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原文传递地铁隧道/列车双狭长受限空间火灾烟气蔓延与特征参数演化规律

论文题名：	地铁隧道/列车双狭长受限空间火灾烟气蔓延与特征参数演化规律
关键词：	地铁火灾;烟气蔓延;列车车厢;双狭长受限空间;温度衰减;烟气溢流
摘要：	近年来，为了解决城市化带来的日益严重的城市道路交通拥堵问题，地铁系统在我国各大城市得到了广泛建设。然而，地铁系统结构复杂、地下空间狭长且封闭、人员密度大，导致地铁火灾可能会发展成重大伤亡事故。目前，前人关于地铁火灾的研究大都是针对隧道火灾开展的。而在实际情况中，地铁列车可能因火灾事故导致动力系统故障而停靠在区间隧道内，乘客通过一侧开启的车门和纵向疏散平台向安全区疏散。此时，两端开口区间隧道同单侧多开口列车车厢共同构成了一种特殊的双狭长受限空间，内部的火灾烟气蔓延行为与传统的隧道火灾存在较大差异，隧道火灾动力学中关于烟气蔓延的理论模型可能不再适用。本文基于地铁隧道/列车车厢的双狭长受限空间火灾场景，通过采用缩尺寸模型实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，主要开展了以下三个方面的研究: 　　1.研究了自然通风隧道内不同火源功率和火源位置条件下车厢火灾烟气温度分布特性，获得了车厢顶棚下最高温升的经验预测关系式。首先，通过开展缩尺寸模型实验，对比分析了车厢端部封闭、侧向多开口的结构特征对车厢内烟气温度分布特性的影响。结果表明，在不对称流场和车厢末端壁面的影响下，经典隧道火灾动力学中关于顶棚下方温度的预测模型不再完全适用。在此基础上，通过开展全尺寸数值模拟，进一步系统分析了车厢内火源纵向位置的变化带来的影响。研究发现，当火源由车厢中心向末端偏移时，火焰偏移侧区域温度上升，火焰向偏移侧倾斜。存在一个临界火源位置，当火源偏移距离小于0.67倍的车厢半长时，车厢顶棚下最高温度受火焰倾斜主导;反之则受近壁端热反馈的主导。基于量纲分析，以车厢中心和临界火源位置为参考点，建立了车厢顶棚下最高温升的分段经验预测关系式。最后，验证了不同火羽流撞击车厢顶棚状态下的纵向温度符合双指数衰减模型。　　2.研究了纵向通风隧道内纵向风速、火源功率和火源位置对车厢火灾烟气蔓延行为的影响，建立了车厢火源上/下游顶棚下方纵向温度衰减的无量纲预测模型。在列车自身的阻塞作用下，车厢顶棚下最高温升随火源偏移距离的增加指数上升，并且与纵向风速呈-1/4次方的幂函数关系。基于火焰的倾斜特性，提出了局部等效风速的方法，得到了弱羽流撞击车厢顶棚状态下纵向中心线上最高温度点位置的预测模型。基于单指数温度衰减模型，发现不同工况下火源下游的纵向温度衰减具有统一的形式。上游烟气前锋越接近车厢端壁，壁面热反馈的影响越为显著，温度衰减越慢。根据热反馈对烟气温度的影响程度提出了临界烟气逆流长度的概念，通过对比烟气逆流长度、车厢半长和火源偏移距离的大小关系进而将上游纵向温度划分为三个衰减区域。最后，通过积分比法对火源下游不同位置处的烟气层高度进行了分析，发现不同工况下一维蔓延状态下的烟气层高度保持一致，但均低于临界安全高度的要求。　　3.研究了自然/纵向通风条件下车厢火灾烟气溢流及隧道内烟气温度在空间上的分布特性，揭示了隧道顶棚下方烟气极大值温度的复杂演化模式。通过对车厢侧向车门处溢流烟气的质量流率、烟气层高度和烟气层温度等溢流特性进行分析，发现不同通风条件下车厢内火灾烟气主要通过近火源区和末端车门溢出至隧道内，隧道顶棚下方存在数量不等的极大值温度。在自然通风隧道内，当火源向车厢中心向末端偏移时，极大值温度呈指数上升，最高温度点位于近火源区。通过将列车车厢火灾视为介于隧道火灾与腔室火灾之间的一种火灾场景，提出了等效虚拟火源的概念，进而探讨了隧道顶棚下最高烟气温升与车厢溢流烟气热流之间的关系。在纵向通风隧道内，隧道顶棚下烟气温度在空间及时间上的分布特征与纵向风速和火源功率有关。当纵向风速相对于火源功率较小时，隧道顶棚下烟气层填充速率大于扩散速率，烟气温度单调上升，隧道顶棚下存在多个极大值温度，最高温度点随纵向风速的增加逐渐从下游近火源区向车厢末端偏移。反之，烟气温度则几乎保持不变，隧道顶棚下温度仅存在下游车厢末端处的单个极大值点。基于量纲分析与实验结果，给出了隧道顶棚下最高温升与车厢顶棚下最高温升之间的线性比例关系。
作者：	从伟
专业：	安全科学与工程
导师：	张和平;程旭东
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2022