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原文传递隧道内受限火羽流行为特征及竖井自然排烟机理研究

论文题名：	隧道内受限火羽流行为特征及竖井自然排烟机理研究
关键词：	隧道火灾;受限火羽流;行为特征;竖井自然排烟;数值模拟
摘要：	随着世界各国城市化进程不断加快，城市人口数量急剧增加，城市用地与土地资源稀缺的矛盾越来越尖锐，伴随而来的是人均道路面积持续下降并出现严重的交通拥堵问题。在这种背景下，开发利用地下空间就成了缓解这一矛盾的必然选择。城市地下公路隧道的大量涌现，缓解了城市的交通压力，但也给火灾防治带来了新的难题。近年来陆续发生了多起重特大隧道火灾事故，造成了惨重的人员伤亡和财产损失。统计结果表明，造成火灾中人员伤亡的主要原因是由于不完全燃烧所产生的高温有毒烟气。因此，研究隧道内受限火羽流行为特征和烟气控制方法具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在分析隧道内受限火羽流和顶棚射流发展规律及火灾烟气运动过程的基础上，采用理论分析、小尺寸模型实验与数值模拟相结合的方法对隧道内受限火羽流行为特征和竖井自然排烟机理展开研究，主要包括以下三个方面的内容: 　　第一，通过开展小尺寸实验研究了隧道火灾初期火焰低于顶棚时，隧道侧壁对火焰高度、羽流受限程度以及弱羽流驱动顶棚射流最高温度的影响。对于隧道内不同的火源横向位置，随着火源由隧道纵向中心线逐渐向侧壁靠近，侧壁对羽流卷吸空气的影响越来越大，火源受限程度逐渐增强;特别是当火源贴壁时，羽流卷吸空气的过程受到最大程度的限制，导致火焰高度显著升高。根据火焰高度与火源功率的变化关系可以得到羽流卷吸系数随火源横向位置的变化情况，当火源贴壁时，贴壁羽流卷吸的空气量只有火源位于隧道中心线时的46％，正是由于空气卷吸过程严重受限，才导致贴壁火火焰高度显著升高，火灾危险性增强。对于弱羽流撞击时顶棚下方的最高温度，实验结果显示，随着火源与侧壁距离的减小，顶棚下方最高温度有所升高但变化不大;一旦火源紧贴侧壁后，受火焰高度升高和反浮力壁面射流的影响，顶棚下方的最高温度则显著升高。本文分别从火焰高度和隧道上部蓄积烟气层两方面的影响来研究隧道顶棚下方最高温度随火源横向位置和功率的变化规律。定义了表征火源功率与隧道尺寸相对大小的无量纲火源功率Q*，并引入虚点源的概念来研究热烟气层对顶棚下方最高温度的影响。建立了适用于不同火源横向位置，弱羽流驱动顶棚射流最高温升的预测关系式。　　第二，通过开展小尺寸实验研究了隧道火灾充分发展阶段火焰直接撞击顶棚时，强羽流驱动顶棚射流火焰长度与温度的分布规律。实验结果显示，当火源位于隧道中心线上时，沿隧道纵向和横向的顶棚射流火焰长度相等，顶棚下方的火焰形状为圆形;然而，当火源贴壁时，由于火焰沿隧道纵向的横向的卷吸不对称，顶棚射流火焰形状为半椭圆形，且随着火源功率的增大，椭圆的长轴逐渐由垂直于侧壁转变为与侧壁平行。基于量纲分析，建立了沿隧道纵向和横向火焰蔓延总长度的预测模型，并与前人的实验结果进行了对比验证。此外，通过对顶棚下方竖向、水平温度分布以及实验视频数据的对比分析，得到了判断顶棚下方强弱羽流撞击情况的临界温升值，当撞击区域温升ΔT0＜400K，400＜ΔT0＜600K，ΔT0＞600K时，分别对应于浮力羽流、间歇火焰和连续火焰撞击顶棚。由于贴壁火卷吸空气以及火焰蔓延的不对称性，隧道顶棚下方的温度分布同样是非对称的，本文以顶棚高度处的羽流半径为特征长度，分别揭示了沿隧道纵向和横向的强羽流驱动顶棚射流温升分布规律。　　第三，通过开展小尺寸实验和全尺寸数值模拟研究了城市公路隧道采用竖井自然排烟时的烟气控制效果及其排烟机理。在自然排烟过程中，随着竖井的升高，竖井内会先后出现边界层分离和烟气层吸穿现象，它们是影响竖井排烟效果的最主要的两种作用机制。当竖井较低时，在竖井内部会出现非常明显的边界层分离现象，导致竖井上游出现大面积的低烟气浓度区，减小了竖井的有效排烟空间，不利于烟气顺利排出。随着竖井的升高，烟囱效应增强，边界层分离现象逐渐减弱直至消失，排烟效果得到改善;但是，当竖井过高时则会发生烟气层吸穿现象，此时在较强的排烟驱动力作用下，排烟口下方烟气层厚度降为0，导致大量冷空气通过竖井直接排出，排烟效率下降。可见，竖井高度并非越高越好，基于对竖井排烟主要驱动力的分析，揭示了排烟过程控制力分区，随竖井高度的升高，排烟过程可分为水平惯性力控制区、烟囱效应控制区以及二者之间的过渡区，在此基础上，建立了判定竖井排烟效果的临界Ri'数判据。
作者：	高子鹤
专业：	安全科学与工程
导师：	孙金华;纪杰
授予学位：	博士
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