火灾模式下公路隧道竖井温度场分布试验研究

公路隧道发生火灾时,高温和热烟气对隧道威胁巨大,竖井的烟囱效应严重影响温度和烟气的扩散,目前对竖井内温度发展情况的研究甚少。为分析火灾发生后竖井内的烟流特性及温度场的分布规律,利用大比例模型试验,以秦岭终南山公路隧道为研究对象,考察了不同火源点位置、通风工况、火灾规模情况下竖井内温度场的分布规律,对分析其它长大公路隧道火灾时竖井内温度场的分布也有一定的借鉴意义。     

车辆阻挡效应对隧道火场燃烧及烟流之影响研究

近期国际曾发生多起重大隧道火灾灾难,隧道火灾安全议题已获得全球普便之重视。目前学术界与工程界多采用缩小尺寸实验或数值模拟方法对隧道火场环境进行研究与探讨。然不论实验或计算机模拟最重要的关键为能否充分地反应出实际隧道之火场情境,方能获致合理且有意义之研究成果。检视现今之隧道火害研究,可发现几乎所有的相关研究皆仅简化地假设火场上游无车辆回堵现象,此有违火场上游应发生车辆回堵之实际隧道火灾情境,因此将无法合理地模拟火场上游车辆阻挡风机气流对火场燃烧及烟流所造成之影响。针对此项尚待厘清之议题,本研究首先执行缩小尺寸实验,以均匀风速施加于隧道横断面模拟风机作动所产生之气流,探讨隧道塞车情境对火场燃烧所造成之影响。复执行全尺寸纵流式排烟模式(轴流风机)隧道火灾情境计算机数值模拟,针对火场上游是否有车辆回堵、回堵车体尺寸、火源与回堵车体距离等变因对火场燃烧、温度及烟流所造成之影响进行探讨。研究结果发现火场环境及烟流将受有、无车辆回堵、回堵车体大小及火源与车体距离等因素而有不同程度之影响。     

坡度对隧道火灾温度分布特性的影响研究

为了研究隧道火灾的坡度效应,采用CFD数值模拟的方法对不同坡度下的隧道火灾烟气蔓延及温度分布特性进行了模拟。结果发现,与水平隧道相似,不同坡度下隧道纵向温度沿程分布呈指数衰减规律;然而,由于隧道坡度诱导的火风压会对烟气蔓延产生作用,使得烟气在不同区域表现出不同的坡度效应。在火区,拱顶温度随坡度增加而增加;在火区上游,拱顶温度随坡度增加而减小;在火区下游,拱顶温度基本不随坡度变化。另外,通过数据拟合建立了与坡度相关的隧道上游烟气温度纵向分布的理论预测关系式。     

设疏散平行导洞时超高海拔隧道的临界长度

为了研究基于避灾疏散需求而设置平行导洞的隧道的临界长度,利用FDS软件,在单个火源未发生蔓延,人群逃生速度不发生变化和洞内风速为火灾工况控制风速2.5m·s~(-1)的假定条件下,模拟超高海拔隧道火灾发展过程,分析火灾温度、烟雾扩散速度与隧道内人员逃生速度的关系,从防灾救援的角度提出:当人员逃生距离达约600m时易发生危险,从而得到超高海拔单洞双向交通隧道设置避灾疏散平导时,其临界长度为1 200m。     

东西高速公路隧道火灾逃生模拟分析

隧道内发生火灾是不可避免的,该文利用FDS(Fire Dynamics Simulator)软件,模拟了隧道内发生火灾时洞内温度、能见度、热辐射强度以及随时间蔓延、扩散的情况,为火灾逃生分析提供了理论依据,并提出了减少火灾灾害的措施.     

公路隧道火灾烟气特性数值模拟分析

本文针对典型的隧道类型,基于计算流体动力学模型,通过数值模拟试验和理论分析,对隧道火灾的发生、发展状况以及烟气的扩散和运动规律进行了研究,分析了不同风速和火灾规模状况下的烟气层的运动状态,空间温度场的分布和变化规律以及火灾对人员疏散安全的影响等问题。同时,研究了风速、火源功率以及截面形状等关键参数对火灾烟气及温度变化的影响。研究表明,纵向通风速度对沿隧道长度方向的烟气层高度的分布有着很大的影响,圆形截面可以储存更多的烟气并能有效降低隧道底层的温度。该结论可为我国公路隧道防火措施的制定提供有益的参考。     

公路隧道中控制火灾烟流的计算模型

本模型揭示公路隧道火灾期间发生逆流时火源区域烟流流动规律,得出公式可用于估算阻止火灾期间发生逆流时所需的“临界风速”。从本模型得知临界风速取决于隧道高度和火源热释放率的大小。通过与原型试验隧道火灾试验数据进行比较,本模型可以为防灾通风设计提供依据。     

控制纵向通风隧道火灾烟流的模型

本模型揭示了公路隧道火灾时期发生逆流时火源区域烟流流动规律，分析得出公式可以估算阻止火灾时期发生逆流时所需的“临界风速”。从本模型得知临界风速取决于隧道高度和火源热释放率的大小。通过和在原型试验隧道火灾实验数据的比较，本模型可以为防灾通风设计提供依据。     

侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热性能研究

为探究侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热作用，并为隧道的水幕设计和消防疏散提供参考，使用FDS软件对水幕模型进行数值模拟计算。在8 MW的火灾规模下，研究隧道顶部2个喷头和4个喷头2种布置方式，0.08、0.1、0.25、0.4 MPa 4种水喷头工作压力、侧向排烟量大小、排烟口间距和数量等主要因素对隧道水幕阻烟隔热性能的影响，分析比较烟气扩散范围、温度及能见度的变化规律，评估隧道疏散救援环境。结果表明： 水幕系统能抑制隧道内烟气的扩散，阻止隧道温度过快上涨，并能改善隧道内的能见度； 水幕系统在排烟量增加、排烟口间距减小、排烟口数量增加的情况下，阻烟隔热性能更明显； 水幕系统对隧道内能见度的改善作用只维持于火灾发生的前中期，后期效果将减弱，因此消防救援工作应在火灾发生的前中期开展。     

基于圆形断面的隧道温度场有限差分计算模型

除了少数圆形隧道外,大部分山岭交通隧道断面采用马蹄形或端墙式等形状。在隧道温度场的预测中,圆形断面模型能否代替马蹄形等实际隧道模型,其适应性值得研究。应用基于空气－衬砌－围岩的对流－导热耦合作用控制方程的有限差分方法,建立圆形断面模型对东北寒区马蹄形隧道温度场进行计算,并与现场实测温度场进行对比。结果表明： 1) 圆形断面隧道模型有限差分计算方法克服了通用有限元软件建模复杂、对硬件要求高的弊端,考虑了隧道内风流速度和入口风流温度的影响,在隧道温度场的预测计算中能够满足工程使用要求。2）隧道内风流速度和入口风流温度对隧道温度场影响较大。本文算例中,入口风流温度每升高10 ℃,二次衬砌表面温度升高约7.2 ℃,增幅均匀;从1～5 m/s,洞内风流速度每增大1 m/s,二次衬砌表面温度降低的幅度为6.6、2.7、1.5、0.9 ℃,降幅越来越小。     

纵向通风下不同坡形隧道火灾烟气温度分布特性研究

为了解决不同纵向坡形隧道发生火灾时的烟流控制问题,以宝兰客运专线渭河隧道V形坡火灾通风为例,采用三维数值模拟方法,对不同坡形下烟气温度的分布特性进行研究。通过对V形坡、单面坡和人字坡等不同坡形隧道在不同纵向通风速度下的火灾工况模拟,对比分析隧道拱顶、一人高和3.0 m高处的温度分布特征。结果表明： 在火灾发生初期,当无纵向通风时,在变坡点火源车厢附近人字坡的温度最高,但随着离火源点距离的增大,V形坡的温度逐渐达到最大;当有纵向通风时,V形坡下游沿程的温度最高,且随风速增大,温度最高区域的分布范围逐渐扩大,而单面坡和人字坡的温度变化曲线基本一致,并在离火源点较远的下游区域趋于定值;在本研究范围内的坡形、坡度条件下,当纵向通风风速达到2 m/s 时,烟控效果最好。     

四洞公路隧道火灾模式下烟气控制标准研究

为了确定四洞公路隧道火灾模式下的烟气控制标准,通过理论公式计算得到火灾隧道内防止烟气逆流的纵向临界通风风速,并采用火灾动力学软件FDS进行对比验证,同时研究阻塞场景下在相邻安全隧道内进行反向通风的控烟模式,得到阻止烟气经火源下游的横通道蔓延到安全隧道的临界风速。结果表明:Kennedy理论公式计算的结果与FDS模拟结果吻合较好,确定三车道隧道火灾模式下临界风速为2.2m/s,双车道为2.3m/s;阻塞场景下,三车道隧道发生火灾时,相邻三车道安全隧道反向通风临界风速不小于3.5m/s,双车道隧道发生火灾时,相邻三车道安全隧道反向通风临界风速不小于5.5m/s。     

城市浅埋隧道竖井排烟烟气逆流的影响研究

为研究浅埋隧道中烟气逆流长度的影响因素，以武汉东湖隧道为工程背景，采用量纲分析法，构建竖井排烟隧道内火源上游烟气逆流长度无因次表达式，并通过数值模拟，量化研究火源热释放速率、纵向送风风速、竖井与火源距离、竖井宽和高对火源上游烟气逆流的影响。结果表明： 上游烟气逆流长度随火源热释放速率、竖井与火源距离增长而增大，但当超过一定值时，烟气逆流长度均趋于稳定； 随着隧道纵向风速和竖井宽度的增加而减小，且不受竖井高度变化的影响； 同时，火源热释放速率与纵向风速的影响明显强于其他因素。创新性推导出了考虑火源热释放速率、纵向送风风速、竖井与火源间距、竖井宽度情况下火源上游无量纲烟气逆流长度的预测公式，且与数值模拟结果良好吻合。     

公路隧道内火灾烟气温度及层化高度分布特征试验

通过在云南昆明—石林高速公路阳宗隧道内的现场模拟火灾试验,对不同纵向通风速率下公路隧道内火灾烟气温度及层化高度沿隧道的分布特征进行了研究。结果表明:拱顶下方烟气温度沿隧道呈幂指数分布;纵向通风速度对烟气层高度沿隧道的分布有重大影响,纵向风速较小时,烟气可以在隧道上部空间维持较好的层化结构,不会影响火灾发生时人员的安全疏散,而较大的纵向风速将导致烟气层高度沿隧道迅速降到地面,对火灾发生时的人员疏散造成威胁。     

带竖井长大公路隧道火灾通风的CFD分析

针对带竖井的长大公路隧道,建立了隧道火灾物理、数学模型,并运用CFD的方法进行数值求解,用连续方程、动量方程、能量方程及气体组分方程描述其气流流动状态。并采用受浮力影响的湍流模型方程,选取秦岭终南山特长公路隧道作为计算模型,分析了不同通风风速下,隧道与竖井内的速度场和温度场,从而较全面地了解隧道和竖井内的火灾特性和烟气发展规律。分析表明3 m/s的通风风速对于防止出现回流,缩小火灾影响范围是比较理想的。     

6 km长公路隧道全射流纵向排烟现场实体火灾试验研究

为研究6 km长公路隧道全射流纵向排烟的可行性与有效性，依托羊鹿山隧道开展全射流纵向排烟现场实体火灾试验。试验在不利于排烟的下坡隧道（左洞）内进行，考虑5、10 、20 MW3个不同等级的火灾规模，并对不同工况下隧道内沿程风速、排烟时间等进行研究。通过对不同火灾工况下油盘火现场试验，得出如下结论： 1）现场火灾试验期间，羊鹿山隧道左洞内自然风速为1.0~1.6 m/s，与排烟方向相反，为排烟阻力； 2）隧道内开启6组以上风机时，下坡隧道内沿程风速大于3.0 m/s； 3）根据5、10、20 MW油盘火排烟试验结果，采用全射流纵向排烟方式能将隧道内烟气全部排出洞外，且从点火开始到烟气全部排出洞外的时间约为30 min。     

隧道内横向偏置火源火灾烟气温度特性全尺寸试验研究

为了研究隧道内火灾温度分布规律和烟气运动状态，使交通隧道火灾灾害降到最低，通过全尺寸隧道火灾试验研究了热释放速率为30 MW火源位于偏离横向中心位置一个车道宽度条件下的顶棚射流的烟气温度特征，分析了烟气在各阶段的温度分布以及沿横向和纵向扩散的规律。结果表明：在火源下游一定区域内，偏置火源火灾产生的烟气在沿隧道横向和纵向扩散温度分布均呈非对称形态；烟气继续沿纵向扩散一段距离后，逐渐出现和形成温度分层；偏置火源顶棚射流的温升趋势随时间呈二次多项式关系增长，远壁面烟气沉降高度和温度衰减幅值大于相应中心火源的试验值；与中心火源的相似，火源在下游30 m内的顶棚射流温升随纵向距离的增加符合指数衰减规律，但同时还受到偏置距离的影响；可使用量纲一的偏距与量纲一的纵向距离的函数关系式描述其分布规律。     

风载环境下隧道光纤光栅火灾探测器响应和报警特性

为研究风载环境下的隧道线性感温光纤光栅火灾探测器的响应特点及响应阈值设定对报警结果的影响,以全尺寸隧道为实验平台,设计2种光纤光栅（FBG）火灾探测器的火灾实验场景,分析2种不同风载作用下报警阈值对报警响应时间的影响及风载对探测器响应速率的影响。实验结果显示： 1）报警阈值从10 °C/min减小到3 °C/min时,低风速（0.4 m/s）下的报警响应时间缩短了24 s,而在高风速（5 m/s）情况下,报警响应时间仅缩短了4 s,表明在低风速情况下,FBG火灾探测器的响应更灵敏; 2）风速对火灾烟气的扩散影响显著,位于下风向的光纤探测器响应速率明显高于上风向的光纤探测器响应速率,可由此作为推算烟气移动速度、到达位置及火灾时风载速度的一种方法。     

长大公路隧道火灾安全疏散研究

为研究长大公路隧道运营期火灾发生时人员的安全疏散,首先对隧道火灾发生的原因、特点以及影响安全疏散的主要因素进行分析探讨,其次以某特长公路隧道为例,基于计算流体动力学模型,利用CFD软件对隧道进行火灾的数值模拟,研究了火灾时隧道内的烟雾、温度场的纵向分布扩散规律。并根据计算结果对隧道结构的通风防灾系统进行人员的安全疏散模拟。结果表明,在3 m/s的纵向通风条件下,当出现最不利火灾工况时,原有的通风防灾系统满足人员疏散的要求。     

高海拔公路隧道火灾烟气控制临界风速研究

为了探究高海拔与低海拔公路隧道火灾燃烧特性的差异,掌握高海拔隧道火灾烟气控制临界风速计算方法,给高海拔隧道防灾通风及人员疏散设计提供参考,建立1∶16的缩尺寸移动式水平模型隧道试验台,对海拔高度为504、3 297、3 544、4 103、4 446 m的5个地点开展隧道火灾热释放率试验研究,并采用三维数值计算方法和量纲分析,对不同海拔高度、不同火灾热释放率工况下水平隧道内烟气控制临界风速进行研究和分析。结果表明：在油盘尺寸相同的情况下,随着海拔高度的增加,火灾热释放率明显减小,燃烧时间显著增长,当海拔超过3 000 m时,高海拔地区隧道稳定段火灾热释放率仅为海拔504 m隧道火灾稳定段热释放率的60.9%。隧道火灾临界风速随着海拔高度的增加而增大,其表现出2种典型变化规律：火灾热释放率大于30 MW时,海拔高度对临界风速影响较小,同一火灾热释放率下,海拔5 000 m时隧道内临界风速较海拔0 m时提高了不到2%;火灾热释放率小于30 MW时,海拔高度对临界风速的影响显著增强,且随着热释放率的减小影响不断增大,当火灾热释放率分别为5.73、12.67 MW时,海拔5 000 m隧道内临界风速较海拔0 m时分别提高了26%和13%。基于高海拔隧道火灾热释放率及隧道火灾临界风速的变化规律,提出了典型双车道高海拔隧道火灾烟气控制临界风速的计算方法。