超高海拔隧道火灾燃烧与烟气温度现场模型试验研究

随着我国川藏铁路和高原公路的不断修建,超高海拔地区“三低”环境特征将对高原隧道火灾燃烧和烟气扩散特性产生严重影响。文章采用移动模型隧道火灾试验平台对成都平原、海拔3544m、4103m超高海拔山区在相同油盘尺寸和燃料体积条件下,火灾燃烧和烟气温度分布进行现场试验研究。研究结果表明：随着海拔高度的增加,火灾热释放率和火源区拱顶温度不断下降,燃烧时间明显增长;与平原地区相同火灾规模相比,超高海拔隧道火源区拱顶温度略有下降;超高海拔地区拱顶纵向温度衰减速率显著低于平原地区,火灾高温烟气热浮升力效应在超高海拔隧道内更突出。     

高海拔隧道火灾烟气及温度场数值模拟研究

采用FDS 建立典型双车道公路隧道，对海拔高度为500、4 000 m 的公路隧道发生火灾时的烟气蔓延特征及温度分布规律进行数值模拟分析，以得到低压、低温、低氧含量等高海拔环境对公路隧道火灾发展的影响规律。结果表明：相比较平原地区隧道，高海拔地区公路隧道火灾烟气最高温度更低，火焰高度更高，且近火源区的拱顶最高温度升温速度明显大于远火源区；在同等火灾热释放速率下，高海拔地区隧道内烟气一维纵向蔓延长度更大，且近火源区隧道上层高温烟气与下层冷空气界限较为分明，而远火源区则逐渐出现较为明显的烟气下沉现象。     

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。     

火源高度对隧道烟气温度及质量流量影响研究

由于隧道发生火灾后实际的燃烧面要高于隧道地面,距离隧道拱顶也越近,因此对隧道的危害也越大。通过CFD数值模拟软件进行了一系列不同火源功率的全尺寸数值计算,研究了火源高度对隧道内温度分布及烟气质量流量的影响。研究发现:火源高度对拱顶温度分布有着明显的影响,火源高度越高,火源附近温度衰减越慢;在远离火源的地方,不同火源高度的拱顶温度衰减相差不大,考虑火源高度后拱顶温度衰减略慢于没有考虑火源高度。火源高度及火源功率对一维蔓延阶段的烟气质量流量有影响,考虑火源高度后烟气质量流量要明显小于火源位于隧道地面的情形,但随着火源功率增大,它们之间的区别越来越小。考虑火源高度后相同火源功率下烟气分层高度显著提高,而人体耐受温度位置变化不大。     

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.     

海底公路隧道火灾数值模拟

利用FDS对某海底公路隧道进行研究,分析典型火灾条件下,纵向通风对热烟气逆流距离、隧道顶部温度以及隧道内横通道风流变化的影响。结果表明,在0.25 m/s的火灾初期通风条件下,热烟气逆流距离和火源附近拱顶温度超过安全临界温度的范围随火灾规模增大而增大;在3 m/s的灭火期通风条件下,两者随着纵向通风风速增加而减小;隧道内横通道风速先增大,后减小。     

无纵向通风曲线隧道和直线隧道火灾烟气特性数值模拟

基于数值模拟的方法,采用PyroSim 软件搭建半径分别为250、300、400、500、600 m 的曲线隧道模型及长度为130.8 m 的直线模型,模拟隧道火灾发生后无纵向通风时的烟气运动,对比分析两种模型中心线上不同高度的烟气温度。模拟分析得到：火灾前期,直线模型中烟气蔓延时基本关于隧道中心线对称,而曲线模型中烟气运动时在上游偏向凹壁下游偏向凸壁;达到稳定状态时,直线模型中火源正上方温度高于曲线模型,无论近火源区还是远火源区,直线模型温度纵向分布关于火源位置均具有很好的对称性,而曲线模型中表现为近火源区波动较大,远火源区温度衰减梯度大于直线模型,1.6 m 高度上游温度衰减梯度大于下游;提出曲线模型中顶棚温度纵向衰减指数模型。     

竖井送排式通风隧道火灾温度分布特征模型试验研究

通过竖井送排风式纵向通风方案下的小尺度(1:50)隧道火灾模型试验,研究火灾时隧道拱顶及火源前后隧道中心线不同高度处的温度分布特征。试验结果表明:风机启闭状态对隧道拱顶各测点最高温度的影响明显;火灾发生在短道时,正常运行时1号热电偶树上各测点温度自上而下温度依次升高,温度整体较低,关停工况下时则相反,关停工况时烟气未下降至3号热电偶树底部;火灾发生在进口端时,关停工况时火源向下传递热量的能力略微下降;火灾发生在出口端时,正常工况时1号热电偶树各点温度特征规律性较差,而关停状态时较好,送风轴流风机对出口端火灾的影响更大。基于温度分布特征及试验中观察到的火灾烟气蔓延规律,建议了分水岭隧道火灾时的洞内风流组织。     

公路隧道不同坡度疏散通道烟气运动模拟

运用FDS软件,基于大涡模拟对隧道内疏散通道的烟气特性,以及疏散通道坡度对烟气蔓延产生的影响进行数值模拟。在总结前人的隧道火灾烟气特性研究成果的基础上,分析火灾时疏散通道内烟气蔓延、纵向温度场分布以及拱顶温度变化规律。结果表明:在自然通风情况下,坡度越大,对疏散通道内烟气蔓延的影响越大;坡度在0～5%范围内存在一个临界值,临界值以上烟气温度衰减沿疏散通道方向随坡度增大而加快;临界值以下烟气温度衰减随坡度增大而减慢。研究结论将有助于隧道防排烟工程的设计和管理。     

大断面道路隧道火灾初期规律足尺试验研究

为研究火灾初期时大断面道路隧道内温度及烟气流动特性,在三车道大断面试验隧道内进行了足尺火灾试验。试验考虑了0.5 MW、1 MW及5 MW三个等级的火灾规模;试验纵向风速范围为0~2 m/s。试验结果表明:在火灾发展初期,火灾规模和纵向风速是影响大断面道路隧道内温度场分布及烟气扩散的重要因素;隧道火灾产生的高温烟气趋于向拱顶扩散,故隧道横截面高温区域分布于隧道上部空间,靠近地面的空间温度则较低。火灾规模越大,隧道横截面的高温区域范围越大。大断面隧道因隧道内空间较大,有利于烟气扩散和人员逃生。然而,火灾预警的角度考虑,大断面隧道需多在关键截面上设置温度传感器和摄像头,以获得更为有效的火情信息来组织灵活的疏散逃生方案。     

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。     

城市V形坡隧道火灾最高温度数值模拟

采用FDS 数值模拟方法,对V 形坡隧道火灾时烟气运动特性及隧道纵向中心线上温度分布情况进行研究,并提出不同火灾位置时顶板最大温升参数经验预测模型。结果表明,火源位于变坡点右侧120 m 时,隧道纵向中心线峰值温度点向下游偏移,偏移距离随坡度的增加而增加,隧道顶板最高温度随坡度的增加而减小。通过推导无量纲火源位置与变坡点距离不同时的最大温升参数预测模型得出,无量纲最大温升参数随无量纲火源位置的增大而增大、与无量纲热释放速率的0.8 次幂成正比,且与隧道坡度呈非线性非单调关系。     

高海拔双向行车公路隧道火灾控烟风速研究

雀儿山隧道为高海拔双向行车公路隧道,发生火灾后需要兼顾火灾点两侧人员的疏散,烟气控制较单向行车隧道复杂。采用FDS软件对雀儿山隧道进行火灾三维数值模拟,研究了高海拔双向行车公路隧道火灾时的烟气流动规律和能见度分布规律。研究结果表明:高海拔隧道火灾烟气流动比低海拔隧道速度快;纵坡隧道发生火灾时,若不采取任何控烟措施,烟流在火风压效应的作用下会从高洞口排出,而烟流沿下坡方向的蔓延距离仅在10 m左右,火灾烟气沿火灾点两侧蔓延极不对称;当隧道高洞口控制风速过大或横通道内控制风速过小时,易出现烟气蔓延对称性不佳或烟气窜入横通道,故二者应合理取值;当隧道高洞口施加0.5 m/s的风速、横通道施加1.0 m/s的风速时,烟气在火灾点两侧基本呈对称蔓延,且火灾两侧的能见度也基本对称;建议类似于依托工程的单洞双向行车公路隧道火灾疏散救援阶段,隧道高洞口风速控制在0.5 m/s左右、横通道内风速控制在1.0 m/s左右,以利于人员逃生。     

汕头海湾隧道消防减灾设计研究与应用

以汕头海湾隧道工程为依托,通过调研相关规范和工程实例、同步开展火灾实验和数值模拟分析,对消防减灾设计中的火灾规模、控烟排烟模式、自动报警及消防灭火措施等几个关键技术难题进行了应用研究。结果表明,当隧道设置自动灭火系统时,即使隧道允许货车拖车通行,火灾规模也可按50 MW进行设计;当隧道采用集中排烟模式时,隧道顶板温度低于900 ℃,烟气蔓延范围小于300 m,温度影响范围为火源两侧10 m,能见度影响范围为火源两侧5 m,CO体积分数小于临界危险值5×10-4,疏散环境良好;当隧道设置两种不同的火灾探测器时,60 s内可完成报警,水下长大隧道应设置消火栓、灭火器和自动灭火系统,优先采用泡沫-水喷雾联用灭火系统,消防时3个灭火分区同时动作。