直线和曲线公路隧道火灾中通风数值模拟研究

发布时间：2020-08-07 02:27

【摘要】：随着我国公路隧道技术的蓬勃发展,隧道的形状不尽相同,曲线隧道渐渐出现在人们的视野中。隧道的坡度和曲率等因素会干扰火灾烟气的扩散运动,从而引起火灾事故,危害人身安全。因此,本文采用FLUENT软件,对纵向风下公路隧道火灾进行三维瞬态数值模拟研究。分析了隧道的纵轴面以及横断面的温度和浓度分布云图,且对拱顶以及人高区域沿程温度和浓度的变化趋势进行了详细的探讨,为隧道内发生火灾时的人员撤离和衬砌结构的防护提供了参考。主要的研究内容和结论如下:(1)当通风风速2m/s时,对不同坡度下的直线隧道火灾进行研究。分析了隧道内的烟气蔓延、烟气温度和CO浓度的变化规律。随着坡度的增加,上游回流的长度更短,下游蔓延的距离更长。横断面的烟气浓度基本左右两侧对称并呈现上高下低的分布规律。在火源下游区域,烟气温度和CO浓度都有所增加。但是由于风速比较大,这种规律不太明显。(2)考虑纵向风速的影响,对不同曲率下的无坡度曲线隧道火灾进行研究。得出通风风速大于3m/s时,隧道内下游的烟气量明显比上游多。火源下游的横向浓度不再呈现对称分布,且横断面右上角浓度略大于左下角。曲线隧道火源下游的拱顶烟气温度高于直线隧道,且随着曲率的增加,温度有所减小,这一规律与通风风速为2m/s时正好相反。(3)研究不同火源功率下的无坡度曲线隧道火灾。得出同一通风风速下,相比于20MW火源功率,5MW火源功率下的烟羽流向下游的倾斜角度更大,烟气没有沉降到隧道的底部。随着火源功率增大,隧道内烟气蔓延越快,烟气沉降厚度明显增加,下游的烟气温度更高。(4)当改变通风风速的大小,分析直线隧道和曲线隧道火灾的烟气流动状况。得出隧道工况一致时,风速越大,火源上游烟气量逐渐减少,下游的烟气在更远的位置开始沉降,烟气的温度和CO浓度越低。(5)对于曲线隧道,当火源功率为5MW,风速1m/s时人高区域的CO浓度最小。火源功率为20MW时,CO浓度明显增大,需要加大风速来促进隧道内烟气流动。但是随着风速的增加,温度降的梯度减小,通过提高风速来降温的效果愈差。因此,合适的通风风速对于火灾的救援至关重要。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U458
【图文】：

几何图形,数值模拟,隧道

航空大学硕士学位论文第三章直线隧道火灾的数值2 物理模型与计算条件.1 物理模型以典型单洞双向行车隧道为数值模拟原型，隧道为半圆拱形，长 500mm，宽 9m，隧道壁面为混凝土结构。坐标原点（0,0,0）位于隧道模型底，建模时以 X 方向为隧道长度方向，Y 方向为隧道宽度方向，Z 为隧道。将模型入口所在断面取为直角坐标系中的平面 X=-250m，并设为进口；将模型出口所在断面取为直角坐标系中的平面 X=250m，并设为出口，隧道壁面设为固体壁面边界。当隧道有坡度时，上坡方向为隧道入口伸的方向，即 X 轴正方向，随着坡度的变化，坐标点的取值也相应改变意图如图 3-1 所示：

网格划分

南昌航空大学硕士学位论文第三章直线隧道火灾的数值模拟几何结构进行点线关联，然后结合隧道和火源体的形状进行块的切割，得出隧道中火源体两侧的块基本相同。继而进行 O-BLOCK，然后通过调整节点数 nodes、最首端和最末端第一个网格 spacing 的大小值、生成节点的算法 mesh law、尺寸变化率 ratio 来设置线参数。本文采用 BiGeometric 这种生成节点的算法，节点数则根据线段长度不同设置，尺寸变化率多为 1.2 和 2，spacing 值多为 0 和 0.11。考虑到隧道近火源区域流场的复杂流动，将对火源附近的隧道段进行加密。加密时遵循一个原则：距离火源越近，网格越密集。加密区的网格尺寸最小为0.1m×0.1m×0.1m，其他区域网格按照线参数设置的比例放大网格的尺寸，整个计算长度内网格总数为 299637 个。按照这种方法可以得到高质量的网格，隧道网格划分结果如图 3-2 所示：

温度分布图,温度分布图,坡度,隧道

（d）3%图 3-3 20MW 火灾不同坡度下 150s 时隧道纵轴面温度分布图图 3-3 模拟了不同坡度下，通风风速 2m/s，烟气在 150s 时隧道从进口至出口

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