阻塞效应作用下隧道火灾顶棚射流火焰发展特性研究
发布时间：2022-01-01 23:21
随着我国经济及技术的发展,近年来修建的隧道的数量和种类越来越多。隧道带来便利的同时,也带来了巨大的安全隐患。隧道是一种狭长结构空间,当火灾发生位置较高或火源的功率较大时,火羽流能在短时间达到顶棚,形成顶棚射流火焰并释放大量热量,造成隧道结构破坏及大量人员伤亡。前人对无阻塞物存在下的隧道火灾做了大量的研究,并得出了大量的关于近火源区域隧道形状、坡度、HRR、火源位置、纵向风速等对火焰倾角、高度、顶棚纵向温度衰减布及最高温度影响的经验性结论;而在阻塞物存在下隧道火灾方面仅做了阻塞物尺寸、火源阻塞物距离及阻塞物阵列等变化对烟气、临界风速影响方面的研究;在实际的火灾中,隧道顶棚射流火焰的研究同样重要,因此本文以此为切入点研究了阻塞物相对位置、纵向风速及阻塞比对顶棚射流火焰特性的影响。本文根据相似性准则搭建了1:10小尺寸实验台,研究了阻塞物对火焰燃烧的影响。在阻塞物对火焰燃烧影响方面,对火焰形态及质量损失速率进行了分析,结果表明阻塞物对顶棚射流火焰的影响存在一个临界距离且这个临界距离的大小与纵向风速成正比;临界距离内阻塞物纵向距离的增加会使得燃料损失速率减小;燃料损失速率在纵向距离为0m时到达...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型隧道及隧道火灾图
则会产生烟气撞击顶棚形成羽流撞顶棚射流烟气沿顶棚蔓延的现象，两种顶棚射流蔓延现象如图分别如图2.1(a)、2.1(b)所示。（a）顶棚射流火焰 （b）顶棚射流烟气图 2.1 顶棚射流形态对于顶棚射流烟气，Alpert[51]通过对羽流进行理想化假设如顶棚为光滑平面、环境温度、大气压力恒定及火灾稳定燃烧等，给出了顶棚射流烟气的温度分段预测模型：当r/H≤0.18时，2/30 5/316.9QT TH （2.18）当r/H>0.18时，2/30 5/35.38QT TH （2.19）竖直羽流撞击顶棚后受到顶棚限制转变成水平蔓延的射流火焰，受空气卷吸减小的影响，火焰长度在撞击顶棚后由明显增加。Heskestad 和 Hamada[52]通过一些列实验研究了较大功率下的顶棚温度分布并根据实验结果给出了预测模型但其实验模型仅在顶棚有效高度与火源高度比值小于 2 的条件下适用。Kurioka et al[58]通过一系列的实验研究了纵向风作用下正方形火源附近区域的火灾特性，并分别给出了火焰倾角θ1，θ2的经验公式（其中θ1为火羽流主体上升阶段轨迹线切线与竖直方向夹角而θ2为火焰面距火源最远点与火源中心点连线偏离竖直方向的角度）；式中的η取决于ΔTmax.当ΔTmax<250K
θ2示意图2.2 数值模拟基础本文数值模拟软件使用的是 NIST 和 VTT 合作研发的模拟软件 FDS（FireDynamics Simulator）。该软件以低马赫数湍流流动的纳维-斯托克斯方程为基础，一般用于模拟计算火灾中温度、火焰等传播过程。FDS 结合 Smokeview（可视化界面，用于显示 FDS 模拟结果）的这些优点使得其被广泛应用于火灾模拟。在 FDS 中通常采用直接数值模拟（DNS）和大涡数值模拟（LES）两种方法来解决湍流问题。前者一般需要极大数目的网格，对计算机的配置要求较高[53]，但模拟结果精确；相较于前者，大涡模拟在确保需要的计算精度下能节省大量计算资源及工作量，因此本文采用大涡模拟的方法来进行模拟。数值模拟中设计的基础理论模型如流体动力学控制方程、紊流流动模型、燃烧模型和数值传热模型在前人的研究如端木维可[54]等都有详细的介绍，本文将不再一一介绍。网格尺寸的选取直接决定了 FDS 模拟结果的精度，因此网格尺寸的选取在FDS 模拟中非常重要。本文的网格尺寸由公式（2.6）计算得出，式中 D*为火源当量直径:* 2 /51/2( )pQD c T g （2.24）Mcgrattan[53]等提出在大涡模拟时 D*/dx 应处于 4~16 之间
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同火源面积下隧道火灾温度场试验与数值模拟分析[J]. 陈长坤,王玮玉,康恒,史聪灵,刘晅亚. 中国公路学报. 2018(06)
[2]长隧道火灾温度分布规律分析[J]. 彭加强,闫自海,甘鹏路,于丽. 西部探矿工程. 2017(12)
[3]火灾下城际铁路隧道温度分布规律研究[J]. 帅卫红. 消防科学与技术. 2017(11)
[4]阻塞条件下地铁隧道坡度对烟气逆流长度影响研究[J]. 朱凯,程旭东,张少刚,姚勇征,张瑞芳,杨晖. 火灾科学. 2017(03)
[5]车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度变化规律研究[J]. 范梦琳,李元洲. 火灾科学. 2017(01)
[6]阻塞效应下隧道火灾临界风速的模型试验研究[J]. 王君,赵蕾,齐江浩. 安全与环境学报. 2016(03)
[7]FDS6对隧道火灾温度场模拟的适用性研究[J]. 钟委,李兆周,吕金金,梁天水. 郑州大学学报(工学版). 2014(06)
[8]室内火灾旋转火焰影响因素试验研究[J]. 崔晓星. 武警学院学报. 2014(10)
[9]小尺寸房间及走廊内烟气流动规律模拟研究[J]. 赫永恒,刘震,李艳娜. 消防科学与技术. 2012(03)
[10]铁路隧道火灾拱顶附近最高温度预测模型研究[J]. 赵望达,李洪,徐志胜. 中国安全科学学报. 2010(04)
博士论文
[1]地铁站火灾烟气流动特性及控制方法研究[D]. 钟委.中国科学技术大学 2007
[2]隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D]. 胡隆华.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]细水雾幕抑制狭长空间顶棚射流火焰研究[D]. 端木维可.郑州大学 2017
[2]阻塞效应下隧道火灾烟气蔓延及温度分布特性研究[D]. 赵国胜.西安建筑科技大学 2017
[3]纵向风下隧道火灾近火源区顶棚射流特性研究[D]. 胡嘉伟.安徽理工大学 2014
本文编号：3563023
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型隧道及隧道火灾图
则会产生烟气撞击顶棚形成羽流撞顶棚射流烟气沿顶棚蔓延的现象，两种顶棚射流蔓延现象如图分别如图2.1(a)、2.1(b)所示。（a）顶棚射流火焰 （b）顶棚射流烟气图 2.1 顶棚射流形态对于顶棚射流烟气，Alpert[51]通过对羽流进行理想化假设如顶棚为光滑平面、环境温度、大气压力恒定及火灾稳定燃烧等，给出了顶棚射流烟气的温度分段预测模型：当r/H≤0.18时，2/30 5/316.9QT TH （2.18）当r/H>0.18时，2/30 5/35.38QT TH （2.19）竖直羽流撞击顶棚后受到顶棚限制转变成水平蔓延的射流火焰，受空气卷吸减小的影响，火焰长度在撞击顶棚后由明显增加。Heskestad 和 Hamada[52]通过一些列实验研究了较大功率下的顶棚温度分布并根据实验结果给出了预测模型但其实验模型仅在顶棚有效高度与火源高度比值小于 2 的条件下适用。Kurioka et al[58]通过一系列的实验研究了纵向风作用下正方形火源附近区域的火灾特性，并分别给出了火焰倾角θ1，θ2的经验公式（其中θ1为火羽流主体上升阶段轨迹线切线与竖直方向夹角而θ2为火焰面距火源最远点与火源中心点连线偏离竖直方向的角度）；式中的η取决于ΔTmax.当ΔTmax<250K
θ2示意图2.2 数值模拟基础本文数值模拟软件使用的是 NIST 和 VTT 合作研发的模拟软件 FDS（FireDynamics Simulator）。该软件以低马赫数湍流流动的纳维-斯托克斯方程为基础，一般用于模拟计算火灾中温度、火焰等传播过程。FDS 结合 Smokeview（可视化界面，用于显示 FDS 模拟结果）的这些优点使得其被广泛应用于火灾模拟。在 FDS 中通常采用直接数值模拟（DNS）和大涡数值模拟（LES）两种方法来解决湍流问题。前者一般需要极大数目的网格，对计算机的配置要求较高[53]，但模拟结果精确；相较于前者，大涡模拟在确保需要的计算精度下能节省大量计算资源及工作量，因此本文采用大涡模拟的方法来进行模拟。数值模拟中设计的基础理论模型如流体动力学控制方程、紊流流动模型、燃烧模型和数值传热模型在前人的研究如端木维可[54]等都有详细的介绍，本文将不再一一介绍。网格尺寸的选取直接决定了 FDS 模拟结果的精度，因此网格尺寸的选取在FDS 模拟中非常重要。本文的网格尺寸由公式（2.6）计算得出，式中 D*为火源当量直径:* 2 /51/2( )pQD c T g （2.24）Mcgrattan[53]等提出在大涡模拟时 D*/dx 应处于 4~16 之间
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同火源面积下隧道火灾温度场试验与数值模拟分析[J]. 陈长坤,王玮玉,康恒,史聪灵,刘晅亚. 中国公路学报. 2018(06)
[2]长隧道火灾温度分布规律分析[J]. 彭加强,闫自海,甘鹏路,于丽. 西部探矿工程. 2017(12)
[3]火灾下城际铁路隧道温度分布规律研究[J]. 帅卫红. 消防科学与技术. 2017(11)
[4]阻塞条件下地铁隧道坡度对烟气逆流长度影响研究[J]. 朱凯,程旭东,张少刚,姚勇征,张瑞芳,杨晖. 火灾科学. 2017(03)
[5]车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度变化规律研究[J]. 范梦琳,李元洲. 火灾科学. 2017(01)
[6]阻塞效应下隧道火灾临界风速的模型试验研究[J]. 王君,赵蕾,齐江浩. 安全与环境学报. 2016(03)
[7]FDS6对隧道火灾温度场模拟的适用性研究[J]. 钟委,李兆周,吕金金,梁天水. 郑州大学学报(工学版). 2014(06)
[8]室内火灾旋转火焰影响因素试验研究[J]. 崔晓星. 武警学院学报. 2014(10)
[9]小尺寸房间及走廊内烟气流动规律模拟研究[J]. 赫永恒,刘震,李艳娜. 消防科学与技术. 2012(03)
[10]铁路隧道火灾拱顶附近最高温度预测模型研究[J]. 赵望达,李洪,徐志胜. 中国安全科学学报. 2010(04)
博士论文
[1]地铁站火灾烟气流动特性及控制方法研究[D]. 钟委.中国科学技术大学 2007
[2]隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D]. 胡隆华.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]细水雾幕抑制狭长空间顶棚射流火焰研究[D]. 端木维可.郑州大学 2017
[2]阻塞效应下隧道火灾烟气蔓延及温度分布特性研究[D]. 赵国胜.西安建筑科技大学 2017
[3]纵向风下隧道火灾近火源区顶棚射流特性研究[D]. 胡嘉伟.安徽理工大学 2014
本文编号：3563023
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/daoluqiaoliang/3563023.html
