隧道坡度对临界风速影响的数值研究

临界风速即隧道火灾过程中能有效控制烟气于火源下风方向而不发生逆流的最小纵向通风风速,是隧道火灾烟气控制的关键所在.根据国内外的研究结果,临界风速与火灾规模、隧道规模以及断面形状等因素有关.在坡度隧道中,由于坡度的作用,使得坡度隧道临界风速与水平隧道有着一定的差别.利用火灾动力学模拟软件(FDS)对隧道坡度在0°～10°变化时上坡隧道与下坡隧道所对应的隧道临界风速进行数值模拟分析,研究分析了隧道坡度对隧道临界风速的影响规律.     

Y型合流分岔隧道临界风速计算模型

临界风速是Y型合流分岔隧道能否有效抑制烟气侵入分岔支路的重要参数。为确定Y型合流分岔隧道临界风速计算公式,对影响Y型合流分岔隧道临界风速的相关因素进行量纲分析,推导出临界风速与火源热释放率、主分隧道高度比、连拱长度及隧道分岔夹角这4个因素的无量纲函数关系式。通过数值模拟得到临界风速最大的火源位置,并对上述4个影响因素进行了量化分析。结果表明:火源距分岔段隧道洞口15～25 m时临界风速最大;当无量纲火源热释放速率小于0. 3时,隧道临界风速与火源热释放率呈现1/3次方关系,当无量纲火源热释放速率大于0. 3时,隧道临界风速不再随火源热释放速率增加而增加;临界风速与分岔隧道高度比近似成-3/10次方关系,与分岔夹角成-3/40次方关系,而与连拱长度无关。进而得到分岔隧道临界风速的无量纲计算模型,且与数值模拟结果吻合良好。     

坡度对跨座式单轨隧道临界风速的影响

为研究不同坡度隧道在大功率火源情况下的烟气运动,采用1∶20的缩尺隧道模型,通过试验对不同坡度情况下(-6%,-3%,0%,3%,6%)的大火源功率火灾(20,50 MW)时的隧道纵向通风临界风速进行研究。结果表明:0%坡度时,20 MW和50 MW的临界风速相差不大;有坡度时,逆坡送风的临界风速大于顺坡送风的临界风速。根据试验结果拟合得出大火源功率(20,50 MW)条件下坡度为-6%至6%时的临界风速与坡度的关系,并对前人提出的坡度与临界风速的关系式进行修正。     

分岔隧道火灾火源位置对临界风速影响的数值模拟分析

为探究分岔隧道火灾火源位置对临界风速的影响规律,使用数值模拟方法对火源位于分岔隧道分岔口前和分岔口后的火灾场景下的临界风速进行研究.研究结果表明:火源位于分岔口后的主隧道时,临界风速明显大于火源位于分岔口前的临界风速;在一定范围热释放速率下,分岔隧道临界风速与热释放速率的1/3次方成正比;在分岔隧道模型中,相同热释放速...     

侧部点式排烟隧道火灾临界风速研究

为得到侧部点式排烟模式隧道火灾临界风速无量纲计算式,针对隧道侧部点式排烟模式,根据π定理和相似理论,采用量纲分析方法分析影响临界风速的相关因素,推导出影响临界风速3个因素的无量纲函数关系式;采用数值模拟方法,确定临界风速与火灾热释放速率、排烟量、排烟口距火源距离的量化关系。研究结果表明:当无量纲排烟口距火源距离小于2.22时,临界风速随排烟口距火源距离的增大呈1/25次方的增长关系,随排烟量的增大呈-3/50次方减小关系;当无量纲排烟口距火源距离大于2.22时,临界风速不再随排烟口距火源距离和排烟量的变化而改变;临界风速始终随火灾热释放速率的增大呈1/3次方增长关系。     

横通道通风对隧道火灾烟气蔓延影响的数值模拟研究

为探究隧道横通道通风对隧道火灾烟气蔓延的影响规律,使用火灾动力学模拟软件FDS,对不同火源位置的横通道临界风速、主隧道温度分布以及烟气层高度进行研究。研究结果表明：在一定火源功率范围内,隧道横通道临界风速与火源功率的1/3次方成正比且火源距横通道越远,临界风速越小;当火源位于交叉口,横通道使用临界风速通风时,隧道内烟气温度明显降低,烟气迅速沉降到2 m以下;当火源距离交叉口10,20 m,横通道通风会加快火源下游烟气沉降,烟气沉降速度随横通道通风速率的增大而增大;当火源位于交叉口时,烟气沉降由横通道通风对烟气的降温作用和涡旋作用共同主导,当火源位于距离交叉口10,20 m时,烟气沉降主要由涡旋作用主导。     

火源功率与隧道阻塞比对临界风速变化规律影响研究

临界风速是隧道进行通风排烟设计的重要参数,为了研究火源功率、隧道阻塞比对临界风速变化规律的影响,采用PyroSim火灾动力学模拟工具与经验公式对比分析的方式。建立隧道缩尺寸模型,并对模型网格尺寸划分进行可靠性校验,发现网格尺寸为火源特征直径的十分之一时最可靠。结果表明:模拟临界风速与理论临界风速相吻合,临界风速随火源功率的增加而增大,当火源功率大于某范围时,临界风速开始趋于稳定;临界风速受到列车对隧道阻塞作用的影响,临界风速随着隧道横截面阻塞比的增加而呈线性减小,在阻塞比达到40%时,临界风速趋于稳定。     

纵向通风条件下对隧道内烟气运动影响因素的实验研究

通过在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室进行的小尺寸隧道火灾实验,研究了不同坡度、火源功率以及纵向烟控风速对隧道内烟气运动的影响。结果表明:隧道坡度、火源功率与纵向烟控风速的大小对烟气层沉降都有着重要的影响。坡度越大烟气所受到的浮升力越大,冷空气的卷吸能力越强,因此烟气降温越快,烟气沉降速度也越快。纵向烟控风速越大,烟气层冷却越快,从而越易沉降。火源功率越小,供给烟气层的对流热量越少,烟气层温度越低,浮力越小,则烟气层越易沉降。     

沉管隧道内车厢火羽流的临界风速研究

为探究纵向通风与侧向集中排烟协同作用下,沉管隧道内车厢火羽流的临界控制风速特征,首先,建立1∶8缩尺寸隧道试验模型;然后,选取3种车厢开口尺寸及9组火源功率,并考虑侧向集中排烟系统开启和关闭2种状态,采集沉管隧道内不同纵向风速下顶棚烟气温度数据;同时,通过火灾动力学模拟软件(FDS)模拟沉管隧道内车厢火羽流的速度场和温度场分布特征;最后,分析临界风速演化的物理影响机制。结果表明：无论侧向集中排烟系统是否开启,隧道顶棚下方烟气最大温升均会随纵向风速增加而下降,同时隧道内烟气逆流长度也会不断缩短直至为0;随隧道内车厢火源功率的增加,临界风速均呈现先增大后不变的趋势;在相同火源功率条件下,侧向排烟系统开启时对应的临界风速明显大于其关闭的情况;在侧向排烟与纵向通风协同作用下,随火源功率增加,沉管隧道车厢火羽流临界风速呈现先增加、后不变的分段函数关系。     

人字坡山岭隧道火灾顶板下方烟气最高温度的研究

隧道顶板下方烟气的最高温度对隧道防火设计有重要影响。采用FDS对人字坡隧道下游坡度为0、-3%、-5%、-8%、-10%、-12%、-15%等场景进行模拟分析,以探讨人字坡隧道内的烟气分布规律,得出顶板下方最高温度沿程衰减与隧道坡度、火源功率之间的关系。结果表明,随隧道下游坡度增加,上游烟气蔓延速率加快。当燃烧处于稳定状态时,人字坡隧道两端的烟气层始终与水平地面平行,与隧道两端的坡度无关;随隧道下游坡度增加,人字坡隧道的最高温度逐渐增加,其温度明显高于单坡度隧道的温度;当坡度达10%时,温度不再受坡度影响。对数值模拟的数据进行拟合,得出最高温度沿长度方向呈指数衰减,与火源功率呈3/4次方关系,进而建立了最高温度变化的预测模型。     

不同火源功率及火源—出口距离对隧道火灾临界风速的影响研究

由于隧道特殊的建筑结构,其发生火灾时的危害性,相比于其他类型的火灾要严重的多。在隧道的消防设计中,运用纵向风排烟是隧道火灾一项重要的消防措施,如何利用纵向风的特性来有效地引导隧道火灾烟气的运动需要进行系统的研究。运用FDS数值模拟的方法进行研究。结果显示,临界风速随着火源功率的增大而增大;并且随着火源与隧道出口距离的增大呈现出线性增长的趋势。对于6.0cm和9.0cm的火灾,临界风速与火源-出口距离关系式分别为 y=0.4+0.14x, y=0.5+0.11x。因此在消防实际应用中,应当充分考虑不同火源功率和火源在隧道中的相对位置对火灾烟气运动的影响,调节不同的排烟风速进行有效、合理的隧道排烟。     

隧道受限火灾合理纵向通风风速范围研究*

为探究公路隧道不同受限程度火灾的适宜纵向通风风速,基于FDS模拟分析5种纵向通风速度下不同近壁距离火源顶棚下方烟气最高温度的分布特性、烟羽流倾角及烟气分层状况,提出合理纵向通风风速范围。研究结果表明:在隧道中心线上近火源下游,顶棚下方的最高温度沿纵向均呈指数衰减。不同贴壁距离和纵向通风风速下,均出现烟气分岔流动,随着贴壁距离减小羽流撞击处温升、火羽流偏移角显著增加。当风速小于1.6 m/s时,火源上游出现大量高温烟气回流;而当风速超过2.4 m/s时,分岔流动现象越明显,各偏移角变小,火源下游逐渐后移的烟气层严重失稳。因此,不同受限程度下火灾合理纵向风速为1.6~2.4 m/s。     

不同隧道坡度与车厢火灾位置情况下烟气蔓延特性研究*

为研究含坡度隧道不同火源位置情况下车厢火灾烟气蔓延特性,采用CFD数值模拟方法,建立全尺寸地铁隧道与列车数值模型,研究车厢不同火源位置情况下火灾烟气纵向温度分布规律,探讨倾斜隧道车厢火源位置对烟气蔓延的影响。研究结果表明:当火灾烟气蔓延处于纵向通风惯性力与热浮力竞争作用控制阶段时,火源位于车厢上游方向时火灾烟气向车厢方向蔓延距离小于火源位于车厢下游方向情况,且随坡度增大,火源位于车厢上游方向烟气逆流长度不断减小,位于下游方向烟气逆流长度不断增大;当纵向通风风速达到2 m/s时,火源位于车厢上下游方向2种情况下,列车车厢方向均无烟气蔓延（逆流长度为0）,此时火灾烟气蔓延将主要由纵向通风控制,隧道坡度无显著影响。     

螺旋隧道火灾特性小尺寸实验研究

为探明螺旋隧道火灾特性,防止人员高温伤害,基于Froude准则,搭建比例1∶67的小尺寸螺旋隧道实验模型,采用模型实验方法研究不同坡度和不同风速下螺旋隧道火灾温度分布规律及烟气蔓延特性。研究结果表明:低坡度条件下,螺旋隧道内高温区以火源为中点呈对称分布状态;随着坡度的增加,隧道内高温区逐渐向下游延伸,火源处拱顶下方温度呈现先增大后降低再升高的变化规律;无论是自然风还是机械纵向通风,新鲜冷空气的吹入对隧道温度的降低起到主导作用,且风速越大,温降幅度越大;随着隧道坡度和自然风速的增加,火羽流由竖直狭长型转变为燃烧不稳定的大截面火焰,同时坡度增加抑制了火灾烟气逆流,促进了烟气向火源下游的蔓延速度,大大提高了排烟的有效性,减少人员伤害。     

矿井巷道火灾烟流逆退数值模拟及临界风速研究

为了研究矿井发生火灾后高温烟流的蔓延规律及影响因素，利用COMSOL软件对火区进行数值模拟，建立巷道三维模型，得到火区风流速度与温度分布。通过改变边界条件，分析火风压作用下，火区烟气在不同控制风速、巷道条件作用下蔓延规律，得出不同因素与临界风速的关系，为选取合理的火灾控制风速提供理论依据。研究结果表明:火源温度一定时，巷道入口风速越低，火源下风侧高温烟流越靠近巷道顶部，随着风速增大，向巷道下部蔓延；风速较低时，在火区火风压的作用下，会产生烟流逆退现象，随着风速的增大，逆流层长度和厚度随之减小；巷道入口通风条件不变时，火区温度越高越容易产生烟流的逆退，影响范围越大；巷道高度越高、上行风坡度越小，越易发生逆退现象；不同影响因素与巷道平均温度不成正比关系，其中下行风坡度5~15°时巷道平均温度较高且易于发生烟流滚退现象，影响范围较大；火源温度、巷道条件与临界风速的数据拟合结果对预测巷道的临界风速有较好的参考价值。     

特长公路隧道火灾烟气沉降特性对人员疏散影响的研究*

为研究特长公路隧道火灾烟气沉降对人员疏散安全的影响,通过数值模拟方法,对0,1.0,1.5 m/s和临界风速值4种不同纵向通风风速下隧道火灾烟气沉降特征进行研究,并分析不同风速下烟气沉降对人员疏散的影响。研究结果表明:在无纵向风时,烟气沉降现象较为明显,烟气下沉造成的不均匀烟气温度、能见度分布,提前终止人员疏散的进行;随着纵向风速的增加,沉降现象仍存在,但沉降点后移,对人员疏散的影响减小;在1.5 m/s的纵向通风条件下,火源下游500 m范围内烟气基本不发生沉降且能维持分层,此时几乎不影响火灾下游人员疏散。在实际应用中,火灾初期可先以1.5 m/s的分层风速值进行通风,待下游人员疏散后,再施加临界风速加快烟气排出。研究结果可为特长公路隧道火灾防治和疏散救援提供参考。     

盾构铁路隧道坡度对火灾烟气蔓延的影响研究*

为研究坡度隧道内列车阻滞后的火灾烟气蔓延行为，利用火灾动力学模拟软件（FDS）建立盾构铁路隧道火灾模型和CRH6高速列车阻滞模型，隧道坡度分别为0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%，通过分析隧道内烟气、温度、能见度等特征参数的变化规律，研究坡度隧道内高温烟气的受力情况，探讨坡度变化对火灾烟气蔓延的作用机理。结果表明，坡度隧道内发生火灾，随着烟气的蔓延，隧道内形成沿坡度方向的烟囱效应力，使得烟气在火源两侧呈不对称分布。火源下游区域的高温烟气在火风压和烟囱效应的协同作用下蔓延速度比上游更快，下游烟气层分界中性面与隧道轴线平行，上游烟气层分界中性面呈现水平状态。有坡度的铁路隧道内发生火灾，建议向火源下游方向施加纵向机械通风，人员向火源的上游方向疏散逃生更安全。