隧道内偏置火源顶棚近壁面温度边界层效应研究

基于隧道火灾不同横向火源位置的非对称卷吸影响,通过模拟计算分析了中心火源和偏置火源产生的烟气沿纵向最大温升变化规律,研究了顶棚下方近壁面区域内的不同温度分布,提出偏置火源纵向空间最大顶棚温升公式。结果表明:在壁面黏性作用下,沿纵向蔓延的烟气最高温度在顶棚下方呈现“温度边界层”分布;随着火源位置的偏移,下游出现偏置距离起主导作用影响温度衰减的区域,衰减速度相较于中心火源逐渐降低;火源下游近壁面最高温度位置逐渐远离顶棚后趋于稳定。研究结果对于排烟方式的设计以及空间通风效果的提升有着重要意义。     

分岔隧道火灾烟气流动特性研究*

为探究分岔隧道烟气流动特性,采用CFD数值仿真技术,选取3个火源位置、5个热释放速率,模拟分析顶棚最大温升、主隧道及岔道内顶棚下方温度纵向衰减规律。结果表明:火源位置对顶棚下火源正上方最大温度影响较小,最大温差约为34 ℃,但对火源附近温度影响较大,其中距火源0.5 m处最大温差约为110 ℃;通过对比Hu等和Gong等的预测模型在岔道内顶棚下温度纵向衰减上的拟合曲线可知,Gong等的模型准确性更高;主隧道内上、下游顶棚下温度纵向衰减呈现出不同程度的“反超现象”,且随火源位置逐渐移向岔道内时,“反超现象”逐渐滞后。     

巷道火灾密闭过程中烟气温度及流动特性研究*

为研究巷道火灾密闭过程中烟气的温度变化规律及流动特性,通过缩尺寸实验台和FDS数值模拟软件对12.65,18.97,25.30 kW不同火源功率及25%,50%,75%,100%不同密闭比例条件下的巷道火灾进行模拟实验。结果表明:密闭比例的增加会使火焰倾角减小,当巷道完全密闭后,火焰形状近似垂直,顶板热辐射和温度增加;巷道在50%和75%密闭比例之间存在1个突变值,当超过此突变值后,顶板温度会急剧升高,同时燃烧会更快进入衰减阶段,且火源功率越大衰减越早;密闭比例的增加会导致烟气逆流长度上升,增加纵向通风速度可有效地抑制烟气逆流现象,当实际巷道火源功率为4 MW时,纵向通风风速设定为3.8 m/s能使烟气逆流得到较好的控制。     

低真空隧道列车车厢内部火灾温度分布特征

为解决低真空隧道内高速列车运营时,火灾突发事件中出现的危险性、列车结构的完整性及人员安全等问题,以低真空隧道内的高速列车车厢为研究对象,首先用数值模拟的方法,探究着火车厢内部发生火灾后的温度衰减特征;然后分析相邻车厢内部的温度分布情况;最后研究着火车厢内部最大温度的分布特征。结果表明：着火车厢及相邻车厢顶棚处沿着纵向的温度呈指数形式衰减;相邻车厢内,功率对温度衰减影响较大,即：低火源功率(0.3～0.6 MW)下,高温烟气蔓延相对较弱,相邻车厢内乘客相对安全;中火源功率(0.7～1.1 MW)下,高温烟气蔓延显著,由于受到车厢壁面以及车门的影响出现温度突变点;高火源功率(1.2～1.5 MW)下,热羽流强度较高,高温烟气蔓延受车厢壁面以及车门的影响相对较小,在车厢连接部分与相邻车厢内的高温蔓延趋势基本一致。车厢内的最大温度与火源功率及火源至顶棚的距离有关,并存在线性关系。     

火焰撞击受限顶棚条件下顶棚最高温度数值模拟研究

顶棚下方最高温度是隧道火灾发展蔓延时的重要参数。针对火焰撞击顶棚并受到顶棚侧墙限制的强羽流驱动的顶棚射流,利用FDS模拟了18种缩尺寸隧道火灾工况,研究了顶棚下方最高温度随着火源功率、火源与顶棚距离的变化规律。结果表明:火焰撞击区域附近顶棚下方温度随着火源功率的增大而降低,随火源与顶棚距离的增大而升高;相反,在远离火源区域顶棚下方的温度随火源功率增大而升高,随火源与顶棚距离增大而降低;同时,通过分析隧道中心面上顶棚下方温度分布规律,提出了火焰撞击受限顶棚时顶棚下方最高温升的预测模型,研究结果能为实际的隧道消防提供一些参考。     

全尺寸隧道火灾实验研究与烟气逆流距离的理论预测

在建成的隧道中实施全尺寸火灾试验,得到隧道火灾自然通风模式下的烟气温度纵向变化数据和纵向蔓延情况。用OriginPro7.5软件对实验数据进行处理、拟合,得到3次实验的烟气逆流的顶棚射流温度随着离开火源距离纵向衰减规律,建立了计算烟气逆流距离的预测公式。根据隧道实体火灾实验的测量结果与理论模型的预测结果的对比,验证了理论模型的有效性,为市政公路隧道建设采用自然通风模式提供科学依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于CFD的公路隧道火灾烟气分布规律研究

采用CFD数值模拟方法,建立隧道火灾模型,研究不同纵向通风风速和火源功率对隧道内火灾临界风速和烟气分布的影响。结果表明：烟流滚退距离受火源功率和通风风速影响,5、30、50 MW火源功率的临界风速分别为2.0、2.2、2.2 m/s;同一火源功率下,拱顶最高温度随着通风风速的增大,呈现出指数函数的下降趋势;同一通风风速下,拱顶最高温度随着火源功率的增大呈现正向线性关系,并且随着通风风速的增大,拱顶最高温度随功率增大的速度逐渐降低;不同火源功率及不同通风风速下,火源上风侧CO浓度均低于安全浓度（体积分数0.002 4%）,火源下风侧远高于安全浓度。故若隧道发生火灾,应启动排烟风机并使隧道内的风速高于2.0 m/s,且在火源上风侧开展救援及逃生。     

公路隧道内纵向通风对火灾参数影响的试验研究

公路隧道发生火灾时易造成严重后果,纵向通风作为火场排烟降温的常用措施会改变燃烧的火源功率及相关火灾参数,影响公路隧道通风排烟的设计。利用按照弗洛德相似性原理自行设计建造的公路隧道火灾烟气输运特性研究试验台,研究了不同纵向通风风速下燃料火源功率、火焰形状和烟气层高度、距火源2 m人眼高度处一氧化碳体积分数、隧道横截面竖向温度及隧道纵向人眼高度处温度的变化规律。结果表明,所研究的火灾参数与纵向通风之间呈现非线性变化关系,火源功率在纵向通风作用下出现"双驼峰"现象,随风速增大,火源功率、火焰主体长度与亮度的变化规律相似,平均燃烧速度与一氧化碳体积分数、温度变化规律一致。     

地铁同站台高架换乘车站火灾全尺寸实验研究—(3)站台火灾

为了研究地铁同站台高架换乘车站台火灾情况,通过在某同站台高架换乘车站的大空间站台层区域开展0.25~1 MW规模的现场火灾实验,对烟气温度、烟气层高度和烟气蔓延时间进行分析,并建立了该类型车站站台区域顶棚烟气分布和烟气扩散时间的经验模型。研究结果表明:站台不同高度顶棚下方烟气温度呈指数分布趋势,且温度衰减速率随火源功率的增加而降低;受火源位置、顶棚结构和自然排烟的影响,站台层不同部位的烟气层高度有所差异,起火站台的烟气层高度在火源附近较高,在纵向方向呈逐渐降低的趋势,未起火站台火源断面位置处的烟气层高度较低,在纵向方向呈逐渐升高的趋势,现场应急救援和客流疏散中应充分重视未起火站台的危险性,同时防排烟设计应尽可能提高站台顶部排烟口总面积以降低烟气在扩散过程中的质量流量;烟气蔓延时间受火源功率的影响较大,在纵向方向与扩散距离呈线性增长趋势,随着火源功率的增加,烟气扩散速度逐渐升高,在0.25,0.5和1 MW的火灾规模下烟气扩散速度分别为0.33~0.4,0.41~0.43和0.45~0.81 m/s。     

不同受限条件下综合管廊电缆桥架火灾烟气温度分布特性研究

为了更有效地防控综合管廊电缆桥架火灾,在全尺寸综合管廊中开展了电缆桥架火灾试验,系统研究了电缆层数和卷吸条件对电缆桥架火灾烟气温度分布的影响。在电缆桥架附近垂直和水平布置一系列热电偶,分别用于测量管廊内垂直和顶棚水平温度分布。基于管廊内的垂直温度分布,揭示了火灾场景下管廊垂直温度分层规律。结果表明,管廊内发生电缆桥架火灾时,管廊内从上往下可以分为三部分：顶部射流层、中间热烟气过渡层和下部冷空气层。通过分析管廊不同端口的顶棚横向温度分布,发现顶棚温度在半封闭端的衰减速度比全封闭端更快,建立了考虑热释放速率和火源距离顶棚距离的全封闭端顶棚下方无量纲纵向温度分布模型。最后根据卷吸条件与顶棚最大温升的对应关系,发现整体火源功率越大的电缆桥架火灾受到侧壁和端壁的热反馈影响越强烈,针对不同卷吸条件下的电缆桥架火灾分别建立了顶棚最大温升预测模型。通过将模型预测值与试验值对比,发现模型误差在16%以内。     

阻塞效应下地铁隧道烟气蔓延特性研究

阻塞效应下地铁隧道烟气蔓延特性研究对隧道火灾烟气控制方案的制定有重要影响。采用火灾动力学软件FDS6. 4,对阻塞效应下地铁区间隧道内的拱顶下方最高温度、纵向温度衰减和烟气回流规律进行了数值模拟研究。结果表明,已有隧道拱顶最高温度预测模型并不适用于高阻塞比条件下隧道拱顶最高温度的预测,提出了隧道拱顶最高温度依赖于火源热释放速率、纵向通风条件及阻塞比时的最高温度预测模型。在火源下游温度衰减系数范围为[0. 197 1,0. 223 2];在火源上游,纵向通风速度越大温度衰减越快,且温度衰减系数与无量纲纵向通风速度呈线性增长关系。     

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。     

大坡度倾斜巷道火灾烟气温度分布特征研究

为研究矿井大坡度纵向通风倾斜巷道发生火灾时烟气蔓延特征,采用Pyrosim数值模拟方法,分析坡度为5～30°的巷道火灾顶棚烟气最高温度和纵向衰减特性;提出坡度修正系数,构建一种适合坡度大于10°的巷道顶棚烟气最高温度预测模型。研究表明:随着巷道坡度增大,顶棚烟气最高温度下降,但烟气层垂直方向温升梯度减小,高温烟气充满近火源巷道。火源下风侧顶棚烟气温度衰减服从双指数函数和分布特征;大坡度巷道火源下风侧纵向温度可以分成2个区域,当无量纲纵向距离x/H小于5时,随着巷道坡度的增大,烟气温度随距离增加而降低; x/H大于5时,坡度大于10°时,坡度越大,烟气温度越高;坡度在10°以内,坡度越大,温度越低。     

隧道火灾烟气温度及蔓延速度衰减特性

在隧道火灾烟气内部温度竖向分层的条件下,利用理论分析和数值模拟研究隧道横截面烟气平均温度沿隧道纵向的衰减特性,并量化其对烟气瞬态蔓延速度的影响。在同一隧道截面上,某点处烟气温度随着该点与隧道顶棚之间距离的增大而近似呈线性降低。理论分析表明：将上述温度分层特性考虑在内之后,烟气通过侧壁的热损失比传统算法减小一半。烟气温度与蔓延速度沿隧道纵向的衰减率主要受烟气流量及壁面换热系数的影响;在确定烟气流量时不仅需要量化羽流产烟量,火源附近密度跃变卷吸空气量约为羽流产烟量的10%;烟气与壁面的换热系数不是常数,而与烟气蔓延速度成正比。基于以上分析建立不同截面处烟气平均温度的理论模型,并根据蔓延速度与浮力通量的内在关系,提出烟气蔓延速度预测模型;二者均随着烟气蔓延长度的增大而呈指数衰减。最后利用FDS研究不同火源功率条件下烟气温度和蔓延速度在隧道纵向的衰减率,理论模型与数值模拟的结果比较一致。     

挡烟垂壁对长通道顶棚温度分布的影响研究

为提高长通道内部挡烟性能,揭示挡烟垂壁在长通道烟流控制中的作用,利用数值模拟方法研究挡烟垂壁与火源的距离分别为4.2、6、9、12 m,垂壁高度在0.3~0.9 m时顶棚附近烟气温度纵向分布;拟合模拟数据得出挡烟垂壁位置与高度综合影响下长通道挡烟垂壁下游温度纵向分布预测公式,并通过1∶5小尺寸通道火灾试验对预测公式进行验证。结果表明:挡烟垂壁对其上下游烟气温度分布的影响分别表现为减缓衰减与加速衰减2种效果;随着垂高的增加,垂壁上游温升值增大,下游温升值减小,且下游温度衰减速率与垂壁高度有线性关系;挡烟垂壁离火源越远,烟气温度纵向衰减越慢,高温危险区域越大;试验温度数据与公式预测值二者吻合较好,验证了数值模型的有效性。     

不同隧道坡度下射流风机临界风速研究

为研究隧道坡度对射流风机临界风速的影响,通过理论分析与数值模拟,采用全尺寸隧道模型和5种不同火源功率,考虑0%,±1%,±3%,±5%,±7% 9种不同隧道坡度,研究隧道坡度对射流风机临界风速的影响规律。结果表明:坡度对射流风机临界风速有较大影响。在射流风机与火源纵向间距不小于100 m情况下,即其临界风速与火源纵向间距无关;当上坡时,其临界风速与火源功率的1/3次方成正比,坡度越大,临界风速越小;当下坡时,其临界风速与火源功率的1/3次方成正比,坡度（绝对值）越大,临界风速越大;对数据结果进行拟合,得到上坡与下坡时的射流风机临界风速模型,并与模拟结果取得了较好的一致性。