隧道火災(zāi)發(fā)展特性及豎井自然排煙方法研究.pdf

1、為了應(yīng)對經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展和城市現(xiàn)代化進(jìn)程，各種隧道不斷涌現(xiàn)出來。通常情況下，在這類狹長空間中，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救將十分困難，很容易造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近年來國內(nèi)外發(fā)生了多起重特大隧道火災(zāi)，引起了極為廣泛的社會(huì)關(guān)注。目前，在隧道火災(zāi)研究領(lǐng)域，已有不少國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。基于隧道火災(zāi)研究現(xiàn)狀中存在的問題和不足，本文在以下幾個(gè)方面開展了研究:
　　開展小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了火焰沒有撞擊到隧道頂棚的較小火災(zāi)中，橫向火源位置對頂棚

2、下方煙氣最高溫度和溫度分布的影響。結(jié)果表明隧道側(cè)壁的限制作用會(huì)使頂棚下方最高溫升相比火源在非受限空間和隧道縱向中心線時(shí)的有所增加。隨著火源到側(cè)壁的距離減小，最高溫升開始幾乎不變，在其距離減小到某一值時(shí)大幅度增加。建立了頂棚下方煙氣最高溫升與火源到隧道側(cè)壁距離關(guān)系的預(yù)測公式。發(fā)現(xiàn)對于各種火源尺寸和橫向位置的工況，頂棚下方煙氣溫升隨著到火源縱向距離的增大而呈指數(shù)減小，并建立了預(yù)測模型。建立了考慮橫向火源位置的預(yù)測頂棚下方煙氣溫升橫向分布的模

3、型。
　　開展小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了火焰撞擊到隧道頂棚的較大火災(zāi)中，隧道側(cè)壁對火焰形態(tài)、燃燒速率和頂棚火焰長度的影響。結(jié)果表明當(dāng)火源距離側(cè)壁較近時(shí)，由于側(cè)壁對火焰卷吸空氣的限制，火焰會(huì)向側(cè)壁傾斜，同時(shí)豎向火焰體積減小，頂棚火焰長度增加。隨著火源到側(cè)壁距離的減小，由于被火焰加熱的側(cè)壁和頂棚火焰對燃料的輻射熱反饋增加，相對于火源在隧道中心的工況，燃燒速率會(huì)增加。然而，對于各種形狀（長寬比）的火源，最大燃燒速率并沒有出現(xiàn)在火源緊貼壁面時(shí)，而是

4、火源到側(cè)壁有一定距離時(shí)。這是因?yàn)樵诨鹪促N壁的工況中，由于火焰形狀改變（因側(cè)壁對其卷吸空氣的限制），豎向火焰部分對燃料的輻射反饋減小。頂棚下方橫向火焰長度和縱向火焰長度的比值隨著火源到側(cè)壁的距離減小而減小，在火源貼壁和最大火焰長度的工況，此比值下降到0.5，恰好符合鏡像原理。由于側(cè)壁的影響并非是單調(diào)的，所以在較高燃燒速率的工況下頂棚火焰長度未必較大。建立了頂棚火焰長度與火源功率、火源尺寸的關(guān)系式。
　　開展小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了隧道橫截面

5、尺寸（隧道寬度和高度）對火災(zāi)特性的影響。發(fā)現(xiàn)對于火焰撞擊到隧道頂棚的正庚烷池火，隧道寬度對處于燃料控制（通風(fēng)良好）的火災(zāi)的火源功率幾乎沒有影響，而較低的隧道高度會(huì)導(dǎo)致較大的火源功率。各尺寸隧道中正庚烷池火的火源功率達(dá)到開放空間的3倍左右。對于燃料控制的木垛（木垛/塑料）火災(zāi)，隧道中的火源功率可達(dá)開放空間的1.25倍，而且不受隧道寬度和高度及縱向風(fēng)速的影響。而在通風(fēng)控制（通風(fēng)不良）的條件下，隧道中的火源功率會(huì)小于開放空間的。對于小尺寸實(shí)驗(yàn)

6、中較大的隧道火災(zāi)，頂棚下方最高溫度是火源功率和縱向風(fēng)速的弱函數(shù)，受隧道寬度的影響也比較小，而隨著隧道高度的減小而明顯增大。這是由于在較低隧道中，頂棚更加靠近持續(xù)火焰區(qū)的基部，導(dǎo)致頂棚下方溫度更大。對于正庚烷和木垛火災(zāi)，總體來說，火源下游頂棚下方的煙氣溫度隨著隧道橫截面面積的增大而減小。對于頂棚下方溫升衰減率，火源功率也是一個(gè)影響其變化的重要參數(shù)，因而引入一個(gè)無量綱火源功率，建立了考慮隧道橫截面尺寸和火源功率的溫升衰減公式?；鹪聪掠蔚孛嫣?/p>

7、的熱流與頂棚下方的煙氣溫度有著密切的關(guān)系，較大的隧道橫截面面積會(huì)導(dǎo)致地面處較小的熱流。
　　開展小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了豎井自然排煙作用下的空氣卷吸模式。發(fā)現(xiàn)豎井排煙會(huì)對煙氣層和空氣層分界面處造成劇烈擾動(dòng)，使得煙氣層下方的部分空氣被直接吸入豎井，即發(fā)生吸穿現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)縱向風(fēng)會(huì)對隧道內(nèi)的煙氣分層穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響，進(jìn)而影響豎井中的排煙過程。當(dāng)縱向風(fēng)速較小時(shí)，豎井中會(huì)形成較強(qiáng)的煙囪效應(yīng)，導(dǎo)致吸穿現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)縱向風(fēng)速較大時(shí)，在

8、豎井與隧道頂棚的連接位置會(huì)發(fā)生煙氣的邊界層分離現(xiàn)象，使得豎井中產(chǎn)生大量的漩渦。存在一個(gè)縱向風(fēng)速的臨界值，可以避免吸穿現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)邊界層分離現(xiàn)象也不明顯，可以得到較好的排煙效果。對于多豎井的設(shè)置問題，在豎井總橫截面面積不變的情況下，各豎井的總排煙量隨著豎井?dāng)?shù)量的增多而增大。而對于豎井?dāng)?shù)量相同的工況，縱向風(fēng)速最大時(shí)的各豎井的總排煙量最小，這是由于大部分豎井中發(fā)生了明顯的邊界層分離現(xiàn)象。在隧道頂部均勻設(shè)置多個(gè)橫截面較小的豎井能夠分散和減弱