3 结构/非结构混合网格

4.5.4 网格质量

4.6 本章小结

第五章 隧道火灾模型实验装置设计与实验概况

5.1 实验研究思路与方法的选择

5.2 火灾模型实验的相似理论基础

5.2.1 火灾烟气流动相似准则

5.2.2 模型与原型相似关系式

5.3 模型实验系统

5.3.1 模型实验装置的要求

5.3.2 试验模型的原型与设计原则

5.3.3 试验模型的总体结构

5.3.4 模型主体各主要部分简介

5.3.5 物理量的测量

5.4 隧道模型试验设置

5.4.1 试验测量系统的布置

5.4.2 纵向风速

5.4.3 试验火灾规模

5.5 试验内容与方法

5.5.1 试验的隧道火灾场景

5.5.2 试验的步骤及注意事项

5.6 本章小节

第六章 火灾模型实验结果与分析

6.1 实验目的与实验内容

6.2 隧道内温度场的分布规律

6.2.1 火源点及其下风方向最高温度的变化规律

6.2.2 温度随时间的变化规律

6.2.3 拱顶下方烟气温度沿隧道的纵向分布

6.2.4 隧道内温度场的横向分布

6.3 本章小结

第七章 隧道内烟气流动的分析与CFD模拟

7.1 烟气流动的理论分析

7.1.1 逆流现象的机理

7.1.2 临界纵向抑制风速问题

7.2 FDS软件介绍

7.2.1 FDS软件的理论基础

7.2.2 FDS软件对火灾过程的描述及处理

7.3 数值模拟的理论模型

7.3.1 基本控制方程式

7.3.2 初始条件

7.3.3 边界条件

7.3.4 数值计算方法

7.4 数值模拟结果与分析

7.4.1 温度场沿隧道的纵向分布

7.4.2 温度场的横向分布

7.4.3 顶棚烟道作用的数值模拟分析

7.4.4 临界纵向抑制风速的模拟

7.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢