纵向通风与竖井自然排烟下隧道火灾烟气特性实验研究

中国逐渐发展成为世界上隧道和地下工程最多的国 家,其长隧道数量和长度跻身世界前列。据统计,火灾中85%的 人员死亡是由热烟气造成的,目前隧道中采用较为广泛的排烟系 统有纵向排烟系统、集中排烟系统和横向排烟系统,而针对长隧道 来说,我国广泛采用的是竖井式纵向通风,因此,研究纵向通风与 竖井排烟综合效应下隧道火灾烟气流动特性及温度分布规律具有 重要意义。本文建立了1：10 缩尺寸竖井隧道模型,主隧道长度 16.5 m,宽度1.3 m,高度0.65 m;竖井通过排烟横通道与主隧道 连接,排烟横通道设置在主隧道侧面中部,尺寸为1.2 m 长、0.6 m 宽、0.4 m 高;竖井横截面为半径0.6 m 的1/4 圆,高4.6 m。在 竖井隧道模型中开展了一系列油池火实验,选取2 种方形燃烧池 （20 cm×20 cm、23 cm×23 cm）作为火源,设置2 个纵向火源位置 （位置A：火源中心线与排烟横通道中心线距离0.375 m;位置B： 火源中心线与排烟横通道中心线距离1.375 m）,7 种纵向通风风 速（0,0.18,0.27,0.35,0.44,0.52,0.69 m/s）,定量分析不同工 况下温度分布及烟气逆流长度。研究结果表明：当无纵向通风时, 火焰与隧道地板垂直,且呈轴对称形态;当有纵向通风时,火焰向 下游偏移,且纵向通风风速越大,火焰向下游偏移越明显;当纵向 通风风速为0 m/s 时,由于竖井的存在,火源上、下游两侧烟气温 度分布并非对称,火源下游（竖井侧）烟气温度下降速度较快,与单 洞隧道烟气温度分布明显不同;随纵向通风风速增加,烟气逆流长 度和烟气温度减小,而最大温度偏移距离整体呈增加趋势;当无量 纲纵向通风风速v′＜0.19 时,主隧道最大温升△Tmax 与Q2/3/ Hef 5/3 呈正比,而当无量纲纵向通风风速v′＞0.19 时,主隧道最大 温升△Tmax 与Q? /(vb1/3Hef 5/3)呈正比,但常数系数均小于Li 等预 测模型中的常数系数;竖井隧道内无量纲纵向烟气温度分布符合 Fan 和Ji 等建立的纵向温度衰减模型,衰减系数k′在1.36~1.63 范围内变化,但其值明显大于单洞隧道纵向温度衰减系数k′;另 外,当火源位于位置A 时,最大烟气温度低于火源位于位置B 时 的最大烟气温度,无量纲纵向烟气温度衰减速度慢于火源位于位 置B 时衰减速度。     

通过模型试验与数值模拟对隧道火灾烟气控制策略的研究

为满足隧道火灾安全体系研究方面的需要,本文以中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的隧道试验台为对象,进行了比例模型隧道火灾试验,并利用Fire Dynamics Simulator(FDS)软件对该实验在不同纵向风速控制条件下的火灾烟气层沉降速度进行了计算机模拟,通过试验与模拟结果的对比,给出了不同纵向通风速度下,隧道火灾时烟气层沉降速度的变化规律,并提出了烟气分层化临界风速这一概念,为隧道火灾的控制、救援和人员疏散提供了一定的参考价值.     

秦岭终南山公路隧道火灾试验竖井通风的研究

为了弄清设有竖井的长大隧道发生火灾时隧道内温度及烟流的分布规律,在长大隧道发生火灾时能制定合理的隧道火灾救援方案,特进行秦岭终南山公路隧道火灾试验坚井通风的研究,此次试验按照流变规律模拟隧道火灾情况,进行三种火灾规模在三处位置的火灾实验,通过实验得出火灾时隧道内温度与火灾规模成正比,火灾火源点的最高温度与竖井的高度成正比关系,火灾的持续时间与竖井的高度成反比关系,找出了竖井通风情况下隧道火灾时温度纵向分布的规律。为隧道火灾时救援方案的制定提供依据。     

纵向通风隧道内火灾烟气流动的控制

讨论了纵向通风隧道火灾和相关烟气形成现象。利用计算机流体动力模型模拟烟气流动，获得可以与试验数据进行比较的预测结果。在Richardson数字基础上，采用了不同参考稳定值，结果发现，直接利用火灾热释放速率所获得的温度值会产生最有用的结果。试验结果与数值预测结果的比较发现，两者吻合较好。笔者验证了利用容积测定火源模拟火灾的情况。结果的准确性很大程度上取决于对墙和屋顶的热传递。     

海拔高度对公路隧道火灾烟气分布特性影响研究

高海拔地区存在大气压力低、空气密度小、含氧量低等特点,对公路隧道火灾燃烧和烟气扩散的影响与平原地区隧道有显著差异。为了得到不同海拔高度条件下公路隧道内火灾烟气扩散特性和温度场分布规律,依托米拉山高海拔特长隧道,采用FDS计算软件,对海拔0~ 6 km范围内不同海拔高度的隧道火灾进行三维数值模拟计算。分析不同海拔高度条件下火灾烟气逆流长度、隧道拱顶温度、距地面1.8 m高度处温度分布、隧道竖向温度分布等主要参数。研究结果表明:随着海拔高度的增加,火源上游区域烟气逆流长度不断减小,烟气逆流长度与海拔高度大致呈线性关系,海拔6 km情况下烟气逆流长度为平原地区的57%;与平原地区隧道相比,高海拔地区隧道火源上游区域温度较低,火源下游区域温度较高,高海拔隧道火源下游区域烟气温度降低幅度较大;火源下游区域,高海拔地区隧道竖向温度增长较快。     

通风条件对建筑竖井烟气运动的影响模拟

选择典型的竖井建筑结构形式,重点研究不同风速下烟气从燃烧室向竖井中迁移的规律。结果表明,在燃烧室内,风速大于0.5 m/s时CO体积分数和温度变化均非常小;风速小于0.5 m/s时,CO体积分数和温度骤降,形成明显的梯度差;在竖井中,CO浓度先上升后下降,温度逐渐下降,风速对CO的影响和燃烧室内的相同。建议该模型的最佳机械排烟风速为0.5 m/s,可以保证安全,同时实现最佳的经济效益。     

火源—竖井间距对自然通风隧道火灾烟气流动特征的影响

通过数值计算,研究顶部开口自然通风隧道火灾火源–竖井间距对烟气流动特征与竖井排烟效率的影响。考虑因素有火源–竖井间距、竖井断面尺寸。结果表明：随着火源–竖井间距的增大,竖井前方来流烟气的质量流量增大,且竖井的排烟效率逐渐降低,竖井内空气卷吸量减少;当火源–竖井间距较小时,竖井更有利于排出更多的热量,竖井后方的温度降低幅度更大,烟气可以被控制在更小的范围内。此外,随着竖井截面尺寸的增大,竖井的排烟效率增加,且增大竖井的宽度更有利于增加竖井的排烟量。因此建议当相邻竖井的间距较大时,可适当增加竖井的截面尺寸和竖井高度。     

隧道火灾烟气回流与临界风速模型试验

总结国内外隧道火灾纵向通风排烟下抑制烟气回流临界风速的研究现状和规范规定.通过FDS数值模拟和缩尺寸模型试验对临界风速与隧道坡度的关系进行对比分析,得出结果认为,数值模拟和模型试验结果基本符合;在同一个坡度下,纵向通风速率与回流长度近似成线性关系;当坡度为零时,抑制烟气回流所需临界风速较大.     

横截面形状和坡度对隧道火灾烟气分布影响研究

通过数值模拟建立了7种不同横截面形状的全尺寸跨座式单轨隧道模型,研究隧道横截面形状和坡度对隧道火灾烟气蔓延的影响.研究发现长方形隧道顶部温度普遍较高,其次为带有拱顶的隧道,正方形隧道顶部温度普遍较低,圆形隧道底部温度最低.在大火源功率条件下,坡度对临界风速的影响较小.离火源较远的位置,坡度对排烟效果的影响更加明显:随着...     

烟囱效应作用下竖井型隧道火灾时的烟气扩散

运用FDS对不同烟囱高度的竖井型隧道着火时烟气扩散情况进行模拟,得到隧道内温度和CO体积分数的变化特征及烟气纵向蔓延规律和沉降规律.结果表明,竖井型隧道采用自然通风能起到很好的排烟效果.火源正上方产生的高温对隧道顶棚结构具有较大的威胁,但火源附近安全高度处烟气温度迅速降到环境温度,不会对人员安全疏散构成威胁.安全高度处CO体积分数随时间的增加呈上升趋势,且随着与火源距离的增加先增加再降低至0.在300 s内各处烟气均没有降到安全高度1.75m以下,对人员疏散影响较小,人员有足够时间疏散至敞开段.     

Maximum temperature of smoke beneath ceiling in tunnel fire with vertical shafts

To assess the impact of heat smoke in tunnel with vertical shafts, the maximum temperature of smoke beneath ceiling is researched theoretically and experimentally in this paper. A theoretical prediction model for maximum temperature of smoke beneath ceiling is built using dimensional analysis. A numerical model is built and calibrated with the full-scale experiment data. The calibrated numerical model is used to simulate the maximum temperature of smoke under different conditions with different shaft geometry. At last, the proposed theoretical model was formulated and compared with Kurioka model, experimental data and simulation data. The results show that the proposed theoretical model can give a better prediction for the tendency. It can be used to predict the maximum temperature of smoke beneath ceiling of tunnel with vertical shafts by taking the shaft geometry and arrangements effect into account.     

环形公路隧道火灾集中排烟试验研究

针对目前国内环形公路隧道的特点,通过全尺寸环形公路隧道实体火灾试验,考察了环形公路隧道发生火灾时采用集中排烟方式的排烟效果,分别对上坡和下坡两种工况进行分析,获得了集中排烟的具体方式和参数,结果证明在环形公路隧道火灾中采用集中排烟方式能够有效控制隧道中的烟气,可为人员安全疏散和火灾救援赢得时间,试验可以为相应环形公路隧道防排烟标准制订提供参考.     

顶部开口自然通风隧道火灾竖井排烟效率研究

通过数值计算方法,研究了顶部开口自然通风隧道竖井的排烟效率。考虑了火源热释放速率、竖井高度、长度和宽度及竖井位置的影响,并与竖井排烟效率计算模型进行对比。研究结果发现：竖井的排烟效率随竖井高度的增加而略微增大;竖井的排烟效率基本不随火源热释放速率的变化而变化;随着竖井长度和宽度地增加,排烟效率大幅增加;此外,当竖井位于顶棚中央时,排烟效率较位于顶棚一侧的排烟效率高,且烟气控制效果好。此外,竖井排烟效率模型可以较好地预测不同竖井尺寸和位置的排烟效率。     

纵向通风与侧壁开口竖井自然排烟协同作用下烟气运动模拟

为探究山岭隧道火灾烟气运移特性,采用数值模拟的方法,选取两种典型火源功率(20 MW及50 MW),分析不同纵向风速下火源位置对隧道顶棚下方沿程温度分布规律、烟气运移速率及竖井内烟气质量流量的影响规律.研究结果表明,纵向风速低于3m/s时,不同火源位置时,火源上游沿程温度均随纵向风速增加逐渐降低,而下游沿程温度随纵向风...     

纵向通风下隧道内重石脑油燃烧温度分布与火焰倾角研究

搭建了1:10的缩尺寸隧道模型,考虑不同火源功率和纵向风速开展了纵向通风下隧道内重石脑油燃烧的试验研究,测量了隧道内顶棚下方纵向温度分布,并量化了火焰的倾斜角度。结果表明：随着纵向通风风速的增加,隧道内温度整体呈降低趋势,顶棚下方最高温度逐渐减小,进而提出了纵向通风下隧道内重石脑油燃烧时顶棚下方最高温度的估算模型。火焰倾斜角度随纵向风速的增加而呈增加趋势。当纵向风速较低（小于1 m/s）时,随着纵向风速的增加火焰倾斜角度明显增大;当纵向风速较大（大于1 m/s）时,纵向风速对火焰倾斜角度的影响不明显。     

翔安海底隧道左线现场热烟测试

阐述了翔安隧道左线进行的热烟测试,包括试验方法、工况设置、测量数据的确定与分析,试验同时采用了甲醇和汽油两种燃料.试验发现,火灾初期烟流速度较小,翔安隧道采用的分段纵向排烟方式可以有效控制烟气扩散,为了保证人员疏散安全,隧道风机系统应按照火情发展合理组织运行.     

高海拔隧道全尺寸火灾烟气及温度场特征试验研究

通过对海拔为4100m的高海拔隧道进行全尺寸火灾试验,揭示高海拔隧道火灾烟气下沉及温度场变化特征。试验采用三种不同尺寸火源(0.8m2、1.0m2、2.0m2),对隧道火灾烟气蔓延特征、火区最高温度、隧道拱顶纵向温度分布进行研究。试验研究结果表明：隧道火灾试验初期及燃烧稳定阶段,火源附近隧道上层烟气与下层冷空气分界明显,火灾后期烟气下沉严重;较小风速有利于高海拔隧道小规模火灾烟气逆流层纵向和垂向蔓延的控制。隧道火灾温度场研究表明：隧道火灾温升速率随火源热释放率增大而增加;火源附近20m范围内温度衰减速率较快,远火源区域隧道拱顶纵向温度衰减较慢,趋于平缓;通过对火源上方拱顶烟气温度分析,发现隧道火灾探测采用差温报警模式较定温报警模式更加有效,并得出10℃/min的温升速率可基本满足高海拔隧道小规模火灾的初期报警;隧道拱顶纵向温度分布规律导致火源远场烟气下沉严重而近火源区域烟气层化较好的特征。高海拔隧道火灾温度分布特性试验研究,可为高海拔隧道火灾动力特性研究提供依据,为高海拔隧道人员疏散逃生提供指导及建议。     

城市地下车道纵向通风条件下火灾蔓延规律研究

以城市地下车道为例,利用FDS进行火灾数值模拟,研究火源功率为15 MW和30 MW,纵向通风速率分别为1、2、3、4 m/s的情况下,地下车道内火源附近、顶棚和车道上方2 m高度处温度场的纵向分布规律以及各工况下的烟气蔓延状况.结果表明:随着纵向通风速率的增大,地下车道内温度逐渐降低,烟气影响范围逐渐减小;随着火源功率的增大,地下车道内温度逐渐升高,烟气影响范围逐渐增大.宜按最不利火灾荷栽设计地下车道纵向通风风速.