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。     

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。     

障碍物对隧道火灾中竖井自然排烟效果的影响*

为研究障碍物对隧道火灾中竖井自然排烟效果的影响,利用数值模拟方法分析不同的纵向风速和隧道内障碍物所处的不同位置对隧道及竖井内温度场、流场结构的影响,并根据模拟结果计算竖井排出热量。结果表明:随着火源与障碍物纵向距离的改变,在近火源区域,竖井后方会发生吸穿现象;在中间区域,障碍物后方发生边界层分离,烟气层变厚;在近竖井区域,竖井和负压区的耦合作用使烟气层变薄;排出热量随着纵向风速的增大先增加后减少,临界风速为1.5 m/s。     

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。     

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。     

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。     

纵向风作用下竖井自然排烟对隧道内烟气逆流长度的影响

为了研究纵向风作用下隧道内竖井自然排烟对烟气逆流长度的影响,采用数值模拟的方法,建立了不同竖井高度的全尺寸隧道模型。并选取无竖井排烟的工况作为对照组,模拟不同火源功率下,改变竖井与火源纵向距离时竖井自然排烟对烟气逆流长度的影响和竖井排烟失效临界风速的变化。结果表明：当纵向风风速较小时,竖井对烟气逆流起抑制作用;随着风速增大,烟气逆流被控制在竖井近域范围内,竖井对烟气逆流的抑制作用减弱;当风速足够大时,烟气逆流将被完全限制在竖井下游,此时竖井排烟作用失效,且对纵向通风气流起到分流作用,烟气逆流长度反而变长。在此基础上,提出了竖井排烟失效临界风速的概念,竖井排烟失效临界风速随竖井高度增加而增大。     

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。     

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。     

隧道火灾的全尺寸试验研究

在3条公路隧道上进行了10次全尺寸试验,研究不通火灾条件和风速下烟气的运动情况。主要测量了各隧道1000m范围内的拱顶下方烟气温度、烟气层高度分布以及烟气前锋的运动情况等,并分析了纵向风速对火灾羽流形态、烟气前锋运动速度、隧道内线型缆式感温探测系统响应等的影响。此处所列的所有全尺寸试验数据可以进行进一步的分析,以便研究各种已知火灾模型在计算长隧道火灾时所得的结果是否有效。     

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。     

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。     

隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延影响机制研究

为探索隧道与横通道交叉角对火灾烟气蔓延的影响机制,采用FDS数值模拟,研究横通道与隧道不同交叉角情况下火灾烟气温度、浓度、烟气层高度等的变化规律,建立开启火源下风向横通道时隧道内烟气最高温度修正公式,提出烟气纵向蔓延恢复长度的概念,并探讨其影响规律。 结果表明:隧道和横通道交叉角越小,隧道内同一位置烟气层高度越高,当交叉角由90°降低到30°时,烟气层高度最大增加32%;烟气纵向蔓延恢复长度与交叉角及通风速率呈正相关,而与火源功率几乎无关。研究结果对隧道通风排烟系统设计及相关标准的制定具有参考意义。     

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。     

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。