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。     

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。     

复杂结构隧道火灾烟气逆流与温度分布的数值模拟

隧道结构对火灾具有一定的影响,为了得到大曲率、变坡度复杂结构隧道火灾的烟气特性,依托深圳市某长大公路隧道建设工程,建立隧道模型,利用Star-CD/CCM^+数值模拟软件的烟火向导模块,对不同通风速度下的重型货车火灾进行了模拟研究,分析了不同通风速度下隧道内的纵向温度分布规律。结果表明:火灾热释放速率为30 M W时,无通风条件下,火灾烟气的最高温度位于隧道顶棚下方20 cm处,火源正上方的温度最大达到1190℃,隧道坡度的存在使得火源上游烟气逐渐向下游扩散,下游烟气温度在300 s后保持在500℃以上,该高温会对隧道结构造成一定的损伤;控制烟气逆流的临界风速为4.0 m/s,大于由Wu&Baker经验公式得到的值.表明隧道曲率对流场运动有一定的抑制作用;在该临界风速的作用下,烟气向火源下游扩散,扩散速度为6 m/S,烟气的最高温度降低至550℃,且位置向火源下游偏移6 m。建议火源下游行驶车辆的疏散逃生速度大于6m/s。     

高海拔铁路隧道火灾燃烧特性试验研究

采用火灾模型试验的研究方式,在高海拔特长铁路隧道——关角隧道(32.645 km)的斜井内进行火灾燃烧的全尺寸模型试验,测得不同火灾规模条件下隧道内温度和烟气分布,通过分析试验结果,得到高海拔隧道火灾的燃烧特性。研究结果表明:隧道拱顶处温度高于隧道中心线附近温度;火源附近温度最高,隧道内各位置温度随着距火源点距离增加而降低;纵向风速对隧道内烟气分布有重要影响,火源下游温度高于上游温度。结合试验的分析结果,就高海拔隧道火灾防灾救援设计提出建议。     

城市交通隧道坡度对火灾烟气扩散影响研究

利用大涡模拟方法研究城市交通隧道火灾自然通风下烟气的扩散规律,重点研究隧道的坡度对烟气羽流的影响。研究坡度在0-5%范围内的隧道内烟气层横向以及纵向温度场分布以及火源拱顶处最高温度随时间的变化规律,并与坡度为零的隧道火灾的烟气模拟结果进行比较。研究表明：5%坡度对烟气纵向分布影响较大,尤其在火源下游的上坡方向,烟气层沉降快。坡度使烟气最高温度点火源下游偏移,但最高温度值变化不大。研究结果对于研究城市交通隧道的消防设计以及人员疏散提供参考。     

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。     

支路隧道坡度对地下立交分岔隧道烟气扩散特性影响的模拟

通过数值模拟对地下互通立交隧道的典型结构-分岔隧道处烟气的扩散特性进行了研究。分析了火源位于分岔路段上游时,下游支路隧道坡度及火源功率对主、支路隧道烟气质量流量分配及烟气温度分布的影响。结果表明:火源功率一定时,随下游支路隧道坡度增大,火灾中产生的烟气会更多地流向火源下游,并流入支路隧道,上游主隧道内的烟气温度降低;火源功率除影响产烟量及隧道内的温度分布外,对主、支路隧道的烟气质量分配影响较小。     

城市“W”型中长距离沉管隧道火灾烟气运动规律研究

面对城市内河存有江中岛情况,过江隧道普遍采用“W”型的纵断面形式。揭示城市“W”型过江隧道火灾烟气运动规律具有重要意义。利用火灾动力学软件(FDS),采用数值模拟方法研究了交通正常、拥堵工况下城市“W”型中长距离沉管隧道火灾烟气蔓延范围和隧道顶部温度、流速分布规律。结果表明：交通正常时,临界风速可以较好控制城市“W”型隧道内不同区间发生火灾时的烟气;交通拥堵时,沙岛段发生火灾时危险性最高,1 800 s时烟气还有继续蔓延的趋势。交通正常时隧道顶部最高温度均小于300℃;交通拥堵时,沙岛段隧道顶部最高温度约423℃,沉管段隧道顶部最高温度约387℃,出入口段隧道顶部最高温度约350℃～400℃。交通正常时,火源下游流速明显高于上游流速;交通拥堵时,火源处流速最大,随着距离增加,流速整体呈现衰减趋势,隧道顶部流速会随坡度变化波动。     

纵向风速对隧道内烟气发展影响的实验研究

通过在鹰嘴岩隧道内的现场模拟火灾试验,对不同纵向通风速率下隧道内烟气发展过程进行了研究。结果表明,纵向风速和火源大小均对烟气层沉降有重要影响。相比之下,纵向风速对烟气层沉降的影响更大;火源位置较高时,烟气层热膨胀力较大,在距离火源一定距离外仍可产生上游方向的烟气逆流;一定坡度的隧道在某种条件下可以产生"弱烟囱效应",导致烟气向下游方向的流速增加。在隧道设计中可以考虑利用这一点来增加排烟效率。     

纵向通风下卜型分岔隧道火灾烟气流动特性的数值模拟分析

为研究纵向通风下卜型分岔隧道内火灾烟气的流动特性,建立1∶10的卜型分岔隧道缩尺寸模型,分析火源功率和主隧道内的纵向风速对隧道内温度场和临界风速的影响。研究结果表明：其他条件不变时,随火源功率增大,主隧道内热烟气流动范围增大,热烟气最大温升增大;随通风风速增大,隧道内向主隧道下游运动的热烟气比例增加,进入支隧道的烟气减少;研究提出纵向通风下分岔角度为120°的分岔隧道顶棚下方最大温升的关系式以及临界风速表达式,为分岔隧道火灾烟气控制提供参考。     

纵向风对隧道火灾拱顶最高温度及其位置的影响

研究了燃烧风洞内不同纵向风速、不同火源功率条件下,隧道近火源区顶部温度沿纵向分布情况。结果表明,纵向风对不同尺寸火源条件下的顶部温度的影响呈不同特征。对较小尺寸火源,隧道顶部温升随风速增加而减小至稳定值;而对较大尺寸火源,顶部温升随风速增加先增加后减小。对于矩形火源,当纵向风较小(0.5~1.5m/s)时,长边平行于纵向风时顶部最高温升大于长边垂直于纵向风的情况;而当纵向风较大(≥2 m/s)时,两种油盘放置方式的顶部最高温升一致。纵向风作用下,顶部最高温升位置向下游呈现"两次移动"特征,即随着纵向风速增加该位置先向下游移动,当风速达到某一值时,隧道拱顶的加热机制由对流和辐射共同主控转变为辐射单独主控,最高温升位置突变回到上游后再次逐渐向下游移动。     

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。     

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。     

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。     

城市地下交通联系隧道烟气控制探讨

为了给城市地下交通联系隧道(UTLT)防排烟系统设计和人员应急救援提供参考依据,以重庆某UTLT二期工程一段主隧道为例,开展全尺寸火灾试验,探讨了横向排烟方案的烟控效果,并验证了Alpert顶棚最高温升衰减模型。结果表明,UTLT主隧道段采用横向排烟方案,当防烟分区长度为120 m时,采用的排烟量设计方法是合理的。当隧道为上坡时,最有利的烟气控制模式为同时开启着火分区及下游相邻分区的排烟系统和与排烟分区紧邻的上、下游两个分区的补风系统。隧道顶部烟气最高温升衰减规律为:下游距火源无量纲距离r/H0.57及上游部分,呈指数衰减;下游距火源无量纲距离r/H0.57部分,呈幂函数衰减,且衰减程度与排烟方案有关。     

纵向风和阻塞比对隧道双火源温度分布的影响*

为研究城市公路隧道内纵向通风和障碍物对双火羽流行为的影响,采用数值模拟方法分析双火羽流纵向烟气温度变化规律。研究结果表明:随着风速的增加,顶棚下方最高温度不断降低,烟气逆流现象逐渐减弱至消失;随着阻塞比的增加,下游火源一直向下游倾斜,而上游火源逐渐由向下游倾斜转变为向上游倾斜;基于流体力学理论,引入阻塞比修正无障碍物时的弗劳德数,进而建立适用于隧道内有障碍物的双火羽流顶棚最高温升分段预测模型,研究结果可为隧道火灾防治提供基础数据和理论参考。     

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。