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原文传递不同环境条件下隧道火灾燃烧和烟气运动特性研究

论文题名：	不同环境条件下隧道火灾燃烧和烟气运动特性研究
关键词：	隧道火灾;烟气运动;燃烧速率;热反馈机制
摘要：	随着经济的发展和人员出行的需要，交通隧道数量与日俱增。隧道交通在给带来便利的同时，隧道火灾也造成了严重的生命和财产损失。深刻认识不同环境条件下隧道火灾燃烧和烟气运动特性，对于实际隧道火灾防治、保障隧道火灾中人员生命和财产安全具有重要的现实意义。本文针对前人在隧道火灾和烟气特性研究方面的不足，采用小尺寸实验、理论分析、数值模拟和实验对比验证相结合的方法，开展了纵向风、侧壁限制和低环境压强等环境条件下隧道火灾燃烧和烟气运动特性的研究。　　通过小尺寸隧道火灾模拟实验，研究了纵向风和侧壁限制共同作用对丙烷气体火火焰形态和热传递特性的影响。首先，实验结果表明，不同火源位置（中心线火和贴壁火）下，火焰倾角均随风速增加先快速增加、然后缓慢增加的变化规律，对比分析了两种火源位置下火焰形态的差异。对比研究了两种不同火源位置下贴地火焰长度随风速的演变规律，分析了火焰受力机制的变化。以无风条件下火焰长度作为参考，建立了不同火源位置下贴地火焰长度关系式。其次，对比研究了不同火源位置下火源下游地面附近的辐射热流密度分布和温升分布。在较强纵向风作用下，火源下游地面附近纵向辐射热流密度和温升均随着与火源中心距离的增加先增加后减小，二者的峰值位置均出现在贴地火焰前端附近。基于固体火焰模型，分别建立了两种火源位置下的火焰辐射模型。同时，提出了不同火源位置下地面附近温升峰值及其位置的预测关系式，并给出了温升峰值下游纵向温度衰减的变化规律。　　通过小尺寸隧道火灾模拟实验，研究了纵向风和侧壁限制共同作用对隧道正庚烷池火燃料燃烧速率和热反馈机制的影响。首先，结合火焰形态变化，对比分析了两种火源位置（中心线火和贴壁火）下燃料燃烧率随风速的变化规律。在两种不同火源位置下，燃料燃烧速率均随风速增加先快速增长、再快速衰减，然后又缓慢增长并趋于平稳。对比研究了两种火源位置下燃料燃烧速率随风速变化的差异。其次，计算了油池内燃料接收到的辐射热反馈功率和传导热反馈功率，对比分析了两种火源位置下辐射热反馈功率和传导热反馈功率随风速的变化规律。揭示了燃料燃烧速率、燃料热反馈和火焰形态之间的内在联系。最后，根据燃料接收的总热反馈功率，对比分析了两种火源位置下辐射、传导和对流三种热反馈功率所占比例随风速的变化规律。　　通过数值模拟、理论分析和实验对比验证相结合的方法，研究了低压环境对无风条件下烟气运动特性和纵向通风条件下烟气控制效果的影响。首先，揭示了环境压强对烟气运动阶段划分和顶棚下方纵向烟气温度分布的影响，建立了一维水平蔓延阶段起始位置的关系式，并以烟气一维水平蔓延起始位置处的温升作为参考，提出了不同环境压强和热释放速率条件下统一的无量纲烟气温升衰减关系式。其次，研究了不同环境压强下烟气质量流率的纵向变化规律，提出了一维水平蔓延阶段平均烟气质量流率关系式，与不同环境压强和不同尺寸实验结果对比显示，公式预测结果较好。最后，研究了不同环境压强对纵向通风条件下烟气逆流距离和临界风速的影响，通过理论分析解释了烟气逆流距离随压强减小而增加的原因。基于量纲分析和模拟结果，建立了适用于不同环境压强的无量纲临界风速关系式。
作者：	郭芳义
专业：	安全科学与工程
导师：	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：	2020
正文语种：	中文