坡度条件下竖井隧道火灾温度变化数值模拟研究

为了研究不同坡度竖井隧道,采用FDS对不同坡度（3%～20%）作用下竖井内部温度衰减、烟气逆流长度以及竖井自然排烟效率进行分析。采用无量纲参数,对隧道内部温度变化进行研究,结果表明：坡度的增加能抑制竖井吸穿现象的产生;坡度会使火焰角度发生倾斜导致温度最高点出现变化,同时也能降低隧道内部温度,烟气逆流长度受坡度变化影响大,根据研究结果建立温度衰减预测模型与烟气逆流模型,为隧道、巷道提供设计依据。     

建筑火灾顶棚射流的数值模拟及火焰扩展长度处理方法

探讨了建筑火灾数值模拟中常用的火焰区域获取方法及其优缺点。通过火灾动力学模拟软件(Fire Dynamics Simulator, FDS)对建筑火灾中的顶棚射流现象进行了模拟计算,其中考虑了不同火源热释放速率与不同火源距顶棚高度等条件的影响。分别采用连续图像法和温度阈值法获取了数值模拟中顶棚射流火焰扩展长度的数据,并与文献中基于试验建立的火焰扩展长度预测模进行了对比。结果表明：通过温度阈值法获取的火焰扩展长度数据受阈值取值的影响较大。通过连续图像法获取的火焰扩展长度数据可以较好地反映出火焰扩展在不同火源热释放速率及不同火源距顶棚高度等条件下的动态变化情况,与前人建立的火焰扩展长度预测模型之间的吻合较好,表明通过连续图像法获取的火焰扩展长度数据较为准确。建筑火灾数值模拟中的火焰扩展长度可通过基于单位体积热释放速率的连续火焰图像获取。研究结论可为建筑火灾数值模拟中火焰燃烧区域的确定提供参考。     

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。     

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。     

隧道火灾拱顶附近烟气最高温度的研究

为了研究顶部开口的城市隧道在采用自然通风模式下的火灾特性,在已建成的隧道中设计并实施了全尺寸火灾试验,得到了隧道火灾自然通风模式下的拱顶附近烟气最高温度纵向变化数据。通过实验数据与理论预测结果对比的方法验证了H.Kurioka等人建立的隧道火羽流模型及其计算公式的可靠性,为市政公路隧道建设提供了科学依据,为隧道火灾的研究及其消防工作提供理论指导和有益借鉴。     

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。     

铁路隧道火灾拱顶附近最高温度预测模型研究

隧道拱顶下方最高温度是结构防火设计中的一个重要参数,对不同火灾工况下隧道拱顶附近最高温度的变化规律进行数值模拟研究。对比分析网格尺寸对火灾模拟结果的影响,结果显示当网格尺寸为0.1D*时模拟结果比较准确。分析了不同纵向通风风速、不同火源热释放速率及不同火源面到拱顶距离的情况下Kurioka最高温度模型的有效性,得出Kurioka最高温度模型在通风风速较小或不通风情况下是失效的。最后,对模型进行修正,给出一个具有广泛应用的隧道拱顶附近最高温度预测模型。     

冷气溶胶灭火剂作用下狭长隧道火灾的扑救降温过程的数值模拟

为研究大型火灾的远程扑救问题,以一定尺寸的混凝土结构为隧道实型,研究了冷气溶胶灭火剂作用下狭长隧道火灾的扑救降温过程,并运用Gambit建模,ANSYS 15.0软件开展数值模拟研究,最后与公开文献中的试验结果进行对比分析。模拟结果表明:越靠近灭火剂喷口的测量点,其降温越快;最靠近喷口的测量点1在冷气溶胶灭火剂喷射过程中,其温度不断降低,最后降至36℃;其他测量点的温度均呈现先升高后降低的趋势,且越靠近喷口的测量点的升温时间越短、降温时间越长。与实验对比发现,4个测量点的初始温度、升温速率、升温时间、最高温度、降温时间、最低温度等参数的模拟值与实验测量值相比吻合度较好,因此,数值模拟可为冷气溶胶灭火剂的灭火性能研究提供参考。     

顶棚装修材料对地下商业街火灾影响的数值模拟研究

地下商业街处于相对封闭的环境,在强制通风不利的情况下,内装修材料可燃性对火灾影响显得特别重要。应用FDS火灾模拟软件的大涡模拟(LES)模型,对分别采用木质、石膏板、PVC材质顶棚的地下商业街进行火灾模拟,重点讨论了不同顶棚材料对烟气温度、体积分数的影响。模拟结果表明,木质顶棚装修材料明显增加烟气体积分数、加速火灾轰然的形成。烟气蔓延速度快,烟气中CO最高浓度是其他两种材料的40倍,因此应限制地下商业街商户装修中使用木质顶棚材料。     

自然通风条件下隧道火灾动态监测仿真分析

为了降低隧道火灾事故影响,如何动态监测隧道火灾的情况是需要解决的关键性问题。通过FDS场模拟软件建立隧道火灾模型,模拟小型货车车厢位于隧道中部着火的隧道火灾情况。分析火源近场的火源功率及隧道顶部温度变化,探测温度场分布动态变化相关性规律。结果表明：火源功率前200 s内处于稳定阶段,1 000 s左右达到最大火源功率。隧道顶部温度整体趋势先升后降,热烟气呈现加速状态,温度变化曲线缓步上升。火源近场隧道顶部温度变化曲线与热释放速率曲线趋于一致,可根据隧道顶部温度变化曲线监测近场火源的动态变化。近场4处测点在12 min内处于临界高程和温度之内,此时火灾扑救人员相对安全,灭火可在此范围内采取内攻方式,为消防救援提供一定参考。     

隧道半横向排烟模式下不同排烟口分布的温度场数值模拟研究

结合某过江盾构隧道,基于三维流体动力学模拟仿真软件平台,建立三维仿真模型,研究火灾发生在隧道盾构段典型区段时,排烟开口在火源上下游不同的分布模式时烟气层的温度场分布。通过分析模拟结果可知:随着火源上游排烟开口逐步增加,火源上游烟气逆流长度和蔓延速度都相对稳定而后又逐步增长,火源下游的烟气蔓延长度先减小而后又基本趋于稳定,下游烟气沉降高度则有所升高;火源位置处正上方温度则随着上游排烟开口的个数逐步增加而逐渐升高。而从其他的排烟开口变化模式模拟结果可知:随着排烟开口面积或者开口间距的逐步增大,烟气蔓延的速度先增加而后又逐步减小,且开口间距为30m左右时烟气蔓延速度相对较慢;排烟开口宽高比对烟气蔓延影响较小。所获得的结论将有助于相关类型工程的设计和管理。     

重载铁路隧道可燃物极大丰富条件下火灾温度场数值模拟

针对重载铁路隧道内重载列车运载大量可燃物贯穿整条隧道的情况,建立了500m双线重载铁路隧道模型,利用大涡模拟技术,采用数值模拟的方法探讨了可燃物极大丰富条件下重载铁路隧道内,不同初始火源功率、起火位置下可燃物(红松木)火灾蔓延规律,进而分析了重载列车起火后隧道内火灾沿纵向、横向的温度分布特点、变化规律及后果影响。结果表明:重载铁路隧道内重载列车一旦发生火灾,不同起火位置对火灾向周围的蔓延速度有着明显的影响,而当火灾发生大面积蔓延时,由于隧道内通风量受限,将最终形成两侧隧道口附近燃烧剧烈,而中部较长区域燃烧受到显著抑制的特点。这也导致了隧道内拱顶附近处的最高温度位置由初始火源正上方,沿纵向逐渐向隧道洞口移动,并最终稳定在两侧隧道口附近,同时隧道中部温度也发生大幅度降低,这种温度分布特征对隧道衬砌结构损伤及破坏将产生重要影响。     

双火源对隧道火灾临界风速影响的数值研究

为研究双火源隧道火灾所需临界风速的变化规律,利用火灾动力学软件FDS模拟了三种双火源隧道火灾,即两等火源功率的火灾、上风流火源功率较大火灾、上风流火源功率较小火灾。根据各火灾情景下所得临界风速u_(cr),分析两火源距离d、火源功率、上下风流位置关系对临界风速u_(cr)的影响规律。结果表明:随着两火源距离d的增加,所需临界风速u_(cr)逐渐减小,当两者达到临界距离d_x时,临界风速u_(cr)为稳定值,该值由两火源上下风流位置关系和总火源功率共同决定;同种双火源火灾随着总火源功率增大,所需的临界风速u_(cr)增大;随着两火源间距离d增大,各双火源火灾所需临界风速u_(cr)的减小幅度不同;两火源距离d为零时,所需临界风速u_(cr)略大于同火源功率的单火源火灾所需的临界风速。     

可燃装修材料的燃烧温度场数值模拟分析

为研究室内可燃装修材料的耐高温及燃烧特性,该文用火灾动力学模拟软件Fire DynamicSimulator(FDS)对火灾实际场景的温度场进行数值模拟分析。对热释放速率曲线进行拟合分析,发现火灾发展初期是由一个慢速增长火和一个超快速增长火两个阶段组成。比较温度场的模拟结果与实际场景的燃烧图痕,得出火场温度的快速升高源于可燃材料的热释放速率和燃料消耗速率快速增加。同时分析了火场中一氧化碳、二氧化碳等有害气体的浓度与燃烧温度场的变化规律,为选择合适的室内装饰材料提供有效的数值参考。     

Fe(OH)_2在湍流扩散火焰中抑制效果的CMC模拟研究

采用条件矩封闭模型(CMC)数值模拟了Fe(OH)2在湍流射流火焰中的灭火性能,计算结果表明该灭火添加剂在湍流燃烧中对H、OH和O的最大抑制效果要比层流下分别高出40%,10%,15%,其原因在于湍流扩散作用加强了某些不良输运特性组分的扩散,使得灭火添加剂的效果更强。不同Re数下的局部Damkholer数分布表明该灭火添加剂使得火焰变的不稳定,稳定燃烧位置沿轴向方向提高了3倍喷口直径的距离。     

楼梯间电动车火灾数值模拟研究

楼梯井电动车火灾呈典型的烟囱效应现象,短暂燃烧,浓烟迅猛,往往危害很大。模拟结合全尺寸实验结果,基于FDS软件对电动车在楼梯井内燃烧进行动态仿真,相关数据进行对比分析。研究结果表明:物理实验数据与数值模拟数据比较吻合,楼梯间平均温度370℃左右,最高温度超过1 000℃,楼梯间浓烟毒性很大;火焰卷吸处上方的无量纲温度随楼梯井竖直高度的增加而减小,同一区域的近墙处温度较高;火灾后期在喷淋作用下,CO浓度在火灾熄灭阶段有所增加。     

水温对平流式二沉池运行影响的数值模拟

借助改进的RNG κ-ε两方程湍流模型和简化的多相流混合模型,采用计算流体力学软件Fluent模拟某污水处理厂平流式二沉池在不同水温下的运行效果.通过对比Johnson对水库水温变化的实测数据验证了模型和模拟方法的可靠性.对平流式二沉池的模拟结果表明:不同水温条件下池内水流速度存在相似的分布,在池的下部和上部各存在一个回流区;池内水温降低会造成上部回流区域减小、出水固体颗粒质量浓度增大,从而导致二沉池的颗粒去除率降低;采取增大颗粒粒径、密度和在沉淀池出水口前加设挡板的措施均能有效降低出水固体颗粒质量浓度.     

不同堆积型式硫化矿石堆积体温度场数值模拟

基于有限元数值方法,研究硫化矿石堆积体温度场的空间分布规律,建立硫化矿石堆积体温度场数值模型。利用该模型,计算了不同堆积型式的硫化矿石堆积体温度场演化规律,按照结构堆积型式分为:三角形堆积体和梯形堆积体。计算结果表明,硫化矿石堆积体温度分布受堆积型式影响显著:对于靠侧壁呈三角形的堆积型式,温度场关于侧壁角点和坡面中点连线对称分布;对于平面地基上梯形的堆积型式,温度场并不完全关于过形心点垂线对称分布。在两种型式的堆积过程中堆积体内最高温度值基本相同,而在后期堆放过程中,采用梯形堆积型式的最高温度值较三角形堆积型式的计算结果偏低。     

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。