狭长地下空间火灾烟气运动物理模型及尺度准则研究

摘要

地下空间的开发利用是城市发展到一定阶段的产物,而狭长地下空间是其常见的一种建筑类型,包括地下交通隧道、地下通道等多种形式。统计表明,高温、有毒烟气是火灾事故中致死的主要原因,而狭长地下空间结构的特殊性,使得火灾烟气很难及时排出。因此,前人的研究多关注纵向临界风速、排烟有效性等和烟气控制相关的方面。烟气在狭长地下空间的运动特征,包括近场和远场的温度分布、速度分布的研究是一个基础性的研究课题,建立物理模型描述烟气运动在狭长地下空间的运动过程,有助于加深对各其影响因素的认识。弗洛德模型是火灾中常用的尺度模型,当应用于狭长地下空间的烟气运动时,应考虑各影响因素的相对重要性选择尺度准则。因此,本论文主要围绕狭长地下空间中烟气运动的物理过程以及尺度模型,采用理论分析、模拟实验和数值模拟相结合的方法开展研究。
　　首先,本文在前人研究的基础上,将烟气在狭长地下空间运动分为五个子区域。前两个区域采用前人已有模型,分别为羽流模型、顶棚撞击。第三、四区域对前人已有模型进行简化,分别用顶棚径向射流方程和水跃方程进行描述。
　　重点建立了第五个区域的控制方程,首次提出了用绝热因子量化壁面升温对烟气纵向温度衰减结果的影响。通过RK方法给出了控制方程的数值解,并在此基础上提出了一种简化形式解。结果发现,温度、速度均按指数函数形式衰减,温度衰减指数由三个子因子相乘得到,分别是绝热因子、St数和烟流相对厚度,速度的衰减因子约为温度衰减因子的1/2次方。当距离火源距离x≤20H时,简化解和RK方法解结果接近。
　　为了验证理论模型,本文搭建了0.5m×0.5m×5.0m的小尺寸模拟实验台。实验结果发现,在近火源场,顶棚撞击区的最高温度高于理论预测,而且顶棚径向射流中的质量卷吸会受到侧壁影响,低于Turner卷吸模型的预测值。
　　对于远火源场,实验研究发现,温度断面分布接近高斯型,温度分布峰值位于距顶棚约0.1H的位置,而温度分布的半宽约等于烟流厚度,由狭长空间的宽高比决定,烟流厚度和理论预测值吻合很好;温度和速度的纵向衰减和理论预测吻合很好;理论分析揭示了温度分布具有时间无关性,被小尺寸实验结果所证实。
　　建立了狭长地下空间烟气运动的尺度模型,发现需要满足的尺度准则根据重要度排序依次为(从强到弱):火灾热释放速率、纵向通风、壁面阻力/对流热损失、辐射热损失(烟气温度高则重要性变强)、传导热损失、湍流。
　　FDS数值模拟实验证实了尺度模型的正确性。结果还发现,对于速度场计算,相比于纵向通风,壁面阻力的影响可以忽略,应首要保持纵向通风和浮力速度按照尺度模型变化;对于温度场,保持保证热辐射的相似性在尺度很大时显得很重要,尽管在实际实验中热辐射很难保持相似准则;对流在各种尺度都很重要,但相似准则通常容易满足。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 狭长地下空间的常见类型

1．1．2 狭长地下空间火灾烟气危害性

1．1．3 狭长地下空间烟气运动特征

1．2 国内外研究现状

1．2．1 小尺寸模拟实验研究

1．2．3 大尺寸模拟实验研究

1．2．3 数值模拟和理论模型研究

1．2．4 尺度模型研究

1．3 本文的研究内容

1．4 本文的研究方法

1．5 本文的章节安排

参考文献

第二章 小尺寸狭长地下空间火灾模拟实验台设计和构建

2．1 引言

2．2 国内外狭长地下空间实验模型

2．3 本文搭建的小尺寸狭长地下空间模拟实验台

2．3．1 火源类型

2．4 测量系统

2．4．1 热释放速率测量

2．4．2 温度测量

2．4．3 烟气速度测量

2．4．4 气体组分测量

参考文献

第三章 狭长地下空间火灾烟气运动的物理模型

3．1 引言

3．2 前人的研究回顾

3．2．1 Alpert—顶棚射流理论

3．2．2 Delichatsios—带竖直平行梁的顶棚

3．3 狭长地下空间烟气运动的物理过程

3．4 各子过程的物理模型

3．4．2 Ⅱ区：撞击区(tuming region)——Alpert顶棚射流理论

3．4．3 Ⅲ区：径向射流区(radial spreading region)

3．4．4 Ⅳ区：过渡区(transition region)

3．4．5 Ⅴ区： 一维流动区(one-dimensional flow region)

3．5 小结

本章符合

参考文献

第四章 狭长地下空间烟气运动物理模型的小尺寸实验验证

4．1 引言

4．2 数值模拟程序FDS介绍

4．2．1 FDS求解方法

4．2．2 模拟场景

4．3 近火源端温度场特征

4．3．1 撞击区的位置和状态

4．3．2 径向射流的流动特征

4．3．3 小尺寸实验结果

4．4 远火源端温度分布

4．4．1 实验设计

4．4．2 温度分布的时间无关性

4．4．3 温度的竖向分布

4．4．4 温度的纵向分布

4．4．5 壁面材料热性质对温度衰减的影响

4．4．6 速度的纵向分布

4．5 小结

本章符号

参考文献

第五章 狭长地下空间烟气运动的尺度模型

5．1 引言

5．2 尺度模型介绍

5．2．1 三种尺度模型概述

5．2．2 建立尺度模型的三种方法

5．2．3 弗洛德模型(Froude Modeling)

5．3 狭长地下空间烟气运动尺度模型的建立

5．3．1 火源热释放速率

5．3．2 烟气的热损失

5．3．3 壁面的阻力

5．3．4 强迫纵向通风

5．3．5 狭长地下空间火灾烟气运动尺度准则汇总

5．4 小结

本章符号

参考文献

第六章 狭长地下空间尺度准则的CFD数值实验验证

6．1 引言

6．2 FDS模型检验

6．2．1 小尺寸和全尺寸验证实验

6．3 数值实验设计

6．3．1 尺度模型和FDS的物理模型

6．3．2 三种尺度的数值实验设计

6．4 结果分析

6．4．1 火源热释放速率

6．4．2 温度分布

6．4．3 速度分布

6．5 小结

参考文献

第七章 结论及进一步工作展望

7．1 本文的主要工作和结论

7．2 本文的创新之处

7．3 下一步工作展望

附录

致谢

攻读博士期间完成的论文

参与的科研项目与横向课题