隧道火灾烟气的温度特征与纵向通风控制研究

摘要

近年来发生的几起重大隧道火灾事故警示人们，隧道在给人们带来交通便利的同时，其火灾安全形势也越来越严峻，隧道火灾如不能得到有效的控制，很有可能带来灾难性的后果。火灾中造成人员伤亡的最主要因素是燃烧所产生的有毒有害烟气，因此，隧道火灾烟气的特征与控制研究在隧道火灾安全研究中有着举足轻重的地位。
　　 本文围绕隧道火灾烟气的温度特征及其合理控制，采用理论研究、实验对比分析和CFD数值模拟相结合的研究方法，完成的主要研究工作如下：
　　 建立了自然通风和强迫纵向通风条件下火灾烟气温度在隧道纵向上的衰减模型。分析火灾烟气在隧道顶棚下的发展特性，从火灾烟气的基本控制方程出发，通过一些合理的假设对控制方程进行理论推导求解，得到自然通风条件下火灾烟气温度在矩形截面隧道纵向上的分布模型；提出特征水力直径的概念，将矩形截面隧道的截面高宽比引入上述模型；研究强迫纵向通风条件下隧道内通风风速和火灾热释放速率对隧道火灾烟气流动的影响，将纵向通风风速和火灾热释放速率的影响引入上述模型，使之适用于强迫纵向通风条件；在此基础上，考虑典型的非矩形截面隧道，推导其特征水力直径，使模型更具有普适性；利用已有的多尺度隧道火灾实验数据和CFD数值模拟结果对上述模型进行了验证，结果表明，本文模型能够很好的预测隧道火灾炯气温度的纵向分布特征，具有较高的精度。
　　 通过定义隧道阻塞比分析了隧道火灾时车辆阻塞效应对烟气温度特征与控制的影响。火灾时火源占据隧道横截面部分面积，对纵向通风产生一定阻塞效应是更切实际的隧道火灾场景，然而前人的关注很少。隧道阻塞比定义为隧道内对纵向通风产生阻塞效应的车辆的横截面面积与隧道横截面面积的比值。结合已有的多尺度隧道火灾实验数据和CFD数值模拟结果，分析了火灾烟气流动特性和抑制烟气逆流的临界风速随隧道阻塞比的变化情况。研究表明，车辆阻塞改变了火源局部的通风条件，小火灾时隧道顶棚下最高温度随阻塞比的增大而减小，大火灾时最高温度不受阻塞比的影响；隧道临界风速随阻塞比的增大而减小。在前人经验模型的基础上，引入考虑隧道车辆阻塞效应的修正因子，得到了更具有普适性的隧道火灾最高温度模型和临界风速模型。
　　 建立了纵向通风对隧道火灾的强化作用模型。从基本物理现象出发，通过定义强迫纵向通风条件下火灾热释放速率相对自然通风条件下火灾热释放速率的增长率，推导了热释放速率增长率随隧道纵向通风体积流率与火源质量损失速率比值的变化关系，建立了纵向通风对隧道火灾热释放速率的强化作用模型；利用已有的多尺度隧道火灾实验数据对上述模型进行了验证。结果表明，隧道火灾热释放速率增长率正比于隧道纵向通风体积流率与火源质量损失速率的比值。

目录

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摘要

插图目录

插表目录

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 隧道火灾危害性

1．3 研究现状

1．4 研究内容与方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．5 章节安排

参考文献

第二章 隧道火灾烟气模拟的尺度准则及CFD数值模拟基础

2．1 引言

2．2 弗鲁德尺度准则

2．3 CFD数值模拟基础

2．3．1 控制方程

2．3．2 求解步骤

2．3．3 大涡模拟

本章符号表

参考文献

第三章 火灾烟气沿隧道纵向温度的衰减特征

3．1 引言

3．2 自然通风条件下火灾烟气温度衰减模型

3．2．1 研究背景

3．2．2 温度衰减模型推导

3．2．3 数值模型

3．2．4 结果与讨论

3．3 强迫纵向通风条件下火灾烟气温度衰减模型

3．3．1 研究方法

3．3．2 实验数据

3．3．3 最高烟气温度及其位置的实验验证

3．3．4 温度衰减模型的实验验证

3．3．5 数值实验的补充验证

3．4 基于温度衰减模型的隧道火灾烟气到达时间工程模型

3．5 小结

本章符号表

参考文献

第四章 隧道车辆阻塞效应对顶棚下最高温度的影响

4．1 引言

4．2 顶棚下最高温度模型

4．3 实验数据

4．4 隧道阻塞比对最高温度的影响

4．4．1 影响分析及分段依赖关系

4．4．2 对Kurioka最高温度模型的修正

4．4．3 与全尺寸隧道实验结果的对比

4．4．4 对Li最高烟气温度模型的修正

4．5 小结

本章符号表

参考文献

附录 4．4．3节中的全尺寸隧道火灾实验数据

第五章 隧道车辆阻塞效应对临界风速的影响

5．1 引言

5．2 临界风速

5．3 数值模型

5．4 数值结果分析

5．4．1 阻塞比对临界风速的影响

5．4．2 局部弗鲁德数分析

5．4．3 临界风速经验模型验证

5．5 临界风速模型的实验验证

5．6 小结

本章符号表

参考文献

第六章 纵向通风对隧道火灾的强化作用

6．1 引言

6．2 研究背景

6．3 纵向通风对隧道火灾的强化模型

6．4 强化模型的实验验证

6．5 强化模型的工程应用考虑

6．6 小结

本章符号表

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 主要工作与结论

7．2 主要创新点

7．3 工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

在读期问参与的科研课题