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原文传递纵向通风作用下倾斜隧道火灾烟气行为多样性研究

论文题名：	纵向通风作用下倾斜隧道火灾烟气行为多样性研究
关键词：	倾斜隧道;火灾烟气;纵向通风;流动多样性;临界风压
摘要：	近些年，由于地形限制以及地下空间的大量开发，倾斜隧道频繁出现。烟囱效应对倾斜隧道内烟气流动具有推动和阻碍作用，因此，与水平隧道相比，倾斜隧道内一旦发生火灾，烟气流动更为复杂，控制更为困难。纵向通风凭借其设备简单、模式转换方便等特点，被广泛用于隧道烟气控制。隧道发生火灾时，为保证隧道内滞留人员安全，纵向排烟方向应与行车方向一致。然而，当下行倾斜隧道采用纵向通风时，机械风压与热压作用方向相反，两者可形成对抗作用，从而可能导致隧道内出现多种烟气流动模式，甚至可能出现与预期排烟方向相反的流动模式。本课题主要研究纵向通风作用下倾斜隧道内火灾烟气行为的多样性以及其相应的通风控制方法。　　对于水平隧道，在火灾发生初期，为了确保下游区域滞留人员的疏散救援，隧道内上游横断面处的纵向风速应小于临界风速，但应达到限制风速。然而，由于倾角的存在，倾斜隧道内采用限制风速时，其烟气流动特性与水平隧道差别较大。本文通过盐水实验发现，在倾斜隧道中，烟囱效应使得上游横断面处的纵向风速小于临界风速，但达到限制风速时，上游逆流层将不能被控制在一定长度范围内。此外，当隧道内上游入口处的纵向机械风压由限制风速所需风压增大至临界风速所需风压且流动达到稳定状态时，烟气仍将会灌满整个上游区域并且从上游开口处排出。这是由于在倾斜隧道中，当上游横断面处的纵向风速为限制风速时，烟气发展早期在上游区域形成的烟囱效应会抵消一部分机械风压，导致风压增大至临界风速所需机械风压后仍不能诱导上游的纵向风速达到临界风速，最终烟气威胁到整个火源上游区域。因此，在倾斜隧道内，若要实现预期的排烟模式，在火灾发生初期上游横断面处的纵向风速应达到临界风速。采用限制风速实现对上游逆流长度以及下游烟气分层稳定性的有效控制仅适用于水平隧道发生火灾的初期，在下行倾斜隧道中失效。　　倾斜隧道垂直高度方向上累积的热压与机械风压之间的对抗导致其发展稳定后出现多种流动模式。本文通过盐水实验以及FireDynamicsSimulator(FDS)数值模拟揭示了倾斜隧道内最终形成的稳态流动模式与风机启动时间相关。本文指出，在下行倾斜隧道中，在相同的边界条件作用下，隧道内可能存在四种流动模式，分别为：风压主导无逆流，风压主导有逆流，热压主导无逆流，热压主导有逆流，其中风压主导有逆流为不稳定流动模式。对于下行倾斜隧道，风压主导无逆流模式为设计预期的排烟流动模式。本文通过突变理论以及势函数分析法，提出任何风机启动时间下隧道内仍可形成预期排烟模式的临界风压理论模型，同时也推导出了任何风机启动时间下隧道内均会形成热压主导流动模式的临界风压理论模型。并以理论模型得到的关键参数作为输入参数进行了实验以及FDS数值模拟研究。理论计算、实验以及数值模拟结果均表明，当机械风压处于仅存在风压主导流动模式的临界风压与仅存在热压主导流动模式的临界风压之间时，在相同的边界条件下，隧道内将会出现多种稳态流动模式，此时隧道内的稳态流动模式与风机启动时间相关。因此，在倾斜隧道发生火灾时，为了确保烟气流向不受风机启动时间的影响且达到预期排烟模式，机械风压应不小于仅存在风压主导流动模式的临界风压。此外，研究结果表明，仅存在风压主导流动模式的临界风压不随火源位置发生变化，仅存在热压主导流动模式的临界风压以及临界风速所需临界风压随火源距离下游出口距离的增加而增大。仅存在风压主导流动模式的临界风压、仅存在热压主导流动模式的临界风压以及临界风速所需临界风压均随火源功率的增加而增大。　　在隧道火灾中，烟气层头部的蔓延速度影响滞留人员的疏散安全。本文采用盐水实验研究发现，风机启动时间对倾斜隧道烟气动态行为会产生影响。当风机未启动时，烟气层向火源两侧蔓延。当风机启动后，上游烟气层头部蔓延减缓，逆流层逐渐达到其最大长度，随后上游逆流层向火源位置处后退，最终逆流层消失。在整个动态蔓延过程中，下游区域的烟气层头部蔓延速度主要分为两个阶段。当风机未启动时，下游烟气层头部的蔓延速度与火源热释放速率的三分之一次幂成正比；当风机启动后，下游烟气层头部的蔓延速度也与火源热释放速率有关，与风机诱导的上游入口处的纵向风速无关。对于上游区域，当风机未启动时，上游头部的蔓延速度与火源热释放速率的三分之一次幂成正比；当风机启动且上游烟气层头部向火源位置处后退时，烟气层头部后退速度仅与风机诱导的上游入口处的纵向风速成正比，与火源热释放速率无关。　　为了连接地面交通网络，城市多分支隧道通常具有多个匝道和一定的纵坡。因此，由于多分支隧道中部分区段存在纵坡，当其采用纵向通风时，热压与机械风压的竞争也会导致隧道内出现多种稳态流动模式。单个倾斜隧道烟气行为分析为探究具有纵坡的多分支隧道烟气蔓延行为奠定了基础。本文以火源位置为中心，将多分支隧道划分为三个特征区域，分别为火源所在的分支，防烟区域，排烟区域。通过水力计算方法，将超过三分支的多分支隧道特征化为三分支结构。此外，本文基于势函数分析法，对带有入口匝道的三分支结构的三种典型火灾场景与带有出口匝道的三分支结构的三种典型火灾场景分别提出一种可抑制烟气流动多样性的机械风压分配方案。同时，由理论模型可知，通过调节多分支隧道分岔点处的全压可实现对各分支机械风压的分配。最后，利用FDS数值模拟方法展示了具有纵坡的多分支隧道内存在多种稳态流动模式，并且证实了提出的多分支隧道机械风压分配方案能够消除火源位于不同位置时烟气流动的多样性，为具有纵坡的多分支隧道的纵向排烟提供了设计方法。
作者：	李萍
专业：	供热、供燃气、通风及空调工程
导师：	阳东
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2021