隧道近火源烟气热参数理论研究与数值模拟

摘要

近年来，集中排烟模式因兼顾纵向通风、局部排烟等诸多优点，在隧道建设中得到广泛应用。究其物理本质，其火羽流的发展过程可抽象为上游垂直风流与排风诱导斜向风流耦合作用下的受限扩散问题。本文以此为研究重点，对隧道内近火源烟气热参数进行深入研究，为隧道火灾安全设计提供理论依据和技术参考。
　　在分析送风和排烟耦合作用的基础上，提出等效风速的概念。建立火源热烟羽理论模型和等效风速作用下热烟羽偏转模型，预测烟气温度、密度、羽流速度、羽流半径、羽流轨迹及偏移距离等近火源烟气热参数，进而得到火羽流发展过程详尽的参数描述。结合某长大隧道工程实例，以顶板下方烟气最大温升及烟气羽流纵向偏移距离为例，对近火源烟气热参数进行理论分析。将理论分析结果与已有火灾实验结果对比，发现两者具有较好的一致性，证明理论模型是可靠的。进一步回归整理得到顶板下方烟气最大温升、偏移距离的无量纲准则关联式。
　　结合集中排烟隧道系统设计，针对天然气火灾，借助CFD模拟预测15种工况横流作用下火羽流轴线偏移轨迹、火焰结构分区、顶板下方烟气最大温升等火羽流状态参数。结果表明模拟火焰与自由火焰结构分区规律类似，但自由火焰分区转折点与火灾强度无关，而模拟火焰分区转折点随火灾强度增大不断减小。将模拟结果与已有火灾实验结果对比分析，进一步完成了模拟结果验证。对火羽流3个分区轴线温升进行了风速修正，回归整理得到轴线温升及顶板下方烟气最大温升的无量纲准则关联式。
　　最后，对下一步研究工作的方向和内容进行了简要讨论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 隧道火灾危害

1．1．2 隧道通风模式发展历程

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 实验研究

1．2．2 数值模拟研究

1．2．3 理论分析

1．3 本文主要研究内容及方法

1．3．1 等效风速作用下热烟羽偏转特性

1．3．2 受限火焰结构分区特性

第2章 近火源烟气热参数理论分析

2．1 等效风速

2．2 理论模型的建立

2．2．1 静止开放环境羽流模型分析

2．2．2 静止受限环境羽流模型分析

2．2．3 火源热烟羽理论模型

2．2．4 等效风速作用下热烟羽偏转模型

2．3 实例分析

2．3．1 火源热烟羽参数的确定

2．3．2 近火源烟气热参数的求解

2．3．3 顶板下方烟气最大温升

2．3．4 偏移距离

2．3．5 无量纲准则关联式的确定

2．4 本章小结

第3章 隧道火灾数值模拟理论基础

3．1 数学模型的建立

3．2 湍流模型对比分析

3．2．1 涡黏模型

3．2．2 Reynolds应力模型

3．3 燃烧模型对比分析

3．3．1 层流有限速率模型

3．3．2 涡耗散模型

3．3．3 涡耗散概念模型

3．3．4 假定概率密度函数模型

3．4 辐射模型对比分析

3．5 本章小结

第4章 火源局部热参数CFD模拟研究

4．1 物理模型的确定

4．1．1 计算模型

4．1．2 火源设置

4．1．3 网格绘制

4．2 边界条件的确定

4．3 火源处理

4．4 模拟工况分类

4．5 火焰结构分区

4．5．1 横流作用下火羽流轴线

4．5．2 火焰分区

4．6 顶板下方烟气最大温升

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文的创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况