隧道火災煙氣蔓延的熱物理特性研究.pdf

1、隨著交通業(yè)的迅速發(fā)展，世界上建成了越來越多的隧道。隧道給人們帶來便利交通的同時，也給火災防治帶來了許多新問題。同時，近年來發(fā)生的幾次群死群傷的隧道火災表明，隧道火災雖然是一種小概率事件，但其一旦得不到有效控制的話，將給我們帶來災難性的損失。統(tǒng)計結果表明，由于不完全燃燒所產生的有毒有害煙氣是隧道火災中導致人員死亡的最主要因素。因此，研究隧道火災的煙氣流動特性及其合理控制具有重要意義。 火災煙氣流動本身就是一種復雜的浮力驅動流，同時

2、，由于隧道自身狹長結構的限制以及隧道內縱向風的作用，使得隧道內的煙氣流動相比于一般建筑火災煙氣流動更為特殊。本論文首先結合隧道火災煙氣流動在不同發(fā)展階段的特性和當前所需要解決的研究問題，開展了針對性的基礎研究；之后，對隧道火災的煙氣控制策略進行了針對性的現(xiàn)場試驗測試，為隧道火災防排煙系統(tǒng)的工程設計提供了技術和數(shù)據(jù)支撐。論文的具體工作包括： 在長度為96m的模擬隧道和長度分別為2700m、3200m和1024m的實際隧道內系統(tǒng)性地

3、開展了一系列的大尺寸和全尺寸現(xiàn)場實驗，測量了隧道火災煙氣溫度場和不同縱向風速下隧道火災煙氣層蔓延的熱物理特性，為隧道火災研究積累了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。 建立了隧道火災煙氣層溫度縱向衰減的預測模型。傳統(tǒng)的雙層區(qū)域模型無法考慮隧道火災煙氣溫度沿隧道衰減的這一重要特征，本論文通過理論分析和全尺寸實驗驗證，表明火災煙氣層溫度沿隧道呈冪指數(shù)的衰減，并建立了衰減系數(shù)的預測模型。 采用全尺寸實驗結合計算流體動力學數(shù)值模擬驗證了Kuriok

4、a的最高煙氣溫度預測模型。隧道火災拱頂處的最高溫度對于隧道拱頂在火災環(huán)境下的結構保護具有重要的理論參考價值，Kurioka通過小尺寸的模擬實驗(2003年)，建立了經(jīng)驗的預測模型，由于開展相關的全尺寸試驗難度大，該模型能否在實際全尺寸的隧道內進行應用有待進一步驗證。本文通過全尺寸試驗結合計算流體動力學數(shù)值模擬對Kurioka模型進行了驗證，結果表明，Kurioka模型在實際尺寸的隧道內仍能提供較好的預測結果。 通過全尺寸實驗分析

5、了隧道火災的頂棚射流溫度場在火源上、下游的不同分布特征，并對火災發(fā)展的計算流體動力學(CFD)軟件FDS在預測隧道火災拱頂邊界層溫度場的可靠性進行了驗證，結果表明，在縱向風的作用下，火源上游的頂棚射流溫度衰減要比下游快很多，相對于下游而言，上游頂棚射流的溫度分布存在一個虛擬集熱障礙位置。在該位置之前，火源上游的頂棚射流溫度要高于下游；而在該位置之后，火源上游的頂棚射流溫度要低于下游。而FDS在近火源區(qū)(40m一80m)，對拱頂邊界層溫度

6、場的預測結果較好，而在遠火源區(qū)域，預測值偏低，誤差在4-5℃以內。 通過理論分析、結合經(jīng)驗公式，論文建立了煙氣逆流距離及臨界縱向抑制風速的預測模型，將模型得到的預測結果跟全尺寸實驗測試的結果、FDS數(shù)值模擬的結果以及WuY.和Barker模型的預測結果進行了對比，結果表明，論文所建立模型的預測結果與試驗結果及FDS的數(shù)值模擬結果比較接近，而WuY.和Barker通過小尺寸實驗所建立的模型預測值則偏低。 論文通過大尺寸和全