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原文传递细水雾技术在隧道中应用的实验与数值模拟研究

论文题名：	细水雾技术在隧道中应用的实验与数值模拟研究
关键词：	隧道安全;细水雾灭火系统;数值模拟;烟气控制
摘要：	隧道属于狭长型的交通联络通道，空间小、道路窄、通风条件差，一旦发生火灾，产生的浓烟将迅速扩散充满整个隧道难以排出，严重威胁到人员生命安全，也使得扑救过程变得困难。　　隧道的消防安全近年来逐渐得到重视，传统的隧道灭火技术有消火栓、灭火器、水喷淋灭火系统、水喷雾灭火系统。随着细水雾灭火技术的广泛的重视，其在隧道中的应用也得到了关注。世界各国相继开展细水雾灭火系统在隧道内的应用实验，结果均表明，细水雾灭火系统能够迅速扑灭隧道火灾，与常规水喷淋相比具有用水量少的特点，并能迅速净化空气和保护环境。本文通过实体火灾实验与计算机数值模拟相结合的方式研究细水雾灭火系统在隧道中的应用。　　1、实体实验研究　　在实体实验研究方面，关于风速对细水雾在隧道中灭火效果影响的研究相对较少。本文利用隧道火灾模拟实验平台，分别对车顶和车底两个位置进行了细水雾灭火的模拟实验，研究不同风速对隧道火灾的温度、气体浓度和热辐射等参量的影响，据此研究细水雾灭火系统在隧道火灾中抑制、扑灭火灾，降低火场温度、净化火源附近空气以及隔绝热辐射的能力。　　实验结果表明风速对隧道内各参数的影响分为以下几个方面:(1)温度参数方面:细水雾施加前，隧道内烟气层的温度呈现中间高、两端低的分布状态，且随着外界风速的增大，烟气层最高温度点向下游移动。细水雾施加后，烟气层的温度呈下降趋势，且火源上方区域温度变化最明显，随着风速的增大顶棚烟气平均温度逐渐降低。(2)在气体浓度参数方面:随着风速的增大，细水雾作用前，O2浓度下降幅度减小，CO浓度变化不明显;细水雾作用后，O2浓度快速回升至环境值，CO浓度峰值和总生成量出现了显著降低。(3)在热辐射通量方面:在本文的风速条件下，细水雾的作用均能有效抑制汽油火的燃烧放热，使火场周围的热辐射强度迅速降低。随着风速的增大，热辐射强度峰值逐渐减小，说明通风作用加强了细水雾对火场热辐射的屏蔽作用。(4)因此，在本文实验条件下，隧道中通风作用不显著影响细水雾控火效果，可有效降低火场温度、CO浓度和热辐射强度，更可以促进O2浓度回升，有利于阻止隧道火灾蔓延和保障火场安全。　　2、数值模拟研究　　通过FDS模拟的方法对细水雾在隧道中控烟效果的影响进行研究。首先确定网格尺寸，还原实体实验条件验证了模型适用性，通过对模拟现象的分析描述，证明了细水雾灭火系统在隧道安全分区中的控烟作用;接着从喷头间距、喷雾流量、喷头雾化锥角、火源功率四个方面对比了细水雾在隧道中的控烟能力。　　模拟结果表明:(1)当以20m的长度间隔划分隧道的消防安全保护区时，细水雾灭火系统能将烟气控制在保护区内，降低隧道火灾对人员疏散的危害。(2)在模拟工况条件下，细水雾喷头布置间距为1m和2m时，相邻保护区呼吸高度处CO浓度较低，烟气层高度也能控制在4m以上，控烟效果优于3m。(3)细水雾喷雾流量在一定范围内，流量越大对火源的降温效果越好，烟气的隔离作用也越明显。但当喷雾流量从15L/min增加到20L/min时，细水雾对烟气的隔离和降温作用的提高不明显，考虑到安全和水渍损失等问题，得到喷雾流量的建议值为15L/min。(4)雾化锥角的增大能在一定程度上扩大保护半径，但作用到火焰区的有效雾通量值就会减小，不利于火焰区烟气温度的冷却。较大的雾锥角也不能有效隔离和吸收保护区内烟气，因此在本文的模拟条件下建议选取60°作为理想的喷头雾化锥角。(5)火源功率越大，细水雾对烟气控制效果越差，当火源功率为10MW和20MW时，相邻保护区烟气层高度下降到1.5m以下，隧道烟气容易对人员疏散安全造成威胁，因此需要对隧道安全保护区进行优化，模拟结果证明，优化后的细水雾灭火系统能有效控制大功率火灾烟气。
作者：	李梦
专业：	安全科学与工程
导师：	刘申友;姚斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文