地铁中烟气流动的数值分析

本文建立了一种描述地下隧道中烟气流动的场模型,并用此模型计算的结果与奥地利Zwenberg隧道的实验数据进行了比较。利用该模型,研究了隧道中不同的燃烧强度以及隧道坡度对烟气流动的影响。结果表明:大约2m/s通风风速即可抑制热烟气向上游流动,而在强制通风的情况下,隧道坡度对烟气流动的影响不大。本课题的研究对于地铁隧道中排烟风机的选择、人群疏散以及地铁中电缆线的铺设均有重要意义。     

室内木质吊顶轰燃过程分析

针对高温烟气引起建筑物问题，建立了室内烟气传热模型，通过辐射与对流传热计算，得到了木质吊顶的温升随时间变化的关系。通过热解实验，得到了三合板的失重曲线图；计算了其热解动力学参数活化能E和频率因子A；在此基础上计算了吊顶随时间的失重百分比。采用Lechteilier法则对热解可燃气能否达到可燃界限，发生轰燃，进行了预测。结果表明，对于800℃烟气，10min后，吊顶壁面温度可达到435℃，析出的可燃气将发生轰燃。     

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。     

竖井结构中壁面温度对火灾烟气运动影响的计算研究

使用大涡模拟方法研究了不同壁面温度条件下,竖井结构中,竖直壁面间的火灾热烟气和空气运动规律及温度场分布。并讨论了造成分布差异的原因。研究表明,流场中速度、温度和混合分数等参数受燃烧产生的热羽流和壁面温差引起的对流共同影响。温差越大,流场流动速度越大,流场的规律性越强,热烟气在流场中的蔓延速度越快。在温度方面,温度分布随流场变化而呈现不同规律,这里着重讨论了一侧壁面温度不同引起的另一侧壁面附近流场的温度变化。     

侧部点式排烟模式下烟气分层特性研究

引入烟气掺混影响长度的概念,针对侧部点式排烟模式下不同火灾热释放速率、排烟流量等变化条件,对烟气层厚度、烟气层温度及水平流动速度随烟气水平蔓延的变化情况进行了数值模拟研究。结果表明:烟气掺混影响长度与排烟流量成正比例增长关系;排烟流量较小时,烟气存在明显分层,随着排烟流量的增大,烟气层与冷空气层剧烈掺混,烟气层变得紊乱,看不到明显的分层现象;同一纵向条件下排烟口附近上层烟气层的流速值随排烟流量增加呈现先增大后减小的趋势,不同纵向条件下排烟口外侧烟层流速较低,距离排烟口越远时,侧向排烟对烟气蔓延的抑制作用越弱;排烟流量对于烟气层稳定性的抑制作用主要集中在排烟口处及排烟口与隧道端部区段。     

纵向通风条件下隧道坡度对火灾烟气流动影响的实验研究

纵向通风是隧道烟气控制的常用手段之一,若风速足够大,烟气会保证向一个方向蔓延,达到纵向排烟的目的,但同时过大的风速可能会破坏烟气层结构,造成烟气层紊乱,危害到地面附近疏散的人群。因此隧道排烟的策略应是在保证烟气层维持一定时间分层的前提下合理排烟。在实际中,很多隧道都是存在坡度的,这就可能产生烟囱效应,导致倾斜隧道内烟气的扩散速度会与水平隧道不同,进而影响到纵向通风排烟策略。本文采用比例模型的实验方法,对不同坡度及纵向通风风速条件下隧道内火灾烟气流动规律进行了研究。结果表明,隧道坡度越大冷空气卷吸越强烈,烟气降温越快,烟气沉降速度也越快。同时初步得到了本实验条件下的烟气分层化临界风速,并与理论分析结果吻合得较好,为研究烟气的运动情况和人员疏散方案提供重要参考依据。     

水喷淋对热烟气冷却效应的模拟计算

分析了水喷淋液滴与热烟气传热传质的过程.采用场模拟方法对一系列假定的算例进行计算,探讨了水喷淋作用对热烟气的冷却效果.结果表明,水喷淋作用后烟气层的温度大大降低,烟气温度的变化受喷淋模式和喷头工作压力的影响.最后对水喷淋系统的设计给出了一些建议.     

中庭火灾烟气流动数值模拟

根据中庭火灾特点 提出了考虑辐射换热损失和壁面传热损失、不考虑燃烧过程、视火焰为体积热源,浮升力作用下火灾烟气湍流流动的场模型,并将辐射换热损失计人壁面传热损失,简化辐射换热模型计算,运用该场模型对中庭模型实验装置火灾烟气流动进行了数值模拟,采用通用软件PHOENICS进行数值计算,研究表明,数值模拟结果与中庭模型实验装置火灾试验结果吻合;以热源模拟火焰的方法对分析中庭火灾烟流发展规律可行。     

地铁车站及隧道全尺寸火灾实验研究(2)——区间隧道火灾

为了研究强制通风情况下地铁区间隧道火灾时的烟气扩散规律,在一实际地铁区间隧道内开展了全尺寸火灾实验。实验改变火源功率,在区间隧道通风排烟系统启动状态下,研究了区间烟气纵向蔓延速度、烟气竖直温度分布和水平温度变化,分析了烟气火焰倾斜角,顶棚烟气温升的纵向指数变化特征。实验结果对于地铁区间隧道火灾烟流控制及防排烟设计提供了数据支持。     

地铁区间隧道烟气层化现象研究

以重庆某一地铁区间隧道为原型,搭建了1∶15小尺寸隧道试验台,通过小尺寸试验与FDS 6.5.2数值模拟开展隧道顶部烟气温度分布及分层规律研究。基于Newman提出的烟气层分区条件,研究了不同纵向风速下的烟气分层现象,提出了烟气稳定层化长度的概念,并分析了火源热释放速率及断面型式对烟气层化长度的影响。试验证明了Newman提出的烟气分层计算方法是可信的。结果表明:纵向风速较小时,火源下游能呈现烟气分层现象;烟气稳定层化长度受火源热释放速率影响较大,随热释放速率增大而增大;隧道高度的变化对烟气稳定层化长度的影响较小。     

地铁多线换乘车站火灾模型实验研究—(2)十字换乘车站火灾

针对当前地铁十字换乘车站缺少火灾场景系统性分析和评估的问题，釆用1∶10的地铁多线换乘车站火灾实验模型，进行十字换乘车站的火灾场景设计和对应全尺寸火源热释放率0.91~2.60 MW的火灾实验，研究十字换乘车站内站厅及站台危险位置发生火灾时的优化排烟方案。结果表明:站厅一端火灾时，站厅排烟可确保中部换乘通道和站厅另一端楼梯及出口在起火6 min内不受烟气影响；站厅中部火灾时，采用站厅排烟能保障站厅两端楼梯及出口作为疏散通道的安全性。地下2层站台或地下3层站台一端楼梯口发生火灾时，采用站台排烟与站厅送风联动的模式可控制烟气在站台内的扩散范围，确保站台未起火楼梯和站厅层在起火6 min内能够作为安全疏散通道；仅采用站台排烟可以控制烟气在站台内水平方向的扩散，但在火源功率较大时烟气会通过换乘通道和楼梯进入站厅。通过模型实验验证十字换乘车站中采用站厅站台联合通风模式的有效性，并提出多种火源功率、通风模式下的烟气扩散范围和规律，为十字换乘车站的烟气控制模式优化提供了数据支撑。     

细水雾中雾滴和高温环境的热质交换研究

由雾滴的表面的组分方程和能量方程入手,探讨雾滴在静止的高温环境中的热质交换及生存时间。应用折算薄膜理论,通过特征时间的比较,提出雾滴与高温环境主要通过沸腾机制实现热质交换;考虑滴径与速度变化的耦合作用,应用数值方法研究雾滴在强迫对流环境中与高温环境的热质交换情况。结果表明:对于滴径较小的雾滴不可能达到火焰区或可燃物表面实施火焰冷却和表面冷却,其灭火作用主要依赖于汽化吸热。     

A mathematical model on adjacent smoke filling involved sprinkler cooling to a smoke layer

Conventional two-zone model determines the smoke filling time in buildings without considering the cooling effect of sprinkler spray on the smoke layer. However, many buildings have been required to install the sprinkler systems by fire codes. So, the conventional zone model was not able to accurately predict the development of smoke layer height in a sprinklers involved fire. In order to improve the prediction, the current zone model is revised with a new mathematical model developed by taking the sprinkler cooling effect into account. The heat transfer between smoke layer and sprinklers spray was mathematically calculated. By using the mathematical model, the smoke filling time in an adjacent space under the sprinkler cooling effect are calculated. A set of experiments were carried out to validate the model. The smoke layer height was experimentally measured. Results show that the model predictions agree well with the experimental results. The smoke filling becomes slower due to the reduced volumetric smoke flow under sprinkler cooling. The variation of sprinkler operating pressure has little influence on the smoke filling since the cooling gets less effective as the operating pressure increases.     

中庭火灾烟流相似模型

将燃烧着的火焰视为具有一定发热量的热源、不计辐射传热的影响 ,建立中庭火灾烟气流动控制微分方程组 ,并导出模型实验相似准则 ;提出模型与原型局部相似的模型律 ;忽略围护结构热相似 ,建立 1/ 8模型试验台 ;开展中庭火灾烟流填充过程模型实验 ,模型实验与原型实验结果吻合。研究表明 :理论模型律是合理的 ,采用小比例的相似模型实验 ,研究中庭火灾烟流的发展是可行的     

Laboratory scale analysis of the influence of different heat transfer mechanisms on liquid nitrogen vaporization rate

The prediction of the potential hazards associated to accidental liquefied natural gas (LNG) spills has motivated a number of different studies including experimental and numerical approaches. Most of these studies focus on dispersion predictions, however there is limited information regarding source term of it: liquid spill and vaporization. There is a need of further improvements on the understanding of these phenomena and the quantification of the most important parameters that can affect them.The vaporization of cryogenic liquids is governed by the heat transfer phenomena including conduction, convection and thermal radiation mechanisms. The present work investigates the contribution of each of these heat transfer modes to the vaporization rate of cryogenic liquid nitrogen (LN₂) contained in a Dewar flask using well controlled and instrumented laboratory scale experiments. LN₂ vaporization rate was measured with individually controllable contributions from convective (generated by an electric fan) and thermal radiative (generated by light bulb) heat transfer in the presence of a baseline conductive heat transfer rate.In both cases of convection and radiation analysis the experimental study showed that they can play a significant role in the vaporization rate of LN₂. It was observed that the radiative heat absorbed by the LN₂ during the vaporization experiment represents only 50%–65% of the incident radiation that would reach the LN₂ pool surface if no vapour was present. Convective heat transfer generated by the fan was shown to have had the most significant contribution to the total heat transfer. As expected, this contribution was significantly higher than the one from bulb radiation. The experimental data also showed that the liquid level in the Dewar play a key role in the resulting amount of convective heat transfer. This could be attributed to the fact that lower liquid level the side walls of the Dewar were high enough to hold a layer of vapour and limit air motion directly above the liquid surface, thus limiting the heat transfer by convection.     

基于多指标约束的隧道集中排烟量设计模型

利用经典羽流模型计算烟气生成量来设计隧道集中排烟系统的排烟量存在设计量偏小的问题。从火灾烟气控制效果出发,选取排烟效率、烟气蔓延范围、烟气流动速度、人员疏散微环境4个指标,提出一套隧道集中排烟系统的评价指标,构建基于多指标约束的隧道集中排烟量设计模型。通过FDS 5.0对某越江隧道火灾时的各评价指标参数值进行模拟计算,得到该隧道集中排烟系统在20MW火灾时的最适排烟量为140～150 m3/s。研究表明,利用多指标约束的排烟量设计模型可提高隧道集中系统排烟量设计的准确性。     

火灾中的烟气毒性研究

建筑火灾中致人死亡的因素除了热以外,更多的是因为烟气的毒性,因此加强对烟的特性进行研究显得十分迫切。本文首次介绍了2种常用的烟气毒性的评估方法,然后综述了不同规模的实验技术,并着重介绍了火灾早期特性实验台。最后阐明了烟气毒性研究今后的发展方向。     

低温液体在水中快速相变过程流动与传热数值模拟

用试验和理论分析的方法对快速相变爆炸强度的预测缺乏定量模型,因此建立了一种欧拉-欧拉双流体多相流模型与传热模型相互耦合的数值模型,并通过与Clarke H将液氮喷射入水的快速相变试验数据对比来验证模型的可靠性和正确性。通过数值计算得出快速相变过程中流场、压力场、温度场随时间变化的情况,探讨了快速相变的传热机理。结果表明:快速相变是强制对流、膜态沸腾、爆发沸腾和核态沸腾之间的转换过程;相间换热系数随时间的无量纲变化关系可以用3个高斯分布的叠加来描述。     

火灾烟气危害定量评价模型THVCH及其应用

为更加准确地评价实际火灾烟气的危害性,针对以往烟气毒性定量评价方法N-GAS和FED模型的不足,提出了一种新的火灾烟气危害性定量评价模型THVCH(Toxicity,Heat and Visibility Comprehensive Harmfulness)。实际火灾烟气的危害包括烟气毒性和烟气高温辐射。两者都具有时间累积效应,人员在火灾环境中的暴露时间越长,所受到的伤害越大。烟气的遮光性是影响火场中人员暴露时间的重要因素,低能见度下人员疏散所需要的时间是高能见度的3.8倍。THVCH模型在考虑烟气毒性的同时兼顾了能见度对人员暴露时间的影响以及高温辐射对人体的伤害。以重庆开县5.5火灾为工程背景,运用大涡模拟技术对其火灾过程进行数值重构。在此技术上采用N-GAS、FED和THVCH模型对不同阶段的火灾危害性进行了评价,证明了火灾烟气危害评价中考虑能见度和高温辐射的必要性。     

火灾中混合温场下隧道管片受力分析

对于以盾构方式修建的地铁,其隧道管片是主要的受力构件。在实际的火灾中,管片所在的温场往往是热对流及热辐射两种形式的混合温场。不同位置管片受热不均匀,整周管片内部将产生非均匀的热力荷载,与地应力荷载共同作用使模型中的应力分布更为复杂。从热量的角度进行温场融合,分别计算每个单元在两种温场下的温度及热量,将每个单元的两种热量分别相加求得每个单元的总热量,根据总热量再反算单元温度,从而确定这个混合温场。使用FLAC3D在模拟过程中随温度升高实时调整材料参数,使模拟结果更加准确。结果表明：当温度较低（〈500℃）时混合温场中以热辐射为主的均匀温场势力较强,当温度升高（〉500℃）后以热对流为主的非均匀温场势力较强。