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《西南交通大学》 2010年
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含救援站特长隧道火灾特性及烟气控制研究

李颖臻  
【摘要】:随着我国隧道建设的不断发展,众多长大隧道不断涌现出来,其火灾安全日益成为一个亟需关注和解决的问题。本论文对含救援站特长隧道内各火灾场景的火灾特性和烟气控制进行了深入研究,为含救援站特长隧道火灾安全设计提供理论依据和技术参考。 在风流与火羽流相互作用的分析基础上,对包括隧道顶壁下最高烟气温度、火羽流偏转角、隧道火焰长度、烟气纵向温度分布、断面温度分布、火灾热释放率和增长速率等一般隧道火灾特性进行了分析。结果表明隧道顶壁下最高烟气温度可划分为2个区域,其主要相关参数为火灾热释放率、纵向通风速度、修正隧道高度和火源尺寸;火羽流的偏转角直接与无量纲通风速度相关联;隧道火焰长度与一无量纲火源热释放率线性相关,与通风速度关系不大;火源下游烟气纵向温度分布能够很好地用2个自然指数拟合,其主要参数应为一无量纲距离;最大火灾热释放率和增长速率与通风速度密切相关。由于相对通风条件较好,隧道火灾—般处于燃料控制阶段,火灾热释放率峰值与通风无关,火灾增长速率与通风速度成线性关系,即通风只影响火灾增长速率而不影响火灾热释放率峰值。同时可见,隧道火灾最大热释放率并不一定比自然空间大,火灾增长也不一定比自然空间快。 纵向通风隧道火灾的烟气控制是隧道火灾安全设计的一个最重要问题。对纵向通风隧道火灾控制烟气流动的临界风速和回流长度进行了量纲分析和模型试验结果分析,得出了隧道火灾通风临界风速和回流长度的计算式。结果表明,隧道火灾通风临界风速与回流长度是相互关联的统一体。在火灾热释放率较小时,两者均与火灾热释放率息息相关;而当火灾热释放率较大时,两者都基本与火灾热释放率无关。同时分析了列车阻塞条件下临界风速与回流长度的变化趋势,结果表明有无列车条件的临界风速差异比略小于隧道阻塞比。在同一无量纲限制风速下,有列车回流长度要小于无列车工况。 隧道内发生火灾时,隧道间横通道可用于紧急逃生。在临界Froude数假定基础上得到了计算横通道临界风速的Froude模型,尽管试验结果表明临界Froude数并非一常数从而说明此模型的不合理性,但通过此分析确定了横通道临界风速的各影响参数。通过对各参数的量纲分析,得出了与横通道临界风速相关的主要准则。同时对横通道防火门尺寸对横通道临界风速的影响进行了理论分析。通过模型试验结果,分析了横通道防火门几何尺寸、隧道火灾热释放率和隧道纵向通风速度等参数对横通道临界风速的影响,结果表明横通道临界风速与隧道火灾热释放率成1/3次方关系、与隧道纵向通风速度成自然指数关系、与横通道防火门高度成3/2次方关系,而与横通道防火门宽度基本无关。并得到了计算横通道临界风速的无量纲公式,试验结果与其吻合很好。 对救援站型式及火灾通风模式进行了全方位的分析,得出了救援站的两种基本模式;通过对救援站有效长度和遮挡高度的分析,得出了简化救援站模型试验具体可行的方法;在此基础上开展了大量救援站火灾通风模型试验,对救援站内有列车和无列车两种条件下各横通道的烟气控制进行了系统分析,得到了救援站各横通道临界风速的基本规律;进而将横通道临界风速与横通道防火门处烟气温度关联,得出了横通道防火门处烟气温度的计算方法,并在此基础上掌握了横通道防火门高度的一般要求。同时对救援站内温度分布进行了分析,得出了有无列车情况下横通道内和横通道外温度分布的一般规律。 采用一维模拟和三维模拟结合的方法,对太行山特长隧道内2个救援站边界条件及救援站火灾通风方案进行了计算分析,结果表明这样的方法是可行的,太行山1号救援站通风方案C、方案E和太行山2号救援站方案B是较好的通风方案。同时通过数值计算分析发现,在斜井与隧道连接前转折一定角度使送风气流垂直进入隧道的方案能够极大改善救援通道风速分布的均匀性。弯管长度为1D(1倍斜井直径)时,最小横通道风速为0.7m/s;弯管长度为2D(2倍斜井直径)时,最小横通道风速为1.4m/s。而在1D直管段基础上拓宽接口界面并没有有效改善救援通道风速分布。 开展了隧道自动水喷淋火灾模型试验,并对自动水喷淋系统的响应时间、响应条件以及系统崩溃条件进行了系统分析。结果表明,自动水喷淋系统中第一个喷嘴激活时的火灾热释放率与隧道纵向通风速度成线性关系,所有的喷嘴几乎都在大约1min-2min内(全尺寸4min-8min)激活,激活烟气温度一般略大于感应温度。同时隧道内高风速和小水流量都可能导致系统的崩溃;但在合理的参数选择基础上,隧道自动水喷淋系统能够很好地控制火灾发展,能够有效避免系统的崩溃。通过对系统崩溃的研究给出了合理的抑制崩溃的区域。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U453.5

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