狭长通道火灾烟气热分层及运动机制研究

摘要

狭长通道对于现代社会的发展必不可少，如大型建筑的房间走廊、公路或者铁路隧道、矿山井巷、城市地下轨道交通等。然而，在该类狭长通道一旦发生火灾，造成的破坏往往非常严重，特别是运输繁忙的公铁路隧道，火灾易造成群死群伤，社会影响大。根据国内外狭长通道火灾事故案例可知，在狭长通道火灾中致死致伤的主要因素是有毒有害的火灾烟气，因而狭长通道火灾防控主要在于火灾烟气的防控。可燃物的种类、火源功率、通风排烟、火源位置等都能对火灾烟气产生量及烟气热分层的稳定性产生影响，这些因素的存在增加了狭长通道火灾防控的难度，而烟气热分层的稳定性对于通道火灾烟气防控、人员疏散具有重要影响。人们对于烟气热分层展开了较多的研究，但主要集中于火源远场的研究，对火源近场缺乏研究。特别的是，当通道火灾由初始阶段发展到轰燃阶段时，由轰燃导致的空气压缩波在狭长通道的来回往复运动的存在可以导致火灾烟气的脉动，这对于烟气的防控提出了更高的要求。因此，本研究选择狭长通道火灾烟气运动作为研究对象，利用自己搭建的小尺寸狭长通道实验台，研究了火源功率、纵向风对烟气热分层的稳定性影响规律，同时通过理论分析和数值实验对狭长通道火灾烟气的脉动及迁移特性进行了研究。
　　 狭长通道火灾烟气的热分层的实验研究发现：(1)近火源区的火灾烟气热分层的层化强度及层化曲线可以很好地描述火灾热流场特性，是研究火灾热流场的有力工具。如在不同纵向风速转换前后的条件下，由低风速（低档位）向高风速（高档位）转换，层化强度先减小后趋于较为稳定，即形成热分层较弱的冷热层，由高风速（高档位）向低风速（低档位）转换，层化强度一度先增加后再趋于较为稳定；(2)不同火源功率对狭长通道火灾流场稳定区竖向热分层的层化强度有影响，但对层化强度极值影响较小，而纵向风速对热分层影响明显；(3)影响火灾热释放速率曲线的两个关键参考因素是：最大热释放速率和总能，其比值对于火源功率曲线平台期的出现具有重要影响，比值越大出现平台期的可能性越小，反之亦然。对于无纵向通风，即自然排烟状态下，火源功率对烟气热分层有一定的微弱影响，并存在一个最佳火源功率值，使得热分层最稳定，层化强度最大。
　　 针对狭长通道火灾烟气的热振荡特性展开理论和数值实验研究。对于大功率隧道火灾，火灾轰然所产生的压缩扰动波对隧道这样狭长通道流场影响明显。通过对狭长通道火灾流场的一维近似处理，推导出本征振荡值并对Runehamar遂道实验结果进行理论分析，发现其分别为4s、18s的两次实验脉动周期与理论值较为吻合并给出可能的误差原因分析。通过三维通道数值实验，明确扰动压缩波在长为300m通道内的传播过程，发现非对称周期约为1.7s，非常接近理论值1.76s；就其对通道火灾热分层的影响，火焰高温区的厚度随着压力波而呈现非对称性周期变化；对车辆进入通道形成的压缩扰动波对临近火源点的竖向烟气热分层影响进行研究，发现车辆形成的扰动波要强于火灾轰燃形成的经过多次反射分解的压力波，车辆扰动压缩波对热分层影响明显，存在热分层受到“挤压”的现象。
　　 借助于数值试验，对实际的一端封闭式狭长通道进行研究。针对隧道施工过程中发生火灾，为了保证现场施工人员的安全疏散，首先提出人员安全疏散的临界判据；然后根据实际的工程条件，设置相关参数及边界条件，建立物理模型，利用数值模拟软件FDS对施工隧道的火灾烟气迁移特性及规律进行研究，发现：(1)一端封闭的水平狭长通道，在只考虑纵向温度分布的情况下，通道中温度场分布呈现一定的规律：各监测点温度起变点的滞后性以及温升变化波动性等，这些与通道内风管风流搅动效应及冷却作用等具体参数及环境条件有关；各个监测点到达临界温度的温升速率是不相同的，温升速率变化与距火源距离呈现指数衰减的关系；临界温度与临界视距在各监测点测得到达的时间呈现出一定的规律性：在长为300m水平通道中，大约在距封闭端前120m，临界温度要早于临界视距出现，而此后，临界视距要早于临界温度的到来；(2)在一端封闭的狭长通道中，发现斜度对隧道中温度分布与烟气浓度变化的影响呈现一定的规律性：上向倾斜更利于烟气的流动，下向倾斜不利于烟气沿巷道纵向的运动，从而在温度变化上表现为下向倾斜温升曲线滞后于上向倾斜，在烟气浓度上表现为上向倾斜的烟气浓度曲线“跳变”早于下向倾斜；同时发现，上向倾斜对温度变化曲线与烟气浓度曲线的影响趋于一致，这可能是由于随着上向倾斜角度的增加，烟气的驱动机理发生改变而变得与斜度无关；(3)一端封闭的狭长通道斜度对达到临界温度所需时间曲线与达到临界视距所需时间曲线影响基本趋于一致，即对于距离火源较近的监测点几乎无影响，而对于距离火源较远的其他监测点，随着斜度的增加达到临界温度所需时间与达到临界视距所需时间减少；随着监测点距火源距离的变化，两曲线发生了交错与错位，两曲线交错点存在于下倾斜7.5°附近；(4)对于一端封闭的水平狭长通道火灾CO分布，总体来说，CO浓度在各个监测点的监测值都不超过400ppm；在压入式通风条件下CO浓度分布在约250s时整个分布趋于稳定，即距隧道封闭端90m之后所有隧道空间CO浓度最终趋于约为130ppm均值，同时发现在隧道前部大约90m范围内CO浓度在竖向分布呈现不稳定的层状；经过CO分布的数值模拟，可以看出CO浓度的变化规律很好的吻合烟气的运动规律，也就是说可以通过监测火灾中微量的CO浓度变化规律来揭示烟气运动规律成为可能。
　　 总之，本文通过理论分析、小尺寸模型试验和数值实验相结合的方法，研究了狭长通道在纵向风作用下的火灾流场特性和烟气流动特性，给出了狭长通道火灾烟气的热分层强度定义并给出其在多流场边界参数作用下的动态变化的初步规律。这些结果有助于人们更深入地认识狭长通道火灾烟气运动的机理，为此类火灾防治提供科学基础。

目录

声明

摘要

图例表格目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及选题意义

1.2.1 狭长通道的分类

1.2.2 火灾

1.2.3 狭长通道火灾

1.2.4 研究意义

1.3 研究现状

1.3.1 火灾烟气毒性

1.3.2 通风排烟

1.3.3 烟气热分层

1.3.4 烟气振荡

1.4 研究内容和目标

1.5 本文结构安排

本章参考文献

第2章 小尺寸狭长通道模型实验台

2.1 引言

2.2 实验相似性分析

2.3 小尺寸狭长通道模型

2.3.1 狭长通道模型实验平台

2.3.2 实验工况

2.3.3 实验仪器与设备

本章符号

本章参考文献

第3章 狭长通道火灾烟气对近场温度分布的影响研究

3.1 引言

3.2 热分层理论

3.2.1 受限空间热分层

3.2.2 层化强度

3.2.3 热分层稳定性分析

3.3 不同燃料及不同火源功率下的火灾烟气的热分层

3.3.1 乙醇燃料及不同火源功率与火灾烟气的热分层

3.3.2 丙烷燃料及不同火源功率与火灾烟气的热分层

3.4 不同纵向风速下的火灾烟气的热分层

3.4.1 高低风速与烟气热分层

3.4.2 相同纵向风速下不同火源功率与烟气热分层

3.5 具有平台期的火源功率与热分层理论探析及实验

3.5.1 具有平台期的隧道火源功率

3.5.2 火源功率与热分层

3.6 本章小结

本章符号

本章参考文献

第4章 狭长通道烟气振荡

4.1 引言

4.2 —维通道扰动理论及Runehamar隧道实验结果分析

4.2.1 Boussinesq近似

4.2.2 —维通道扰动方程

4.2.3 Runehamar隧道实验结果的理论分析

4.3 三维扰动压缩波及活塞风对热分层影响的数值模拟

4.3.1 物理模型

4.3.2 通道流动控制性方程

4.3.3 燃烧模型的选取

4.3.4 网格与时间步长的选取

4.3.5 扰动压缩波

4.3.6 活塞风对热分层影响

4.4 本章小结

本章符号

本章参考文献

第5章 —端封闭狭长通道火灾烟气迁移规律研究

5.1 引言

5.2 火灾中人员安全疏散的影响因素

5.2.1 火场温度

5.2.2 能见度

5.2.3 CO浓度

5.3 FDS数值模拟实验

5.3.1 物理模型

5.3.2 边界条件

5.3.2 网格划分

5.4 临界视距与临界温度交错

5.4.1 温度场分布

5.4.2 烟气分布

5.4.3 临界温度与临界视距

5.5 隧道斜度对交错规律的影响

5.5.1 不同斜度下温度场分布

5.5.2 不同斜度下烟气分布

5.5.3 不同斜度下临界温度与临界视距对比分析

5.6 CO沿通道纵向和竖向分布规律

5.6.1 通道火源端的烟气运动

5.6.2 CO浓度分布

5.6.3 断面CO浓度

5.7 通道其他参数对交错规律的影响

5.7.1 环境温度

5.7.2 通风方式

5.7.3 通风口位置

5.8 本章小结

本章参考文献

第6章 结论与展望

6.1 全文总结及结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

致谢

在读期间主要成果