沉管隧道侧向集中排烟模式烟雾流动规律研究

为解决海底沉管隧道火灾工况下人员疏散及救援难题,以港珠澳大桥海底沉管隧道为工程依托,在中国首次建立了1：1的侧向集中排烟实体试验平台,基于火源标定试验及理论分析,通过失重法和热辐射法对火源功率进行标定,得到热释放速率随燃烧时间的变化关系曲线。通过沉管隧道侧向集中排烟物理试验以及FDS数值模拟对比分析,得到了油盆火的火灾规模、油量、油盆燃烧面积三者间的对应关系。通过FDS数值模拟计算,得到了火灾峰值功率为50 MW时,在不同纵向诱导风速下,沉管隧道侧向集中排烟模式下烟雾的温度场分布规律、能见度分布规律和烟雾蔓延范围。研究结果表明：火灾峰值功率为50 MW时,随着纵向诱导风速增大,火源附近隧道顶板处的最高温度出现先升高后降低的现象;当纵向风速由1.0 m·s^-1增加到2.5 m·s^-1时,隧道内沿程各点2 m高度处的能见度呈现逐渐提高的现象,且能见度受影响的范围逐渐减小,当纵向诱导风速由2.5 m·s^-1增大至3.5 m·s^-1时,隧道下游2 m高度处的能见度出现逐渐降低现象,且能见度受影响的范围逐渐变大;采用纵向诱导通风+侧向集中排烟模式时,沉管隧道内合理的纵向诱导风速为2.5 m·s^-1。     

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。     

不同火源面积下隧道火灾温度场试验与数值模拟分析

为了探究隧道内不同火源面积下温度场的分布规律,给隧道火灾救援提供科学的理论支持,为隧道防火设计提供参考,建立1∶9的缩尺寸模型隧道,对3种不同火源面积下,隧道火灾的热释放速率、拱顶及纵断面温度场分布特征、隧道洞口火溢流分布特点进行试验研究。同时采用大涡模拟方法对以上3种火灾场景进行了数值模拟计算,并利用试验对模拟结果进行对比分析。研究结果表明:当火源面积较小时,空气充足,燃烧主要以燃料控制型为主,隧道内最高温度位于火源正上方,并沿隧道纵向向两端逐渐减小,温度分布稳定、分层明显,此时通过火灾模拟软件FDS得到的数值模拟结果与试验较为吻合;当火源面积较大时,空气较为不足,燃烧主要以通风控制型为主,在稳定燃烧阶段,火源中部的燃烧因通风受限而受到抑制,其温度明显降低,而火源两侧燃烧相对剧烈,温度较高;当燃烧进入衰减阶段,由于两侧可燃蒸气减少,火源中部因助燃物充足而再次剧烈燃烧,此时,FDS数值模拟结果能够较好反映出该场景下的燃烧情况,但相对于试验,模拟计算所获得的温升速率较快,在充分燃烧阶段火源中心的抑制作用较试验更为明显;隧道洞口火溢流的模拟结果与试验结果相一致,数值模拟能够更好地给出火羽流的结构细节。     

公路隧道火灾烟气沿程温度分布的合理确定

掌握火灾工况下隧道内烟气的温度分布规律,有利于制定有效的人员逃生方案并对隧道衬砌结构实施科学保护。基于火灾烟气流动特性分析,并根据能量守恒原理,从理论分析的角度分别得到烟气扩散区和火源区的烟气温度分布结果。结果表明,扩散区和火源区的烟气温度分布都受到烟气流速、隧道壁面温度、对流和辐射换热系数的影响;此外火源热释放率和烟气发生量也是影响火源区烟气温度分布的重要因素。     

高海拔隧道纵向风速对人员疏散环境的影响研究

为解决高海拔隧道火灾通风及人员疏散的问题，采用数值模拟的方法设计低海拔隧道(0 m)和高海拔隧道(4 000 m)不同纵向风速条件下的对比试验。结果表明：1)较小风速(1 m/s)不会破坏烟气分层，反而会延缓烟气下降的速度，隧道上下游疏散环境比无纵向风(0 m/s)更好，可用疏散时间更长，较大风速(2 m/s、3 m/s)可保证火源上游处于安全的疏散环境，但会破坏烟气热分层稳定性，导致下游烟气下降快，不利于下游人员疏散；2)与低海拔地区隧道相比，高海拔地区隧道烟气层下降速度更快且烟气层高度更低，温度、能见度条件相对较差，高海拔隧道不同风速条件下各位置可用疏散时间整体小于低海拔隧道。     

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。     

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。     

倾斜隧道火灾时高温烟气流蔓延特征研究

利用FDS数值计算手段,针对倾斜隧道发生火灾时隧道内的环境场进行数值模拟。通过分析火灾时隧道内烟气蔓延规律、温度分布,以及能见度变化特征,研究隧道倾斜段对火灾时隧道内环境场的影响。结果表明:隧道坡段的存在对高温烟气的蔓延、温度,以及能见度具有较大的影响,并且给隧道内人员的疏散逃生带来新的问题。     

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。     

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。     

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。     

带出口匝道城市隧道通风特性比尺模型试验

通风特性是影响城市隧道内外环境的关键，为深入研究带出口匝道城市隧道风量及风量分配的变化规律，获得隧道总风量及分流比的高效控制策略，基于相似理论，设计并搭建总长为38 m的1/20带匝道隧道通风比尺模型，研制可实现8台模型风机联动的变频控制系统、16个断面的速度及压力数据的实时测量与自动采集系统（该系统在风速u ≥ 2.5 m·s^-1时，比尺模型同步满足阻力、惯性力和压力相似准则），进行各通风段射流升压力变化对隧道内风量及风量分配的影响试验。结果表明：隧道主线通风段与匝道通风段风量存在联动耦合效应，当调节某通风段射流升压力时，该通风段及与之串联的通风段风量均随着射流升压力的增大而增大，与之并联的通风段，风量随射流升压力的增大而减小；总风量和分流比分别是影响城市隧道内、外环境的关键因素，调节分流前主线段射流升压力不改变分流比，但对控制隧道总风量变化最为高效，单位射流升压力作用下的总风量变化幅度达1.43%·（N·m^-2）^-1；调节分流后主线段或匝道段射流升压力对隧道总风量的影响有限，但能有效控制分流比，单位射流升压力作用下的分流比增幅分别为（-4.43，4.16）%·（N·m^-2）^-1；利用分流前主线段的射流风机控制隧道内环境，利用分流后主线段或匝道段的射流风机控制隧道外环境，是最为高效的通风控制方法。     

大跨桥梁油罐车燃烧火灾模型计算方法研究

桥梁上油罐车燃烧可分为油罐车火灾和燃油泄漏油池火灾2种,为了建立2种定量分析的火灾模型,基于火灾学原理,采用理论分析与FDS数值模拟相结合的方法,提出了考虑危化品种类、桥面风、油罐车尺寸等因素的油罐车火灾最大热释放速率定量计算方法;建立了燃烧油池最大直径、扩散时间以及直径扩大速度的求解方程,提出了可表征不同泄漏孔径下油池扩散、燃烧动态过程的数学模型,并通过前人的试验结果对模型的正确性进行了验证。通过对依托工程的分析,结果表明:油罐车火灾时,最大热释放速率与桥面风速正相关,但增长幅度逐渐减小,风速从4.96 m·s^-1增至10.84 m·s^-1时,最大热释放速率的变化范围为62.89~113.54 MW,随风速增加至10.84 m·s^-1,燃烧时间逐渐变短,缩短至原来的57%,火焰高度逐渐降低,趋近于9.5 m(含油罐车高度);火焰核心区域随风速增大而增大,且向下风向倾斜。泄漏油池燃烧时,泄漏孔径的变化对热释放速率和油池扩散时间影响较小;泄漏速率比接近于泄漏孔半径的平方比,油池最大直径比、扩大速度比与泄漏孔半径比相当,燃烧时间随泄漏孔半径的增大而减小,减小速度变缓;随着燃烧油池直径增大,火焰高度增加,火焰核心区域增大;当扩散至最大直径时,其火焰的水平影响区域比油罐车燃烧更广,但燃烧时间更短。     

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。     

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。     

大跨悬索桥吊索抗火性能与新防护结构研究

为了使造型优美的大跨悬索桥能更好地保持原始设计性能,以获得更长久的安全使用状态,梳理分析了构成索桥吊索危害的最不利火灾工况,构建计算仿真模型,分析吊索极限断裂情况,提出了防护和承重载荷兼顾的新型吊索结构.在分析此方面研究成果的基础上,按照背景可通行的危害标的物选择油罐车火灾燃烧模型,依据试验数据和引用参考确定吊索材料热...     

低压细水雾在公路隧道火灾防控中的试验研究

为验证“低压细水雾灭火系统”对隧道初期火灾发展和传播的抑制效果,在云南省昭会高速公路邱家垭口隧道内开展低压细水雾灭火系统实体火灾试验。通过隧道内有关温度场和烟气场的测量,对低压细水雾灭火系统在隧道火灾中抑制和扑灭火灾、降低火场温度以及净化火源附近空气的能力进行研究。试验结果表明：在隧道风速不大于3 m/s的情况下,低压细水雾灭火系统开启后,火焰得到控制,火源附近的温度迅速降低,CO体积分数达到峰值后快速下降,O2体积分数在试验过程中始终保持在21%左右,能够确保公路隧道的消防安全和人员逃生安全。