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原文传递施工隧道火灾烟气输运特性实验研究与分析

论文题名：	施工隧道火灾烟气输运特性实验研究与分析
关键词：	施工隧道;火灾烟气;输运特性;模拟实验
摘要：	随着社会经济的突飞猛进和交通行业的迅速发展，各类隧道的规划、建设和开通的规模越来越庞大。隧道在为人们生活带来便利的同时，本身存在的火灾隐患也对其中的消防安全提出了不小的挑战。隧道施工过程中存放的施工机械设备、电焊加工、运输车辆等火源一旦引发火灾，不仅难以扑灭，而且伴随火源猛烈地燃烧产生的高温、有毒环境往往会造成隧道内结构损毁严重、人员疏散困难乃至窒息死亡等恶劣后果。　　多年来国内外专家学者针对隧道火灾及烟气控制等方面进行了充分的研究，对通风系统设计、烟气控制策略及人员救援疏散都有着重要指导价值。以往的研究多数基于运营隧道，而对施工隧道火灾烟气扩散规律及烟气控制研究相对较少。本文以千石岩隧道曹家地施工段为研究原型，根据Froude相似准则，搭建施工隧道火灾1:20缩尺模型实验台。针对不同火灾强度、火源位置、火源高度，完成45组对比实验工况，对施工隧道火灾烟气扩散特性展开深入研究。主要研究成果如下: 　　分析了近封堵端位置处火焰燃烧过程中形态的变化规律，结果表明:火灾强度增大时使得火羽流向封堵一端倾斜更快，角度更大，造成火焰“贴壁”现象。使火源远离封堵端面或抬升其高度，对火焰“贴壁”现象有一定削弱作用。　　通过片源激光照射，观察得到了主洞隧道内烟气动态扩散规律:顶棚下方烟气碰撞下游封堵端面后惯性折返，产生回流烟气层，烟气层厚度迅速增加从而加速了烟气沉降。基于视觉观察烟气层高度变化，结合了N-百分比法预测烟气层温度分层高度，验证了N值为10来描述烟气扩散沉降规律的可行性。总结了火灾下游各处烟气沉降到0.1m高度的时间，分析了火源位置、火源高度及火灾强度等因素对烟气沉降时间的影响作用，为对应情形下的人员疏散提供参考。　　基于缩尺模型实验结果，对各工况下准稳态阶段顶棚下方最高烟气温升及烟气温升纵向衰减特性进行研究。将本文实验中所得实测值与前人基于两端开敞、一端封堵及两端封堵隧道的火灾研究的成果进行对比分析，总结得出施工隧道火灾相较于传统隧道火灾的差别与特点:两端封堵+狭长斜井结构的施工隧道发生火灾后存在更明显的热量积聚效应，顶棚下方最大烟气温升ΔTmax更高，造成的危害更大。引入无量纲距离d进一步描述火源纵向位置及高度对ΔTmax大小的影响，建立了本文实验中ΔTmax与无量纲热释放速率Q的无量纲关联式，整体预测误差在10％左右。　　依据前人提出顶棚下方烟气纵向分布呈指数规律衰减的结论，将本文顶棚下方烟气温度分布进行无量纲表示。实验值与前人提出的烟气纵向衰减模型值进行对比，隧道结构及通风条件等因素导致不同情形下的烟气衰减规律不尽相同，提出了适用本文中施工隧道火灾上游、下游及斜井烟气纵向衰减的预测模型，整体预测误差在25％左右。　　通过研究施工隧道火灾，对其发生时烟气的动态扩散过程及最高温度、温度纵向分布等特性进行深入了解与研究，有利于为人员的安全疏散、施工隧道火灾发生时防护与控制及消防系统设计与布置提供指导意见。
作者：	赵英浩
专业：	供热、供燃气、通风及空调工程
导师：	徐琳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2022