一种板-竖井耦合排烟方法及其影响机制研究

摘要

为满足社会经济发展对交通运力提升的迫切需求，以及缓解日益严峻的日常交通压力，越来越多的公路隧道不断涌现并被投入使用。由于隧道的狭长结构特点，一旦发生火灾，高温有毒有害烟气会沿着顶棚向隧道两端蔓延。火灾产生的烟气若无法及时排出，烟气会在隧道顶棚积聚，导致隧道烟气浓度及烟气层厚度的增加，严重影响火灾救援及疏散逃生。因此，需要在隧道内加装一定的防排烟系统。公路隧道常用的防排烟系统主要有两种，一种是采用轴流风机进行送风的机械排烟系统，一种是采用项部开口或垂直竖井的自然排烟系统。机械排烟系统由于安装及维护成本高，且启动后会造成火源下风向烟气层紊乱，加重火源下风向的受灾群众救援逃生难度等问题广受诟病。因此，排烟性能稳定、建造成本低且不需要后续维护的自然排烟竖井受到了国内外学者的广泛关注。然而，竖井型自然排烟系统也有其劣势，排烟过程中伴随出现的吸穿现象和边界层分离现象，导致竖井型自然排烟系统性能较低，严重抑制了竖井型自然排烟系统的发展。因此，发展可提高传统竖井排烟性能的新型竖井排烟方法、揭示其影响机制并提出推荐设计方法，无疑具有较高的科学意义和实用价值。基于此，本文提出了一种板-竖井耦合的自然排烟方法(Board-coupled shaft，BCS)，研究揭示了火源功率、通风条件、薄板尺寸、薄板安装位置及火源位置等对其排烟性能的影响机制，并给出了相应的推荐设计参数。开展的主要研究工作包括:
　　一、搭建了1∶15缩尺度隧道模拟实验台，并在此试验台上开展了火灾烟气在隧道顶棚蔓延特性的研究。通过文献调研，前人在研究顶棚烟气运动特性时采用的燃料种类繁杂，但前人并未考虑燃料燃烧特性对烟气运动特性的影响。此外，在之前的实验分析及模型建立中均采用顶棚高度作为特征高度，未考虑到隧道等受限空间与非受限空间因结构差异导致的排烟补风模式上的差异。本文通过缩尺度隧道模型试验，研究了燃料种类对隧道顶棚烟气温度和速度分布的影响。研究结果表明:隧道顶棚烟气温度分布受燃料种类影响较小，而隧道顶棚烟气速度分布受燃料种类影响较大。最后，基于前人研究基础，建立了基于甲醇火和柴油火的无量纲顶棚烟气速度预测模型。
　　二、开展了Fire Dynamic Simulator(FDS)全尺度隧道数值模拟实验，研究了传统竖井的排烟模式和排烟特性。通过改变火源热释放速率及纵向风风速，研究了火源热释放速率及纵向风对传统竖井排烟性能的影响。结果表明:随着火源功率的增加，传统竖井排烟性能得到提升，但排烟效率几乎不变;此外，当隧道内有纵向通风时，竖井吸穿现象会得到抑制，但同时边界层分离现象也会得到强化。随着纵向风风速的增加，传统竖井排烟能力整体呈现下降趋势;但当纵向风速较小时，纵向风有助于传统竖井排烟。
　　三、开展了FDS全尺度隧道数值模拟，研究了BCS的排烟模式和排烟特性。针对传统竖井排烟过程中影响其排烟性能的吸穿现象和边界层分离现象，本文通过在竖井下方一定距离处安装一块大小适宜的薄板，抑制或消除了吸穿现象对竖井排烟的影响，提高了竖井排烟性能。此外，本文研究了火源功率和隧道纵向风风速对BCS排烟性能及竖井内部流场分布情况的影响，模拟结果验证了BCS的可行性和优越性。此外，研究发现，BCS排烟性能随着火源功率的增大而提升，且薄板位置(hD)对BCS排烟性能影响较大。在本文测试的工况中，当hD=0.45m时，BCS排出CO的量约为传统竖井的1.55-1.61倍。除此之外，当隧道内有纵向风时，BCS排烟能力随着纵向风增加而减小。
　　四、通过开展缩尺度隧道模型实验研究了薄板尺寸，薄板安装高度以及火源与竖井相对位置对BCS排烟的影响。并在激光片光的辅助下，采集了不同条件下传统竖井和BCS排烟时竖井及隧道内部的流场图像。通过对实验结果的分析，揭示了薄板尺寸以及薄板安装位置对BCS排烟性能的影响。此外，基于相关理论分析，得出了BCS排烟机理及模式。研究结果表明:BCS排烟过程受烟囱效应和堵塞效应共同控制，因此在使用BCS时，需要对薄板尺寸、厚度及安装位置进行谨慎选择。此外，研究结果表明:随着火源与竖井之间的距离增大，BCS的排烟性能逐渐降低。因此，在对BCS进行设计安装时需考虑两相邻竖井的有效距离。最后，基于相关假设与分析，建立了一般条件下预测竖井无量纲体积流量的解析模型。基于相关实验数据，构建了预测特定隧道BCS排烟的经验模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 隧道火灾成因

1．1．2 隧道火灾特点

1．2 研究现状

1．2．1 顶棚烟气最高温度及其纵向分布

1．2．2 顶棚下方速度及其分布

1．2．3 临界风速度及逆流长度

1．2．4 隧道通风排烟方法

1．3 本文的研究内容

1．4 本文的章节安排

参考文献

第2章 实验装置及研究方法

2．1 引言

2．2 缩尺度模拟实验

2．2．1 Froude相似准则

2．2．2 实验台构建

2．2．3 实验仪器及相关设备

2．3 数值模拟实验

2．3．1 数值模拟模型

2．3．2 FDS数值模拟

2．3．3 FDS网格选取

2．4 本章小结

参考文献

第3章 燃料种类对狭长隧道烟气输运的影响

3．1 引言

3．2 理论分析

3．2．1 物理模型的构建

3．2．2 理论介绍

3．3 实验设置

3．4 结果与讨论

3．5 本章小结

参考文献

第4章 火源功率及隧道纵向风对传统竖井排烟特性的影响

4．1 引言

4．2 理论介绍

4．3 数值模拟

4．3．1 模型设置

4．3．2 网格选取

4．3．3 网格敏感性分析

4．3．4 模拟实验工况

4．4 火源功率对传统竖井排烟特性的影响

4．4．1 温度场和速度场分布图

4．4．2 竖井排出烟气中的空气比率

4．4．3 火源功率对传统竖井排烟性能的影响

4．5 纵向风对传统竖井排烟特性的影响

4．5．1 温度场和速度场分布图

4．5．2 竖井排出烟气中的空气比率

4．5．3 纵向风对传统竖井排烟能力的影响

4．6 本章小结

参考文献

第5章 火源功率及隧道纵向风对BCS排烟特性的影响

5．1 引言

5．2 理论分析

5．3 数值模拟

5．3．1 模型设置

5．3．2 网格选取

5．3．3 缩尺度实验验证

5．3．4 模拟实验工况

5．4 火源功率对BCS排烟特性的影响

5．4．1 温度场和流场分布图

5．4．2 竖井排出烟气中的空气比率

5．4．3 BCS与传统竖井排烟能力的对比

5．5 隧道纵向风对BCS排烟特性的影响

5．5．1 温度场和流场分布图

5．5．2 竖井排出烟气中的空气比率

5．5．3 BCS与传统竖井排烟能力的对比

5．6 本章小结

参考文献

第6章 薄板尺寸及安装位置对BCS排烟特性的影响

6．1 引言

6．2 理论分析

6．3 薄板尺寸对BCS排烟特性的影响

6．3．1 实验设置

6．3．2 传统竖井与BCS排烟性能对比

6．3．3 薄板位置及薄板尺寸对BCS排烟特性的影响

6．3．4 竖井排烟体积流率预测模型

6．4 本章小结

参考文献

第7章 火源位置对BCS排烟特性的影响

7．1 引言

7．2 理论分析

7．3 纵向相对位置对BCS排烟特性的影响

7．3．1 实验设置

7．3．2 火源位置对竖井下方流场的影响

7．3．3 火源位置对BCS排烟的影响

7．3．4 竖井排烟体积流率预测

7．4 本章小结

参考文献

第8章 结论

8．1 本文主要结论

8．2 本文的创新点

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他成果