隧道内不同间距双火源火灾试验及模拟研究

为了给隧道双火源事故中的人员疏散和应急救援提供参考，研究隧道内部双火源火灾条件下的燃烧行为和火场环境，搭建1∶10缩尺寸模型隧道，开展不同火源间距下的双火源油池火试验，研究燃烧速率、火焰形态和隧道内纵向温度分布；同时，采用PyroSim数值模拟的方法分析隧道内部双火源之间距底面高度0.1、0.15 m处的温度分布。试验结果表明：对于隧道内双火源火灾，燃烧速率受火源间距影响较大，当间距从2D(D为油盘边长)增加到8D时，燃烧速率从20.43 g·m^-2·s^-1下降至15.61 g·m^-2·s^-1，并逐渐接近单火源燃烧速率；燃烧过程中火焰相互倾斜，倾角会随着间距增加逐渐减小，由18.3°减小至13.7°。由于两火源之间相互限制，火源之间区域内的热量不断积聚，双火源间近顶板温度明显偏高；双火源外侧远端近顶板处纵向温度呈指数衰减规律，与单火源远端顶板温度分布规律保持一致，但温度衰减因子会随着双火源间距的增加逐渐变大。数值模拟结果表明：双火源之间温度分布呈现出凹形分布规律，随着距火源距离的增加，温度迅速下降，后逐渐保持稳定，但稳定区间内的温度仍然较高，会对人员造成伤害。双火源间距对火源之间的温度分布影响较大，随着间距增加，双火源之间的稳定温度逐渐下降，对人员疏散影响逐渐变小。双火源之间温度分布规律研究结果可为火灾初期被困人员的施救提供参考。     

城市环廊隧道多种排烟方式组合排烟效果试验（双语出版）

考虑到城市环廊隧道（Urban Traffic Link Tunnel,UTLT）事故通风和火灾烟气控制的难度,为了给其提供防排烟优化设计方案,采用CO₂为示踪气体,对隧道单独采用横向排烟方式时的排烟、排热效率进行考查。对射流风机纵向排烟配合轴流风机集中排烟、射流风机纵向排烟配合排烟井自然排烟2种组合排烟方式在UTLT中的效果进行研究。结果表明：在UTLT中单独使用横向排烟时,随着排烟量的提高,排烟、排热效率增长趋于缓慢;增大横向排烟量会增加风机房与管道的占地面积,可能在城市核心区使用时遇到困难;采用火源上游射流风机纵向排烟与火源下游轴流风机集中排烟配合的方案,在轴流风机排烟量不变的情况下,仅仅依靠轴流风机的驱动力难以抑制烟气往火源上游蔓延;需要借助射流风机营造的纵向气流配合,但纵向风速过大又会加剧烟气向下游分支蔓延;采用火源上游射流风机纵向排烟与火源下游竖井自然排烟配合的方案,在纵向风速一定的情况下,须合理设置排烟井的截面尺寸与高度。     

基于FDS的某公路隧道侧向集中排烟系统研究

利用FDS火灾动力学模拟软件对某公路隧道进行了模拟试验,研究了隧道侧向集中排烟系统中排烟口面积、排烟口排列方式、不同排烟风量以及纵向通风对烟气蔓延范围、烟气温度场分布、排烟口流量以及排烟口速度等对排烟效果的影响。结果表明,均匀排列方式的排烟效果优于按组排列的方式,排烟效率和排烟效能随着排烟风量的增加呈现出先增后减的趋势,因此,可得到较为合理的排烟口参数、排烟风量及较优的纵向风速,为采用侧向集中排烟系统的公路隧道在设计和研究排烟方案时提供一定的参考依据。     

沉管隧道单组排烟口合理开启角度研究

研究沉管隧道侧向集中排烟模式下排烟口的开启策略。采用数值模拟和物理试验2种手段,在保证流量均匀的前提下,通过调整各排烟口的有效过风面积,得出沉管隧道侧向排烟时不同排烟口开启组合工况下各排烟口的合理开启角度,为沉管隧道火灾工况下通风排烟策略的制定提供基础性数据。     

超大断面双层盾构隧道火灾特性及疏散救援研究——以深圳机荷高速公路隧道为例

为解决超大断面高速公路隧道的火灾排烟及疏散救援难题,以深圳机荷高速双层盾构隧道为依托,采用FDS数值模拟方法对隧道标准断面和分叉断面处火灾排烟特性、温度场和能见度的分布规律进行研究,确定火灾工况下各个位置能见度和温度随时间的变化以及烟气扩散情况,建议隧道内应控制纵向风速不小于3 m/s;结合高速公路隧道火灾的起因和特点,开展高速公路隧道火灾事故应急救援综合研究,运用仿真模拟法对多组楼梯参数取值情况下共计6种疏散工况进行计算,确定横通道间距为250 m、楼梯间距为80 m时,可满足人员安全疏散要求;最后,提出超大断面双层高速公路隧道火灾应急救援体系,并针对机荷高速双层盾构隧道给出救援疏散路线以及各位置发生火灾时的排烟疏散策略。     

城市环廊隧道多种排烟方式组合排烟效果试验

考虑到城市环廊隧道(Urban Traffic Link Tunnel, UTLT)事故通风和火灾烟气控制的难度,为了给其提供防排烟优化设计方案,采用CO_2为示踪气体,对隧道单独采用横向排烟方式时的排烟、排热效率进行考查。对射流风机纵向排烟配合轴流风机集中排烟、射流风机纵向排烟配合排烟井自然排烟2种组合排烟方式在UTLT中的效果进行研究。结果表明:在UTLT中单独使用横向排烟时,随着排烟量的提高,排烟、排热效率增长趋于缓慢;增大横向排烟量会增加风机房与管道的占地面积,可能在城市核心区使用时遇到困难;采用火源上游射流风机纵向排烟与火源下游轴流风机集中排烟配合的方案,在轴流风机排烟量不变的情况下,仅仅依靠轴流风机的驱动力难以抑制烟气往火源上游蔓延;需要借助射流风机营造的纵向气流配合,但纵向风速过大又会加剧烟气向下游分支蔓延;采用火源上游射流风机纵向排烟与火源下游竖井自然排烟配合的方案,在纵向风速一定的情况下,须合理设置排烟井的截面尺寸与高度。     

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。     

均匀风量集中排烟隧道火灾烟气流动分析与足尺试验

隧道火灾集中排烟系统集纵向和横向排烟模式的优势,应用愈加广泛。然而在排烟过程中,大量烟气易从离风机较近的排烟阀排出,极大降低了排烟效率并浪费了能源,为解决此类问题提出均匀风量集中排烟模式的概念,通过调节排烟阀开启角度,使各排烟阀排烟量均匀一致,最大限度的将高温烟气由火源附近的排烟阀排出。基于质量、动量和能量守恒方程,以排烟道内烟流为控制体,建立均匀排烟模式下关于排烟阀流速、排烟量、排烟阀开启角度和排烟风机风压关系的理论预测模型并求出解析解;同时,以港珠澳大桥海底沉管隧道为原型,建立世界最大断面尺寸沉管试验隧道,开展足尺验证试验。研究结果表明：均匀风量排烟系统能够通过控制排烟阀开启角度平衡各排烟阀排烟量实现高效排烟的目的;提出火灾时应开启火源最近处排烟阀且在满足烟气流速限值的情况下,控制排烟阀开启数量,既能缩短烟气蔓延范围又能实现有效节能;均匀排烟模式下,各排烟阀排烟量均匀一致,排烟阀开启角度呈逐渐增大趋势,离火源越近排烟阀开启角度越小。最后,以10 MW火灾为例,通过足尺试验验证均匀风量集中排烟烟气运动理论模型的正确性。     

公路隧道互补结合竖井送排的改进型混合通风方式研究

针对特长公路隧道常规分段纵向式通风系统运营费用昂贵的问题,提出采用双洞互补与竖井送排相结合的改进型混合通风方式。在理论分析的前提下给出换气横通道与竖井的合理结合方案,详细推导适用于超出常规双洞互补通风方式限制长度的隧道的改进型混合通风方式计算方法;通过比较传统分段通风方式和改进型混合通风方式的交通风与隧道结构利用效率,对改进型混合通风方案的经济效益进行工程实例分析。结果表明：改进型混合通风方式与常规分段纵向式通风方式相比,前者有效地提高了交通风的利用率,降低了由于交通风太过富余而对隧道通风产生的不利影响,同时减少了资源的浪费;在最不利的行车阻滞工况下,改进型混合通风方式需要通过竖井进行送排的风量之和由1 723.06 m³·s^-1降至804.62 m³·s^-1,降幅达53.3％,有效地减少了轴流风机的功率,降低了对竖井的设计要求;在隧道通风最不利工况下,射流风机的配机功率提高了84%,轴流风机配机功率降低了52.4%,虽然射流风机购置费用增加,但总配机功率仍然减少13.1%,极大地节省了运营费用;在土建方面,改进型混合通风方式增加了2个横风道,取消了部分送排联络通道,相互抵消,但竖井的规模减小,土建费用有所下降;改进型混合通风方式增加了2条排烟通道,解决了双洞互补通风方式中火灾排烟困难的问题。     

排烟口间距对双层隧道侧向排烟效果的影响研究

通过数值模拟软件FDS研究不同排烟口间距对双层隧道侧向排烟的影响。研究表明,排烟口间距对隧道顶部温度的分布影响不大,火灾初期较小的排烟口间距有利于控制烟气的蔓延,但随着火灾的发展,排烟口间距对烟气蔓延范围及能见度的影响逐渐减弱。由于排烟口位于侧墙上面,对烟气层的扰动较强,导致排烟口附近的能见度下降较快。     

细水雾与排烟系统共同作用下地铁车站火灾烟气蔓延规律

为研究岛式地铁车站内列车发生火灾时，站台细水雾与排烟系统对烟气蔓延的控制效果，依托西安地铁4号线岛式地铁车站，采用FDS软件建立1：1的数值仿真模型，选择大涡模拟，研究站内列车火灾规模为5 MW时，站台细水雾与排烟系统共同作用下，火灾烟气蔓延速度、能见度与温度场的分布特征，分析了细水雾与排烟系统对烟气蔓延特性的影响规律；并通过缩尺模型试验，验证了数值模拟方法研究细水雾控制地铁火灾烟气蔓延的可靠性。研究结果表明：车门间隔开启时，烟气先向列车两侧蔓延，150 s时扩散至整个车厢并向站台层蔓延，当开启站台细水雾时，烟气温度明显下降，且随着细水雾粒径的减小与流量的增大，烟层降温效果增强；当水雾粒径为100 μm，流量为8 L·min^-1时，距离站台中线3 m处断面平均温度为36.19℃，较未开启细水雾时温升降幅可达62.91%；同时细水雾使得烟层蔓延速度减小，在开启细水雾系统后200 s内2^#楼梯口平均空气质量流速下降39.72%；当开启排烟系统时，可使列车内温度场纵向分布最大值向火源下游移动，加快站台层及列车内对流换热效率，使细水雾的气相冷却作用得到加强，二者同时作用时降温阻烟效果最佳。     

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。     

排烟阀设置对隧道集中排烟效果影响研究

为了获得集中排烟隧道中排烟阀设置参数对排烟效果的影响规律,结合某大型过江隧道防排烟工程实际,根据隧道实际交通情况,设定了火源规模,并设计了数组隧道火灾工况,采用火灾动力学模拟软件FDS构建了集中排烟隧道模型,通过对不同火灾工况下隧道内2 m高处能见度、烟气蔓延范围及排烟阀效率等排烟效果指标的定量分析,获得了单向排烟和双向排烟两种集中排烟模式下单个排烟阀面积、间距、开启个数及形状对排烟效果的影响规律。结果表明：无论单向排烟还是双向排烟,单个排烟阀面积、间距及开启个数三种因素共同影响着排烟效果,一味的通过增大或减小其中的一个因素来提高排烟效果的做法是不可行的;但相同的排烟阀设置即相同的单个排烟阀面积、间距及开启个数时,单向排烟模式比双向排烟模式隧道内烟气蔓延距离小,但总排烟阀效率要低于双向排烟时的排烟阀效率,同时,单个排烟阀形状为矩形时排烟效果较好。     

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。     

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。     

南昌红谷水下互通立交隧道通风排烟组织研究

为研究水下多匝道互通立交隧道的通风排烟特性,及时有效地排除隧道内烟气,以南昌红谷隧道为工程背景,应用CFD技术和现场试验的方法,对火灾时纵向排烟条件下不同纵坡和火源位置的烟气蔓延特性进行研究,分析坡度、火源与匝道位置等多因素耦合对烟气蔓延特性的影响。主要结论如下： 1)隧道东岸进口匝道排烟临界风速需大于2.5 m/s,各匝道射流风机均应开启,以保证匝道间分岔部位无串烟现象; 2)东岸出口匝道曲度大,隧道阻力较大,排烟临界风速为3.0~3.5 m/s时控烟效果较好,并宜选择流线顺畅、烟气流程较短的匝道进行排烟; 3)根据进出口匝道烟气蔓延特性的差异和相应试验条件下测算的排烟时间,提出对应的排烟策略,调整风机原设计的运行模式,以达到优化排烟气流组织、提高排烟效率的目的。     

高海拔特长隧道低温大风环境及对围岩-结构温度场的影响

为探明高海拔特长隧道洞外低温大风的成因、特征及对洞内风场、围岩-结构温度温度场的影响,以国道317线雀儿山隧道为工程依托,采用气象站、手持风速仪、红外测温仪、埋入式多点铂电阻温度传感器等,对冬季隧道贯通前后进出口两端隧址区、洞内净空风速、风向、温度以及隧道轴向、径向的围岩-结构温度场进行现场实测,分析低温大风成因和特征、隧道贯通前后负温区范围、风速风向变化规律以及对洞口段和洞深部围岩-结构温度场的影响。研究结果表明：受高原大尺度大气环流产生的高原季风以及雀儿山两侧日照时间、地形引起的小尺度范围内自由大气热力差影响,隧址区冬季风速高、温度低;大风时段主要集中在14：00~21：00,平均风速达10 m·s^-1,负温时段主要在19：00~8：30,隧道进、出口日最大气温差分别为23.5℃和28℃;隧道贯通前,进出口两端负温区段在860 m以内;贯通后,出口端主洞和平导负温区段为1 200,1 280 m,分别比进口端长了340,420 m;贯通前后,隧道深部最低风速分别为1.1,2.2 m·s^-1,洞内风向由两端向洞内方向转化为主要由出口向进口方向;隧道洞口浅埋段围岩和衬砌结构径向负温范围在贯通前为1.20 m,贯通后为0.80 m,且在上述范围内温度变幅较大;低温大风对隧道深部的围岩温度影响不大,但对结构表面温度影响明显,由于变温区主要集中在二衬混凝土结构内部,因此要重视结构内部产生的冻胀作用。