狭长隧道施工中火灾事故风险防范的数值模拟

摘要

在隧道施工过程中,工作人员长期处在一种封闭环境中工作,容易疲劳和压抑。施工过程中的空气一般靠通至施工位置的风管供应,在狭长隧道洞内空气流动较差,较容易集聚二氧化碳等气体,容易使人犯晕、疲劳,这些因素造成的操作失误或者是人员的一些违纪吸烟等行为,都可能引起火灾的发生。而在隧道施工现场,由于盾构机等设备长期运转,控制设备等的长时间散热不足,也有可能会引起火灾。对施工隧道可能的火灾进行预先研究,可以为隧道防灾设施的设置及人员的逃生等提供安全经济的科学依据,避免在施工过程中的人员和经济损失。本文以上海市青草沙原水工程输水隧道为原型,将数值仿真技术应用于的狭长隧道的施工过程,针对隧道施工中不同位置可能的火灾事故进行数值模拟,根据起火原因不同,选用不同的热释放率,研究了在不同情况下烟气和温度场分布情况,对可能的火灾事故进行预先研究,得到了狭长施工隧道中发生火灾烟气和温度的扩散规律,确定影响火灾中烟气和温度变化和蔓延的主要因素。使用超级计算机曙光5000A在Linux系统下的启动FDS程序,调用MPICH进程,利用计算机并行运算技术解决了狭长施工隧道数值模型网格数量多,运算量大的难点,将大型数值并行运算与实际工程相结合,得到了狭长隧道施工中火灾烟气和温度的规律。最后,利用计算机仿真技术,模拟了盾构机水幕喷淋,验证了盾构机水幕在火灾风险防范中的积极作用,进而分析了水幕效果的主要影响因素,同时针对原有水幕的不足,对水幕进行了优化和改进设计。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 施工隧道火灾研究的意义和方法

1.1.1 研究意义

1.1.2 研究目的

1.1.3 研究方法

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 存在的不足

1.3 本文研究主要内容

第二章 FDS 火灾模型的理论基础

2.1 火灾数值模型

2.1.1 网络模型

2.1.2 区域模型

2.1.3 场模型

2.1.4 火灾数值仿真模型的选择

2.2 FDS 和SMOKEVIEW 介绍

2.2.1 FDS

2.2.2 SMOKEVIEW

2.3 理论基础

2.3.1 流体动力学模型

2.3.2 燃烧模型

2.3.3 辐射换热

2.4 FDS 的应用及可靠性

第三章 狭长施工隧道的数值建模

3.1 隧道原型介绍

3.2 数值仿真工况选定

3.2.1 火灾的起因分析

3.2.2 数值模拟工况设定

3.3 数值模型建立

3.3.1 火源设定

3.3.2 风量的计算和设定

3.3.3 喷淋参数的计算与设定

3.3.4 测点布置与网格划分

第四章 施工隧道火灾数值仿真结果分析

4.1 掘进150M 位置火灾模拟

4.1.1 仿真模型

4.1.2 热释放率8MW 仿真

4.1.3 热释放率40MW 仿真

4.2 掘进2000M 位置火灾模拟

4.2.1 仿真模型

4.2.2 热释放率40MW 仿真

4.2.3 热释放率8MW 仿真

4.3 配电箱失火模拟

4.3.1 仿真模型

4.3.2 配电箱失火分析

4.3.3 配电箱失火仿真

4.3.4 结果分析

4.4 掘进7000M 位置火灾模拟

4.5 本章小结

第五章 施工隧道水幕改进设计研究

5.1 数值模型与参数设置

5.2 水幕的设计

5.2.1 水幕系统的改进

5.2.2 水幕参数的选择

5.2.3 参数对阻烟效果的影响

5.2.4 新水幕设计

5.3 新旧水幕阻烟效果比较

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 关键技术研究

6.2 主要创新点

6.3 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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