一种板—竖井耦合排烟方法及其影响机制研究

发布时间：2020-03-23 02:56

【摘要】：为满足社会经济发展对交通运力提升的迫切需求,以及缓解日益严峻的日常交通压力,越来越多的公路隧道不断涌现并被投入使用。由于隧道的狭长结构特点,一旦发生火灾,高温有毒有害烟气会沿着顶棚向隧道两端蔓延。火灾产生的烟气若无法及时排出,烟气会在隧道顶棚积聚,导致隧道烟气浓度及烟气层厚度的增加,严重影响火灾救援及疏散逃生。因此,需要在隧道内加装一定的防排烟系统。公路隧道常用的防排烟系统主要有两种,一种是采用轴流风机进行送风的机械排烟系统,一种是采用顶部开口或垂直竖井的自然排烟系统。机械排烟系统由于安装及维护成本高,且启动后会造成火源下风向烟气层紊乱,加重火源下风向的受灾群众救援逃生难度等问题广受诟病。因此,排烟性能稳定、建造成本低且不需要后续维护的自然排烟竖井受到了国内外学者的广泛关注。然而,竖井型自然排烟系统也有其劣势,排烟过程中伴随出现的吸穿现象和边界层分离现象,导致竖井型自然排烟系统性能较低,严重抑制了竖井型自然排烟系统的发展。因此,发展可提高传统竖井排烟性能的新型竖井排烟方法、揭示其影响机制并提出推荐设计方法,无疑具有较高的科学意义和实用价值。基于此,本文提出了一种板-竖井耦合的自然排烟方法(Board-coupled shaft,BCS),研究揭示了火源功率、通风条件、薄板尺寸、薄板安装位置及火源位置等对其排烟性能的影响机制,并给出了相应的推荐设计参数。开展的主要研究上作包括:一、搭建了 1:15缩尺度隧道模拟实验台,并在此试验台上开展了火灾烟气在隧道顶棚蔓延特性的研究。通过文献调研,前人在研究顶棚烟气运动特性时采用的燃料种类繁杂,但前人并未考虑燃料燃烧特性对烟气运动特性的影响。此外,在之前的实验分析及模型建立中均采用顶棚高度作为特征高度,未考虑到隧道等受限空间与非受限空间因结构差异导致的排烟补风模式上的差异。木文通过缩尺度隧道模型试验,研究了燃料种类对隧道顶棚烟气温度和速度分布的影响。研究结果表明:隧道顶棚烟气温度分布受燃料种类影响较小,而隧道顶棚烟气速度分布受燃料种类影响较大。最后,基于前人研究基础,建立了基于甲醇火和柴油火的无量纲顶棚烟气速度预测模型。二、开展了 FireDynamicSimulator(FDS)全尺度随道数值模拟实验,研究了传统竖井的排烟模式和排烟特性。通过改变火源热释放速率及纵向风风速,研究了火源热释放速率及纵向风对传统竖井排烟性能的影响。结果表明:随着火源功率的增加,传统竖井排烟性能得到提升,但排烟效率几乎不变;此外,当隧道内有纵向通风时,竖井吸穿现象会得到抑制,但同时边界层分离现象也会得到强化。随着纵向风风速的增加,传统竖井排烟能力整体呈现下降趋势;但当纵向风速较小时,纵向风有助于传统竖井排烟。三、开展了FDS全尺度隧道数值模拟,研究了 BCS的排烟模式和排烟特性。针对传统竖井排烟过程中影响其排烟性能的吸穿现象和边界层分离现象,本文通过在竖井下方一定距离处安装一块大小适宜的薄板,抑制或消除了吸穿现象对竖井排烟的影响,提高了竖井排烟性能。此外,本文研究了火源功率和隧道纵向风风速对BCS排烟性能及竖井内部流场分布情况的影响,模拟结果验证了 BCS的可行性和优越性。此外,研究发现,BCS排烟性能随着火源功率的增大而提升,且薄板位置(hD)对BCS排烟性能影响较大。在本文测试的工况中,当hD=0.45m时,BCS排出CO的量约为传统竖井的1.55-1.61倍。除此之外,当隧道内有纵向风时,BCS排烟能力随着纵向风增加而减小。四、通过开展缩尺度隧道模型实验研究了薄板尺寸,薄板安装高度以及火源与竖井相对位置对BCS排烟的影响。并在激光片光的辅助下,采集了不同条件下传统竖井和BCS排烟时竖井及隧道内部的流场图像。通过对实验结果的分析,揭示了薄板尺寸以及薄板安装位置对BCS排烟性能的影响。此外,基于相关理论分析,得出了 BCS排烟机理及模式。研究结果表明:BCS排烟过程受烟囱效应和堵塞效应共同控制,因此在使用BCS时,需要对薄板尺寸、厚度及安装位置进行谨慎选择。此外,研究结果表明:随着火源与竖井之间的距离增大,BCS的排烟性能逐渐降低。因此,在对BCS进行设计安装时需考虑两相邻竖井的有效距离。最后,基于相关假设与分析,建立了一般条件下预测竖井无量纲体积流量的解析模型。基于相关实验数据,构建了预测特定隧道BCS排烟的经验模型。
【图文】：

爆燃事故,山西晋城,危险化学品,公路交通

据统计，建筑类火灾事故中８５％的人员烟气［Ｉ］。因此，研究隧道火灾的烟气输运规律及意义。逡逑成因逡逑发因素很多，引发火灾的原因也多种多样，且具一般来说可以分为以下几类：逡逑，这也是随道火灾事故频发最主要的原因。当车一定条件下会引燃车内载有的可燃物或易燃易爆美国纽约的霍竺隧道火灾（１９４９邋），福建盘陀山隧道火灾（２０１４），这些灾难事故都是由于隧道内。高温天气，车辆长时间行驶后，因散热不充分，路过热，此时若电路系统发生漏电或其他状况，。逡逑

纵向通风,排烟系统

、ｕＴｕ．，＿ｌ「ｌ竖井自然排烟逡逑■邋N自狄排烟逦逦逦逦逡逑￣隧道两端自然排烟逡逑图丨．２各类隧道通风排烟方式逡逑．邋１纵向通风排烟逡逑纵向排烟系统中，射流风机产生的强劲风力被用来控制烟气流动，并毒有害烟气。机械通风系统在矿井巷道内拥有很久的历史，然而，，世界上第一座现代意义上拥有机械通风系统的铁路隧道才在英国（Ｅｄｇｅ邋ｈｉｌｌ邋Ｕｍｎｅｌ），当初安装的初衷是排出由于蒸汽机燃烧产生的烟气［３纵向通风排烟主要有以下几种：逡逑１）点射式纵向排烟系统。这种通风排烟系统需在隧道入口上方设置一井，通过Ｓａｃｃａｒｄｏ喷嘴将高速气流射入隧道。点射式纵向通风排烟系地组织纵向气流进行通风排烟，然而，，单独的Ｓａｃｃａｒｄｏ喷嘴能产生的限的，因此只适用于短程隧道。当然，如果点射式纵向通风系统与射系统合用时，也可用在远程隧道中，如图１．３。逡逑Ｓａｃｃａｒｄｏ邋喷嘴逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U458

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