水电站地下主变洞火灾烟气流动及机械排烟模式研究

摘要

目前我国水电资源开发建设进入了快速发展的时期,水电站地下洞室及主要作业场所的火灾安全问题也就显得尤为重要。主变洞属于水电站地下洞室群中火灾危险性较高的区域,因此,研究主变洞火灾的烟气流动特性及其烟气控制模式具有重要意义。
　　火灾烟气流动是一种复杂的浮力驱动流,由于水电站地下主变洞的特殊性,其烟气流动相比于一般建筑火灾的烟气流动更为特殊。本文通过FDS数值模拟、1:12比例模型试验和1:50比例模型的2DPIV激光粒子试验的方法,对水电站地下主变室发生火灾时主变室内的机械排烟效果、着火主变室溢出烟气在搬运道内的烟气蔓延特性和搬运道内溢流烟气控制、以及主变室和搬运道烟羽流区的流动特征等进行了研究。论文的主要工作包括:
　　(1)采用1:12模型试验和FDS数值模拟相结合的方法,对水电站地下主变室火灾时主变室的机械排烟效率进行了研究。讨论了主变室内烟气层高度的变化、烟气温度的分布、补风口位置对排烟效率的影响以及主变室内CO浓度的变化。结果表明主变室内烟气层平均温度随火源强度的增大而升高。补风口位置对于机械排烟效率的影响较小,为了不影响主变室防火卷帘的安装,补风口宜设置在主变室上部。机械排烟量越大,CO浓度降低越快。在火灾发生后40min左右工作人员即可进入主变室进行火灾后的维修工作。
　　(2)火灾发生在主变室内,存在有一个烟气溢流过程,且属于墙壁附着溢流。探讨了极限情况——无排烟工况下(机械排烟故障工况)水电站地下主变室火灾产生的溢流烟气在搬运道内的蔓延情况以及不同火源强度下搬运道内溢流烟气的流动特点,结果表明搬运道内溢流烟气温度衰减呈现指数分布。
　　(3)研究了不同机械排烟量下主变室火灾产生的溢流烟气在搬运道内的排烟过程。结果表明按照《水力发电厂厂房采暖通风与空气调节设计规程》(修编稿)中规定的机械排烟量进行搬运道机械排烟时,搬运道内的机械排烟系统可以将主变室溢出的烟气控制在一定的高度,且从搬运道内烟气温度、可见度等方面,都满足人员安全逃生的要求,为水电站地下洞室机械排烟的设计及规范的修订提供了理论依据。
　　(4)为进一步观察封闭空间的烟羽流流动特性,建立了水电站地下主变洞1:50可视化模型,采用2DPIV技术对主变洞火灾的烟气流动以及机械排烟进行了可视化研究。结果表明主变室属于典型受限空间,环境空气会受到浮力羽流的卷吸作用,从而形成大空间尺度的环流。不同的补风口位置对主变室内烟气流动的整场速度分布影响较小。而搬运道内排烟口和补风口处的烟气速度明显大于其他位置,在搬运道入口上方形成明显的漩涡,有利于火灾时人员的逃生。

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目录

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 本课题研究方法及主要内容

参考文献

2 研究方法

2.1 相似比例模型试验

2.2 计算流体力学（CFD）模拟

2.3 粒子图像测速技术（PIV）

参考文献

3 模型试验设计与数据处理方法

3.1 引言

3.2 水电站地下主变洞试验模型设计

3.3 测量设备与数据处理方法

3.4 小结

参考文献

4 水电站地下主变洞火灾数值模拟

4.1 引言

4.2 FDS数值模型的建立

4.3 FDS模拟参数设置

4.4 FDS数值模拟的验证

4.5 小结

参考文献

5 水电站地下主变室机械排烟效果的研究

5.1 引言

5.2 1:12 模型试验

5.3 FDS数值模拟

5.4 结果与讨论

5.5 小结

参考文献

6 主变室火灾时溢流烟气在搬运道内自然填充过程的研究

6.1 引言

6.2 溢流烟气在搬运道内蔓延的数学模型

6.3 1:12模型试验

6.4 FDS大涡模拟

6.5 结果对比与分析

6.6 小结

参考文献

7 搬运道烟气控制研究

7.1 引言

7.2 主变室火灾时搬运道内机械排烟量计算模型

7.3 1:12 模型试验

7.4 模型试验结果的验证

7.5 正交试验

7.6 FDS数值模拟

7.7 结果讨论与分析

7.8 小结

参考文献

8 水电站地下主变洞火灾烟气流动与机械排烟的2DPIV试验研究

8.1 引言

8.2 2DPIV试验模型及测试系统

8.3 2DPIV试验

8.4 结果与分析

8.5 小结

参考文献

9 结论与展望

9.1 本文结论

9.2 今后工作的展望

致谢

攻读博士学位期间完成的论文