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原文传递城市地下公路隧道自然排烟特性研究

论文题名：	城市地下公路隧道自然排烟特性研究
关键词：	隧道火灾;隧道坡度;粘附溢流;数值模拟;城市地下公路;自然排烟特性;竖井;横截面长宽比
摘要：	城市地下公路隧道作为缓解城市交通拥堵问题的重要举措近年来在世界各国大量涌现出来，然而，这一举措在带给人们生活带来方便的同时也给消防安全带来了隐患。研究表明，隧道火灾中产生的大量高温有毒烟气是造成人员伤亡的最主要因素，大部分人员的死亡是因为吸入了有毒有害的烟气，导致昏迷，最后致死的。因此，隧道火灾烟气控制引起了国内外学者的关注，并针对隧道火灾烟气的蔓延扩散做了大量研究。目前，自然排烟和机械排烟是公路隧道主要采用的通风排烟模式，而自然排烟模式因为其明显的经济和环保优势在城市地下隧道中得到广泛应用。因此，研究城市地下隧道自然排烟特性具有非常重要的意义。　　本论文首先通过模拟实验平台观察了不同竖井条件下对隧道自然排烟的影响，重点分析了吸穿现象以及竖井横截面积对其排烟效果的影响;然后，通过数值模拟技术，对全尺寸隧道自然排烟特性开展了研究，主要针对隧道自然排烟竖井的横截面长宽比、隧道坡度两部分，研究了不同竖井截面长宽比下自然排烟效果以及坡度对隧道内烟气运动的影响。论文的具体研究内容可以分为以下几个方面: 　　国内外学者对隧道内机械排烟条件下火灾烟气的控制研究比较深入，但对于竖井自然排烟的研究则相对较少，本论文在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的1∶6小尺寸隧道实验台上进行实验研究。在不同的火灾规模和竖井尺寸下，通过分析竖井排烟量、出口处CO浓度以及烟气温度等参数的变化，来研究竖井形态对自然排烟效果的影响。结果表明，烟气在竖井内的运动状态与竖井横截面尺寸密切相关，竖井横截面尺寸适中才能达到最佳的排烟效果，尺寸太小排出的烟气量比较少，太大排出的烟气中空气含量增大反而会降低排烟效果。而且，竖井的放置方式对自然排烟效果有很大的影响，火源功率小时，小尺寸竖井纵向放置比横向放置排烟效果要好，火源功率大时，尺寸大的竖井横向方式比纵向放置排烟效果要好。　　为了能进一步分析竖井横截面形状对自然排烟特性的影响，本文采用火灾常用CFD数值模拟软件FDS大涡模拟方法对全尺寸隧道进行数值模拟。本文固定竖井的横截面积，改变截面的长宽比，通过分析竖井排烟过程中的CO浓度、排烟速度以及隧道内温度、速度分布等参数，来研究竖井排烟模式的改变。结果表明，随着竖井横截面长宽比的增加，竖井排烟模式相应发生改变。当竖井横截面长宽比达到一定值时，热烟气粘附到竖井上游壁面并通过上游排出。热烟气通过竖井以粘附溢流的形式排出，此时可以近似的把热烟气运动过程看成二维线性羽流运动过程。来自隧道底部的冷空气直接贯穿整个竖井，导致竖井排烟效果大大降低。因此，将较大横截面长宽比的竖井分隔成几个较小长宽比的竖井，不仅抑制过量冷空气通过竖井排出并且能增加热烟气量的排出。　　对于特长公路隧道，由于隧道坡度的存在，隧道两端出口的高度差会非常大。当隧道内发生火灾时，由于两端出口的高度差、高温烟气在运动过程中的浮力作用、隧道内外温度差及气压差将导致隧道火灾时高温烟气沿倾斜隧道蔓延扩散的类似“烟囱效应”现象。本文采用大涡模拟的方法，在一定火源功率下，通过改变隧道倾斜坡度研究坡度对隧道自然排烟的影响。在一定的火源功率、火源位置以及竖井自然排烟情况下，分析研究坡度对隧道烟气运动的影响，定量分析在特定火灾工况时火灾烟气无量纲回流距离与修正Froude数之间的关系。结果表明，无量纲回流距离与修正Froude数符合非线性关系。
作者：	韩见云
专业：	安全科学与工程
导师：	纪杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文