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。     

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。     

隧道坡度对临界风速影响的数值研究

临界风速即隧道火灾过程中能有效控制烟气于火源下风方向而不发生逆流的最小纵向通风风速,是隧道火灾烟气控制的关键所在.根据国内外的研究结果,临界风速与火灾规模、隧道规模以及断面形状等因素有关.在坡度隧道中,由于坡度的作用,使得坡度隧道临界风速与水平隧道有着一定的差别.利用火灾动力学模拟软件(FDS)对隧道坡度在0°～10°变化时上坡隧道与下坡隧道所对应的隧道临界风速进行数值模拟分析,研究分析了隧道坡度对隧道临界风速的影响规律.     

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。     

坡度对地铁区间隧道火灾中人员疏散影响研究

为探究地铁区间隧道发生火灾时坡度对人员疏散的影响，运用Pyrosim和Pathfinder软件对区间隧道发生火灾时人员的疏散情况进行数值模拟，分析火灾烟气影响下的人员疏散速度系数，重点研究不同坡度以及不同疏散策略下的人员疏散过程。结果表明：在列车中部发生7.5 MW火灾并紧急停靠在区间隧道中部的情况下，随着坡度的增大，火灾烟气对上坡方向疏散人员的影响逐渐增大，造成人员的疏散速度逐渐减小；当隧道坡度大于1.3%时，与火灾烟气的威胁相比，人员密度对下坡方向人员疏散速度的影响占据主导作用，建议尽量采用往下坡方向疏散的策略；对于坡度小于1.3%的隧道，可同时选择上下坡2个出口疏散。     

纵向通风下坡度隧道火灾烟气特性数值模拟研究

为探讨纵向通风情况下坡度隧道火灾烟气的温度分布、回流长度等特性参数,运用火灾动力学模拟软件FDS建立一个长为500 m的公路隧道模型,对不同坡度、不同纵向通风速率的20组火灾工况进行模拟研究,通过分析各工况的模拟结果,并结合前人在隧道火灾烟气特性研究方面的成果,得到火灾情况下隧道内烟气的纵向温度分布规律、隧道拱顶温度变化规律、温度偏移及烟气回流长度变化规律等。     

基于CFD坡度隧道火灾烟气蔓延特性模拟研究

隧道是狭长受限空间的一种,其特殊性导致隧道火灾的危害比一般火灾更大,烟气层的温度以及烟气逆流距离与隧道火灾后果紧密相连。将火风压考虑在内,对坡度隧道火灾过程中烟气逆流距离进行了理论分析,得出烟气逆流距离的理论预测公式。运用CFD软件对不同坡度隧道火灾进行模拟发现坡度越大,温降幅度越大,烟气向上游蔓延的速度越慢,逆流距离越小,因此上游更安全。通过比较逆流距离的理论预测值和模拟值,发现理论值比模拟值偏小,但是两者仍然能够很好的吻合,理论预测公式能够运用于实际火灾中,为消防措施的制定提供一定的参考。     

纵向排烟与集中排烟下烟气控制效果的对比研究

以某特长公路隧道为研究背景,采用缩尺寸试验测试、数值模拟的方法分别对纵向排烟和集中排烟模式下隧道内火灾烟气的蔓延特性进行了研究,并对比分析了两种排烟系统在火灾工况下对烟气的控制效果。结果表明,纵向排烟模式将火灾烟气控制在火源下游并从隧道出口排出,高温烟气蔓延范围较长;集中排烟模式通过排烟阀将烟气抽离行车道,有效地控制了烟气蔓延和沉降,高温烟气维持在行车道的上部空间,主要通过竖井排出隧道。采用纵向排烟模式的坡度隧道烟气控制受烟囱效应影响较大,而在设置排烟道的坡度隧道中,将排烟阀开启进行自然排烟就能有效地减弱烟囱效应。因此,采用集中排烟模式的防灾安全性能要优于采用纵向排烟模式。     

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。     

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。     

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。     

纵向通风隧道内火灾温度场分布规律研究

以狮子洋水下特长隧道为工程背景,利用CFD数值模拟软件FDS 4.01,建立隧道实体物理模型,进行火灾数值模拟分析。研究了列车火灾热释放功率为15 MW、不同坡度、不同纵向通风风速下,该类隧道内拱顶附近和2 m高处温度场的纵向分布规律,以及各工况下拱顶的最高温度,并分析其对隧道结构防火和人员疏散救援的影响。结果表明:随隧道坡度的增大,在同一通风速率下的烟气回流长度逐渐减小,但随着风速的加大,坡度对烟气回流的影响逐渐减弱;随着通风风速的增大,火区附近的温度下降,而沿程温度上升,纵向通风速率越大,拱顶温度越低。     

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。     

基于混凝土循环剥落的隧道火灾损伤数值模型研究

为研究混凝土高温剥落对隧道衬砌火灾损伤的影响,在现有隧道结构非线性瞬态热—力耦合有限元模型基础上,提出1种在火灾高温条件下混凝土发生剥落的循环算法,以模拟火灾下衬砌结构截面面积的损失,并引入混凝土临界剥落温度的概念,得出基于混凝土循环剥落的隧道衬砌火灾损伤数值模型建立流程。利用该模型对某隧道衬砌结构进行火灾损伤模拟,并与试验结果进行对比验证。结果表明:火灾下隧道混凝土衬砌结构内逐渐增大的热应力是导致普通混凝土高温剥落的主要原因;可将衬砌受火面是否达到临界剥落温度作为隧道发生高温剥落的充分条件进行火灾损伤分析;模型求解所得的数值模拟结果与现场火灾试验数据基本吻合,验证了其可行性;混凝土高温剥落与否对衬砌结构等效温度应力有较大影响,在隧道衬砌结构抗火性能分析过程中应尽量考虑混凝土高温剥落造成的影响。     

半敞开式隧道火灾模型设计相似性论证

半敞开式隧道是一种节约、环保的新型隧道,但能否满足隧道火灾时的防排烟要求,需要通过试验来验证,模型试验是解决该问题的一种途径。为保证半敞开式隧道火灾模型试验结果能够有效地应用到原型,根据相似原理,对该模型试验的相似性进行了论证。以某实体隧道为原型,通过理论分析和计算,确定以弗诺德相似准则作为研究隧道火灾烟气的主要相似准则,得到模型率的取值范围为大于1∶15。同时从试验条件和可操作性等方面考虑,选取合适的模型率。最终确定半敞开式隧道火灾模型的缩比例为1∶10。     

3%坡度盾构隧道集中排烟模式排烟阀开启方式的研究

为研究坡度盾构隧道集中排烟模式下排烟阀的最佳开启方式,依托江阴靖江长江隧道,选取水下盾构隧道最常见的3%坡度作为研究对象,采用理论分析、数值模拟等方法,对3%坡度、不同排烟阀开启方式情况下的烟气蔓延范围、排烟阀温度、排烟阀流速及排烟效率进行了分析。结果表明：3%坡度盾构隧道火源下游排烟阀在排烟系统中起关键作用,上游排烟阀的开启会降低排烟效率;随排烟阀开启组数减少和向下游偏移,排烟系统排烟效率明显增大,提升范围为12.66%～50.84%;建议3%坡度盾构隧道发生50 MW火灾时,若开启6组排烟阀,则上游1组下游5组,若开启5组排烟阀,则上游0组下游5组,若开启4组排烟阀,则上游0组下游4组。     

铁路隧道火灾烟气温度场分布规律的试验研究

以我国某铁路水下盾构隧道为背景,针对不同纵向通风风速、火灾规模等因素进行了18组缩尺寸火灾模型试验,对火灾时隧道内烟气温度场的纵向变化规律、高温烟气的蔓延规律进行研究,获得了不同工况下拱顶下方烟气温度纵向分布规律、火区内和火区下游烟气最高温度分布规律,以及火灾蔓延范围等.并根据火区内烟气最高温度的试验数据,得到关于烟气最高温度与纵向通风风速及火灾规模的理论公式.拟合结果表明,该理论公式与试验数据能够较好地吻合,相关性为0.92左右.     

阻塞效应下隧道火灾临界风速的模型试验研究

迄今关于隧道火灾临界风速的研究多在隧道内不存在或存在小阻塞物的情况下进行,现有的临界风速预测模型对于隧道内存在较大阻塞物情况下的火灾烟气控制的适用性尚需验证。然而,地铁隧道中列车截面通常占据隧道横断面很大的比例,相应隧道断面阻塞比下的火灾试验研究并不多见。因此,根据相似理论搭建了1∶10缩尺寸矩形隧道试验模型,进行了无阻塞及断面阻塞比为20%、30%、40%、50%、60%情况下的油盘火试验,并利用数值模拟复现了试验,利用临界风速实测值和模拟值对现有的临界风速预测模型进行了适用性验证,并且研究了阻塞情况下的临界风速随阻塞比、火源释放速率等的变化规律。结果表明,随阻塞物占据隧道断面积比例增大,临界风速明显呈线性下降趋势,基于试验数据分析,得到了阻塞情况下的临界风速预测模型,并进一步利用现有全尺寸隧道火灾试验数据验证了该模型的可靠性。     

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。     

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。