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原文传递弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法研究

论文题名：	弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法研究
关键词：	弧形截面隧道;火灾模拟;移动式风机;排烟方法
摘要：	随着区域经济的迅速发展，地区之间的经济活动联系也不断加强，同时意味着日益频繁的物资转运和人口流动，这些都给交通运输带来了较大的负担。公路隧道是现代交通结构中被广泛采用的一种有效组织形式，它可以在空间上极大的缩短两地之间的距离，从而节省由交通不便所带来的时间和经济成本。虽然建造大量公路隧道能给交通运输带来许多便利，但同时也会增加火灾发生的风险。隧道火灾一旦发生，且在发展初期没有对其采取措施进行有效控制的话，其带来的后果可能会是灾难性的，不仅会对隧道结构造成损坏，还可能造成人员的重大伤亡。所以，有必要对隧道火灾的演化规律进行深入的研究。本文通过全尺寸测试、模型尺寸实验和数值模拟的方法对弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法进行了研究，主要包括以下内容: 　　首先，通过实验与数值模拟相结合的方法研究了侧墙约束效应对弱羽流顶棚射流温度分布的影响。研究发现侧墙的约束效应对顶棚射流在冲击点附近的最大温升有一个显著的影响，这个温升和相对隧道侧墙的横向距离之间的关系可以用一个指数函数进行关联。但是，在一个给定位置，侧墙约束效应对标准化顶棚射流的温升似乎与火源功率无关。实验测量得到的标准化温升的纵向分布规律呈现一个幂函数形式，尽管同样条件下的模拟结果表现出一个微弱的指数分布趋势。另外，还对弧形顶棚和水平顶棚下的温度分布差异进行了比较分析。结果表明对于相同功率的火源，在x/Hef＞1范围内，水平顶棚下的温度会低于弧形顶棚下的值。对于这两种不同的顶棚，虽然标准化温度和无量纲横向距离之间的关系均能用一个相似的指数函数拟合，但是弧形顶棚下的约束效应相比水平顶棚是更加显著的，因为在弧形顶棚下随着横向距离的减小，会存在一个从弱羽流到强羽流的过渡，其顶棚温度也会由羽流温度直接转变成火焰温度。此外，提出了一个修正模型去预测在HL＜Hef范围内的弧形顶棚下的最大温升值，这个模型考虑了横向火源位置及纵向通风的综合影响。　　其次，采用模型尺寸实验方法研究了强火羽流在约束效应下的燃烧特征。观察到弧形顶棚下的火焰前锋会出现涡旋。当火源靠近侧墙时，为了维持完全燃烧，需要提供充足的氧化剂，更多的空气需要被卷吸进油池和侧墙之间的区域内，结果使火焰偏离了竖直方向。总的来说，侧墙约束的控制机制可以划分为两个阶段:对弱羽流的热反馈控制，和对强羽流的空气卷吸控制。随着火源和侧墙之间距离的减小，燃料的燃烧速率呈现出一个非单调的变化趋势，因为当池火贴紧侧墙时并没有产生最大的燃烧速率值，而是当其靠近侧墙时产生。尽管如此，除了墙火，侧墙约束对池火沸腾的发生都存在一个显著的影响，因为横向间距越小，燃料接收到的辐射热反馈和热传导就越强，最终导致了一个更早的沸腾时间。另外，通过开展油池相对于侧墙不同布局形式的实验，发现空气卷吸是限制受限顶棚下墙火发展的一个关键因素。　　最后，通过全尺寸测试分析了移动式风机在隧道火灾中的不同排烟方法。当用单台移动式风机排烟时，其相对于火源的距离有一个临界范围。在一定距离内，风机被设置为水平角度对排烟而言也许是一个更好的选择，因为这种设置能有效地降低烟气温度，这意味着将烟气排出隧道是更容易的。但是，当风机和火源之间的距离超过临界值后，风机的两种倾斜角度在降低顶棚下最大烟气温度的衰减效果上并没有一个明显的差异。当用两台移动式风机进行组合排烟时，相比两个风机的集中布局形式，可以发现如果将其中一个风机布置在下游，其纵向温度会明显的降低，并且会促进烟气的流动。其结果是，烟气回流得到了有效地控制，这在现实场景中是有助于开展灭火和救援工作，但是不利的地方在于也会加速烟气沉降，这会危害人员的安全疏散。同时需要注意的是，如果布置在下游的风机和火源之间的距离太远，上述的结论也许就不再适用。这表明将移动式风机布置在火源下游是存在一个临界范围的。
作者：	周天念
专业：	安全科学与工程
导师：	汪箭
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文