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。     

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。     

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。     

纵向风速对隧道内烟气发展影响的实验研究

通过在鹰嘴岩隧道内的现场模拟火灾试验,对不同纵向通风速率下隧道内烟气发展过程进行了研究。结果表明,纵向风速和火源大小均对烟气层沉降有重要影响。相比之下,纵向风速对烟气层沉降的影响更大;火源位置较高时,烟气层热膨胀力较大,在距离火源一定距离外仍可产生上游方向的烟气逆流;一定坡度的隧道在某种条件下可以产生"弱烟囱效应",导致烟气向下游方向的流速增加。在隧道设计中可以考虑利用这一点来增加排烟效率。     

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。     

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。     

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。     

高海拔铁路隧道火灾燃烧特性试验研究

采用火灾模型试验的研究方式,在高海拔特长铁路隧道——关角隧道(32.645 km)的斜井内进行火灾燃烧的全尺寸模型试验,测得不同火灾规模条件下隧道内温度和烟气分布,通过分析试验结果,得到高海拔隧道火灾的燃烧特性。研究结果表明:隧道拱顶处温度高于隧道中心线附近温度;火源附近温度最高,隧道内各位置温度随着距火源点距离增加而降低;纵向风速对隧道内烟气分布有重要影响,火源下游温度高于上游温度。结合试验的分析结果,就高海拔隧道火灾防灾救援设计提出建议。     

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。     

支路隧道坡度对地下立交分岔隧道烟气扩散特性影响的模拟

通过数值模拟对地下互通立交隧道的典型结构-分岔隧道处烟气的扩散特性进行了研究。分析了火源位于分岔路段上游时,下游支路隧道坡度及火源功率对主、支路隧道烟气质量流量分配及烟气温度分布的影响。结果表明:火源功率一定时,随下游支路隧道坡度增大,火灾中产生的烟气会更多地流向火源下游,并流入支路隧道,上游主隧道内的烟气温度降低;火源功率除影响产烟量及隧道内的温度分布外,对主、支路隧道的烟气质量分配影响较小。     

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。     

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。     

纵向风和阻塞比对隧道双火源温度分布的影响*

为研究城市公路隧道内纵向通风和障碍物对双火羽流行为的影响,采用数值模拟方法分析双火羽流纵向烟气温度变化规律。研究结果表明:随着风速的增加,顶棚下方最高温度不断降低,烟气逆流现象逐渐减弱至消失;随着阻塞比的增加,下游火源一直向下游倾斜,而上游火源逐渐由向下游倾斜转变为向上游倾斜;基于流体力学理论,引入阻塞比修正无障碍物时的弗劳德数,进而建立适用于隧道内有障碍物的双火羽流顶棚最高温升分段预测模型,研究结果可为隧道火灾防治提供基础数据和理论参考。     

城市公路隧道火灾近火源区长度的研究

为对近火源区长度进行研究,以城市公路隧道为研究对象,采用理论分析与数值模型相结合的方法,探究了大火源功率、有效顶棚高度和火源横向位置对近火源区长度的影响,对36个工况的数值模拟和温度场变化规律的研究与分析。结果表明:火焰未撞击顶棚时,火源功率对近火源区长度几乎没有影响;当火焰持续撞击顶棚并形成水平扩展火焰时,近火源区长度受火源功率和有效顶棚高度影响较大,其无量纲形式与无量纲火源功率的2/3次方呈线性关系;随着火源与侧壁距离的减小,近火源区长度呈自然指数增加趋势;火源贴壁时,近火源区长度是火源位于隧道中部时的1.866倍;提出了近火源区长度预测模型,基本揭示了烟气由过渡阶段转入一维蔓延阶段起始位置的变化规律,能够为定量研究各阶段烟气流动特性提供参考依据。     

城市地下交通联系隧道烟气控制探讨

为了给城市地下交通联系隧道(UTLT)防排烟系统设计和人员应急救援提供参考依据,以重庆某UTLT二期工程一段主隧道为例,开展全尺寸火灾试验,探讨了横向排烟方案的烟控效果,并验证了Alpert顶棚最高温升衰减模型。结果表明,UTLT主隧道段采用横向排烟方案,当防烟分区长度为120 m时,采用的排烟量设计方法是合理的。当隧道为上坡时,最有利的烟气控制模式为同时开启着火分区及下游相邻分区的排烟系统和与排烟分区紧邻的上、下游两个分区的补风系统。隧道顶部烟气最高温升衰减规律为:下游距火源无量纲距离r/H0.57及上游部分,呈指数衰减;下游距火源无量纲距离r/H0.57部分,呈幂函数衰减,且衰减程度与排烟方案有关。     

车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度变化规律研究

通过数值模拟方法对车辆阻塞效应下的隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度的变化规律进行了研究。主要分两种车辆阻塞效应讨论:1辆设定大小车辆障碍物阻塞;2辆设定大小车辆障碍物阻塞,且在同一车道。通过改变火源高度、纵向通风速度探究了车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度的变化规律。结果表明:两种车辆阻塞效应下,随着火源高度的升高,隧道内顶棚烟气温度的变化规律相同:随火源高度的升高而增大。2辆车辆阻塞下的隧道顶棚烟气温度略低;两种车辆阻塞效应下,随着火源高度的升高,隧道内烟气逆流长度的变化规律不同。1辆车辆阻塞下烟气逆流长度随火源高度的升高而增大,而2辆车辆阻塞效应下烟气逆流长度随火源高度的升高而减小。     

不同地铁车站吊顶形式对火灾烟气扩散的影响

针对实吊顶以及镂空率格栅吊顶装修形式的典型地铁车站站厅,采用大涡模拟的方法计算出不同镂空率吊顶在不同火源功率下的烟气层高度,分析评估镂空吊顶对烟气层沉降和温度分布。研究结果表明,火灾发生360 s内,格栅吊顶的蓄烟作用有助于将烟气层维持在安全高度,且随着镂空率增加维持烟气层在安全高度的效果越明显。但是镂空吊顶上方由于烟气温度较高,容易对吊顶内的各类设备产生危害。