A numerical study on the feasibility and efficiency of point smoke extraction strategies in large cross-section shield tunnel fires using CFD modeling

The strategy of smoke control is of high importance for the design process of tunnels, especially for long and large cross-section tunnels. The South Hongmei Rd. Tunnel (SHT) located in Shanghai, China, is a 3.39 km long shield TBM (tunnel boring machine) tunnel with an external diameter of 14.5 m. The point smoke extraction system was proposed initially as the main ventilation strategy during a tunnel fire. To investigate the fire characteristics in the tunnel and develop appropriate smoke control strategies, a series of numerical 3D Computation Fluid Dynamics (CFD) simulations were conducted. Three fire scenarios, namely 5 MW, 20 MW and 50 MW, were modeled to evaluate the point extraction system. The gas temperatures, the stratification of the smoke, air temperature, minimum visibility etc., during the smoke spreading of a fire were analyzed. Based on the results of the simulation, the smoke extraction strategies according to fire scale and fire location were proposed for fire extinguishing. It was found that the three-point extraction opening strategy can control the smoke better than two-point extraction opening strategy under various fire scales, especially under serious fire scenario. From the results, damper openings ranged at closer intervals were found more efficient in two-point extraction system. Besides, placing the damper openings in the longitudinal direction can improve the efficiency of smoke extraction. It also results in reduction of the quantity of prefabricated members of duct slab and the process of assembly will be simplified during the construction.     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

不同场地条件下水下隧道周围土体位移变化的数值分析

以拟建的哈尔滨松花江隧道为背景,考虑土体—衬砌的材料非线性特性和相互作用,按平面应变假定,建立在不同场地条件下的若干接近实际的有限元计算模型,应用有限元计算软件ANSYS进行数值分析,得出不同场地条件下隧道周围土体位移的分布规律,遴选出了影响水下隧道周围土体变形的部分关键因素,为合理确定隧道覆土层安全厚度提供了一定的理论依据。     

集中排烟公路隧道入口段火灾下诱导风速研究

为研究集中排烟模式下公路隧道入口段发生火灾时的合理诱导风速,以某公路隧道为背景,运用火灾动力学模拟软件FDS对隧道人口段火灾时不同坡度、不同诱导风速的16组火灾工况进行模拟研究,通过对各工况下隧道内的温度场分布及烟气控制效果模拟结果的分析,得到了各工况下的合理诱导风速,研究结果可为公路隧道集中排烟系统关键设计参数提供参考.     

水下公路隧道纵向疏散通道加压送风系统研究

为研究水下公路隧道纵向疏散通道加压送风系统的关键设计参数,结合纵向疏散通道的特点,借鉴一般建筑加压送风系统的设计要求,提出了纵向疏散通道内加压送风量的计算方法,并通过数值模拟方法对纵向疏散通道加压送风系统进行了研究。结果表明,利用风速法计算得到的送风量比压差法计算得到的结果大20倍左右,并且压差法计算送风量时受疏散口缝隙宽度影响较大,工程适用性差。通过数值模拟可知,疏散通道内的送风风速达到1.5m/s时即能够满足人员安全疏散要求,这与风速法计算的结果一致。研究结果可供采用纵向疏散模式的隧道疏散通道加压送风系统设计参考。     

巷道及边坡工程中的膨胀岩灾害与防治

分析了膨胀岩的胀缩机理及影响因素,总结了近几年的理论研究成果。着重论述了巷道和边坡工程中的膨胀 岩所造成的灾害形式,通过分析诱发灾害的机理,有针对性地提出了一些防治措施。     

基于OpenFOAM的综合管廊舱内燃气泄漏扩散数值模拟

为实现综合管廊燃气泄漏扩散的精确高效模拟分析,进而为综合管廊燃气泄漏事故的安全防控提供技术支撑,利用OpenFOAM对城市地下综合管廊舱内燃气泄漏扩散进行数值建模计算,研究分析通风受限空间内的燃气泄漏扩散规律,并结合对应急响应时间的分析验证了通风策略的有效性。研究结果表明:气体射流作用与浮升力作用是影响综合管廊燃气泄漏扩散浓度分布的重要因素,采取合理的通风措施可有效加速燃气的流动与扩散,缩短燃气泄漏报警响应时间,有利于燃气泄漏事故应急决策与应急救援的快速实施。     

隧道救援站通风网络优化设计及人员疏散研究*

为确定铁路隧道救援站最佳通风结构,对烟道布置提出合理建议,采用计算流体力学（CFD）的方法,对铁路隧道救援站通风网络进行优化设计。同时,采用模拟计算的方法对救援站人员疏散进行模拟分析,确定救援横通道布置及防护门开度设置的合理性。研究结果表明:在同等通风参数工况设置下,采用多节点排烟竖井结构后各救援横通道流量分配更均匀,救援站压力平衡性更好,通风效率可提升15%;通过疏散模拟证实,在长560 m的紧急救援站范围内设置10条疏散横通道,横通道设1.7 m宽的逃生门能够满足疏散要求。     

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。     

综合管廊内火灾自动报警探测器实验研究

为了能够有效提升综合管廊内火灾自动报警系统的准确性和可靠性,本文采用火灾实体试验的方法,通过对各类型火灾自动报警探测器响应时间的情况进行分析和比较,研究综合管廊电力舱内常用探测器的性能。研究结果表明:接触式缆式线型感温火灾探测器可以较早的探测到电缆温度异常变化的现象,可用于早期预警。点型感烟探测器对烟粒子浓度较为敏感,可用于综合管廊电力舱室的空间探测。分布式光纤型感温火灾探测器对明火温度的变化较为敏感,作为空间型的火灾探测器比较可靠。