不同排烟条件下通道内火灾烟气的输运特性研究

摘要

通道是从交通隧道、地铁站台通道、地下商业街等建筑抽象出来的一种典型建筑形式。随着城市建设和隧道工程的快速发展，国内外均建成了大量的通道形式结构。然而，近些年来，在通道中发生了多起群死群伤的灾难性火灾事故，引起很多研究者对通道内消防安全的高度关注。资料表明，火灾时通道内的不全燃烧程度很高，从而会产生大量的高温有毒烟气，而这正是导致人员死亡的主要因素。因此，研究不同排烟条件下通道内火灾的烟气的输运特性具有重要意义。 本论文首先通过理论分析、模型实验研究了烟气自由蔓延时，通道内CO浓度随时间的增长特性，并利用实验数据对CO浓度和烟气层温度在水平方向上的分布规律进行了对比分析；然后，通过模型实验和数值模拟，对横向机械排烟情况下烟气在水平和竖直方向上的输运特性开展了研究，并对实际工程中排烟优化设计提出了建议。论文的具体研究内容包括以下几个方面： 前人在研究CO浓度的空间分布时，大多都是利用浓度稳态数值或者是浓度峰值，而忽略了对空间中CO浓度随时间增长的定量研究。本论文虑到CO沿通道向远火源位置的输运过程中一些特殊现象，将通道内的烟气层任意划分为若干个水平区段，通过理论分析得到了任意区段内CO浓度随时间增长的理论模型，发现通道中CO浓度随时间符合幂指数增长，并在通道模型中开展实验验证了其合理性。 根据实验结果还发现，CO浓度和温度在通道纵向上的分布存在较大差异。烟气层温度分布在通道纵向总体上都呈下降趋势，而CO浓度则在较高的位置上沿通道纵向表现为衰减趋势、在低位置上沿通道纵向呈增长趋势，从而导致了低位置处远火源区域的CO浓度高于近火源区域。 从纵向典型位置处的烟气层化形态、烟气水平流速以及最高温升等方面入手，针对机械排烟速率对烟气水平输运特性的影响开展了实验研究。采用激光片光增亮技术，实时捕获了烟气层化形态随排烟速率的变化情况。当排烟速率较小时，烟气能够维持很好的层化；随着排烟速率逐渐增大，烟气层与空气之间的掺混加剧，并且通道端部开口近处的掺混程度强于远处。使用Froude数很好的解释了烟气层掺混加剧以及不同水平位置处掺混强度出现差异的原因。同时还发现，随着排烟速率的增大，烟气的水平流速和最高温升都随之呈幂指数衰减规律。 烟气层吸穿是烟气在竖向输运过程中的一个特殊现象，并且会导致机械排烟系统性能的降低。本文采用计算流体动力学程序对烟气层吸穿随排烟速率增大的演化过程开展了模拟研究，定量分析了排烟口下方烟气层温度和厚度随排烟速率的变化特征。结果显示，烟气层吸穿速率存在过渡区和完全吸穿区；通道端部开口附近的烟气层厚度变化反映了机械排烟效率随着烟气层吸穿程度的增加而降低。 本文最后通过引入排烟系统输出量(VSO)的概念，并基于实验数据，定量的分析了烟气层吸穿对排烟系统性能的影响，并为工程中的排烟优化提出了建议。结果表明，由于存在烟气层吸穿现象，排烟系统输出量的数值始终较小，两种火源功率(10.4kW和7.8kW)情况下的排烟系统输出量峰值分别约为36.0％和17.5％，即经排烟口排出气体的绝大部分都是空气；随着排烟速率的增加，两种火源功率下的系统输出量均出现先增长，然后逐渐下降直至达到稳定数值，分别约为12.5％和7.5％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1典型的通道结构形式

1.1.2通道中的火灾特点

1.1.3通道中的烟气控制方式

1.2研究现状

1.2.1实验研究

1.2.2计算机模拟研究

1.3本文的研究内容

1.4本文的章节安排

参考文献

第2章通道模拟实验平台设计

2.1 相似理论

2.2 国外的通道模型

2.3 本文的通道模型

2.3.1通道模型的基本功能

2.3.2通道模型的改造

2.4 测量方法与数据采集

2.3.1火源热释放速率(火源功率)

2.3.2烟气温度

2.3.3烟气流动速度

2.3.4烟气成分

2.3.5烟气层界面高度

2.5 本章小结

参考文献

第3章通道火灾烟气层中CO的输运特性

3.1 引言

3.2 CO浓度随时间增长的理论模型

3.3 烟气层内CO输运特性实验设计

3.4 实验结果分析

3.4.1燃料的质量损失速率

3.4.2典型的温度和CO浓度

3.4.3理论模型的应用分析

3.4.4 CO浓度与烟气温度的纵向分布

3.5 本章小结

参考文献

第4章机械排烟速率对烟气水平输运特性的影响

4.1 引言

4.2 实验设计

4.3 烟气输运特征参数

4.3.1烟气层厚度及温度竖向分布函数

4.3.2烟气的水平流速

4.3.3烟气分层的Froude数

4.4 实验结果分析

4.4.1不同排烟速率下烟气层界面的形态特征

4.4.2烟气层内最高温升随排烟速率的变化

4.4.3烟气水平流动速度随排烟速率的变化

4.5 本章小结

参考文献

第5章机械排烟速率对烟气层竖向吸穿的影响

5.1引言

5.2烟气层吸穿现象

5.3数值模拟研究

5.3.1数值模拟工具的选取

5.3.2数值模拟算例设计

5.3.3模拟计算结果分析

5.4实验研究

5.4.1理论分析与实验设计

5.4.2实验结果分析

5.5本章小结

参考文献

第6章结论与展望

6.1全文总结与结论

6.2论文的创新点

6.3研究展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文