火灾高温下含湿黄土热湿迁移中温度

发布时间：2017-07-27 03:01

  本文关键词：火灾高温下含湿黄土热湿迁移中温度场—湿度场—蒸汽压力场分布研究

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【摘要】：地铁、公路隧道在运营过程中,会发生火灾。火灾高温不仅对隧道衬砌结构的完整性和稳定性造成危害,而且还会将热量传导至衬砌外侧的土体,在土体中形成温度场,在热的作用下,土体中的部分液态水出现热湿迁移现象,使得土体中的湿度场重新分布;另一部分液态水吸收热量发生气化,以气态形式存在于土颗粒之间的孔隙中,形成蒸汽场且具有一定的蒸汽压力。在蒸汽压力的作用下,衬砌外荷载增加,极有可能使已经发生爆裂的混凝土衬砌发生破坏,同时蒸汽会沿着衬砌表面的裂缝进入衬砌内部,对钢筋等造成腐蚀,进一步威胁隧道混凝土结构安全。本文以火灾高温下含湿黄土热湿迁移过程中的温度场、湿度场、蒸汽场及蒸汽压力场作为研究课题。应用理论分析、试验研究以及数值模拟的方法,对土样导热系数与含水率、干密度和自身温度的函数关系,土样的热湿迁移现象,以及发生火灾时隧道外侧土体的温度场、湿度场、蒸汽场及蒸汽压场进行了系统研究。主要研究内容及结果如下:(1)土样导热系数与含水率和干密度的关系。当土样干密度不变时,其含水率越高,导热系数越大;当土样含水率不变时,其干密度越大,导热系数越大。(2)土样导热系数与自身温度的关系。对于实验所配制的干密度为1.5g?cm~（-3）、含水率为5%的土样,其导热系数随自身温度呈一次线性相关。(3)土样热湿迁移现象的规律研究。土样的温度场分布存在 剧烈降温区间‖、 缓慢降温区间‖以及 ?恒温‘区间‖,距离热源越近,测点的温度越高,接近筒体边缘时,测点温度接近于常温;土样的湿度场分布存在 水分扩散区间‖、 水分集中区间‖以及 未扰动区间‖,随着与热源距离的增大,测点含水率先逐渐升高并出现含水率峰值,随后逐渐减小至初始含水率。(4)发生火灾时隧道衬砌外侧土体的温度场、湿度场、蒸汽场和蒸汽压力场研究。运用fluent16.2进行数值模拟计算,建立了隧道模型,将火灾热释放率设定为30mw和50mw,隧道内部风速等级设定为0m/s、3m/s和5m/s,得到以下结论:a.火源产生的热量沿隧道纵向和横向的扩散范围受到火灾规模和通风速度的影响。b.发生火灾后,衬砌外侧土体中某一测点温度越高,该点的水分迁移现象越明显;火源熄灭后,土体中的温度降低,原本吸收热量发生气化的水分释放热量转化为液态水,使测点的含水率出现小幅上升。在水分迁移过程中存在热量转移,因此土体中温度场和湿度场相互耦合。c.液态水吸收热量发生气化,在土体内部形成连续分布的蒸汽场。在土体孔隙体积不变的前提下,土体温度越高,蒸汽含量越大,且气体分子动力势能随温度升高而增大,这两方面原因导致土体内部的蒸汽压力增大。最后,根据研究成果,对隧道衬砌在设计施工过程中提出了几点优化建议。如在衬砌施工时加入防水层、隔热层以及在土体中加入起阻隔热湿传递作用的格栅等措施。
【关键词】：隧道火灾 混凝土衬砌 导热系数 温度场 热湿迁移
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U458
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 隧道火灾事故统计11-13
• 1.1.2 隧道火灾的危害13-14
• 1.2 隧道火灾研究现状及不足14-18
• 1.2.1 火灾高温下隧道衬砌力学性能的研究14-17
• 1.2.2 火灾高温下衬砌外侧土体热力学性能研究17-18
• 1.2.3 当前研究不足及发展趋势18
• 1.3 火灾高温下隧道外侧土体热湿迁移的研究意义、研究内容18-19
• 第二章 热作用下含湿黄土的热、湿特性19-29
• 2.1 土的热特性19-23
• 2.1.1 土的导热系数19-21
• 2.1.2 土的比热容21-22
• 2.1.3 土的热扩散系数22
• 2.1.4 土体热传递的数学描述22-23
• 2.2 土的湿特性23-26
• 2.2.1 土体内水分迁移机理25-26
• 2.2.2 土体湿传递的数学描述26
• 2.3 土体的热湿迁移现象26-28
• 2.3.1 土体热湿迁移机理26-27
• 2.3.2 土体热湿迁移模型27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 火灾高温下混凝土衬砌外侧土体的导热特性及其规律研究29-55
• 3.1 火灾高温下混凝土外侧土体导热系数的测定29-46
• 3.1.1 实验准备工作29-33
• 3.1.2 土体导热系数的测定实验33-42
• 3.1.3 导热系数影响因素分析42-46
• 3.2 火灾高温下混凝土外侧土体的热湿耦合迁移规律实验研究46-49
• 3.2.1 实验准备工作47
• 3.2.2 土样温度的测定47-48
• 3.2.3 土样含水率的测定48-49
• 3.3 火灾高温下混凝土外侧土体热湿耦合迁移的相关物理参数分析49-52
• 3.3.1 土样温度变化及分析49-50
• 3.3.2 土样含水率变化及分析50-52
• 3.4 火灾高温下混凝土外侧土体的热湿迁移的过程分析52-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第四章 热湿耦合迁移过程中含湿黄土温度场-湿度场-蒸汽压力场分布规律55-75
• 4.1 物理模型的建立55-63
• 4.1.1 物理模型55-57
• 4.1.2 物理模型的无关性验证57-63
• 4.2 含湿黄土热湿迁移过程的数值模拟及结果分析63-72
• 4.2.1 含湿黄土热湿迁移过程中温度场分布规律63-66
• 4.2.2 含湿黄土热湿迁移过程中湿度场分布规律66-69
• 4.2.3 含湿黄土热湿迁移过程中蒸汽场及蒸汽压力场的分布规律69-72
• 4.3 本章小结72-75
• 第五章 火灾高温时隧道衬砌外侧含湿黄土中热湿迁移过程及其规律研究75-103
• 5.1 隧道火灾场景设定75-77
• 5.1.1 建立隧道模型75-76
• 5.1.2 设定火灾场景76-77
• 5.2 30MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中热湿迁移过程及其规律77-86
• 5.2.1 30MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中温度场分布规律78-80
• 5.2.2 30MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中湿度场分布规律80-83
• 5.2.3 30MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中蒸汽场及蒸汽压力场分布规律83-86
• 5.3 50MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中热湿迁移过程及其规律86-92
• 5.3.1 50MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中温度场分布规律87-89
• 5.3.2 50MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中湿度场分布规律89-90
• 5.3.3 50MW火灾高温下隧道衬砌外侧土体中蒸汽场及蒸汽压力场分布规律90-92
• 5.4 火灾的时间效应对隧道安全性的影响92-99
• 5.4.1 30MW火灾高温下衬砌外侧土体温度场随时间的变化92-94
• 5.4.2 30MW火灾高温下衬砌外侧土体湿度场随时间的变化94-96
• 5.4.3 30MW火灾高温下衬砌外侧土体蒸气场及蒸汽压力场随时间的变化96-99
• 5.5 土体中蒸汽压力分布对隧道衬砌结构设计的启示99-101
• 5.5.1 火灾高温下土体中蒸汽压力对隧道衬砌的影响分析100
• 5.5.2 火灾高温下土体中蒸汽压力对于隧道设计施工的启示100-101
• 5.6 本章小结101-103
• 第六章 结论与展望103-105
• 6.1 论文主要结论103-104
• 6.2 不足之处及展望104-105
• 参考文献105-109
• 致谢109-111
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与项目111

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本文编号：579463