城市综合管廊火灾顶棚射流温度场的二维预测方法研究

作     者：叶开 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨立中

授予年度：2019年

学科分类：03[法学] 083305[工学-城乡生态环境与基础设施规划] 08[工学] 081403[工学-市政工程] 0837[工学-安全科学与工程] 0838[工学-公安技术] 0814[工学-土木工程] 0833[工学-城乡规划学] 0306[法学-公安学] 

主      题：综合管廊 全尺寸火灾实验 电缆燃烧特性 燃烧强化 顶棚射流 最高温度纵向衰减 竖直温度分布 二维温度场预测方法 

摘      要：近年来,综合管廊已经成为推进城市可持续发展进程的重要基础工程。综合管廊作为集约使用的新型地下隧道,其内通常收容多种市政管线,如高压电缆、通信线缆、中水、污水、热力和燃气等。建设综合管廊,可方便管道敷设、增减、管理和维修,合理利用城市地下空间,保障城市管线的耐久性。大力兴建管廊的同时,其潜在的火灾问题也不容小觑:在极度受限的狭长空间内,拥挤放置的市政电缆通风有限,热量积累或施工用火不规范,容易酿成严重的火灾事故。相比受到广泛关注和研究的交通隧道,综合管廊具备较小的断面尺寸、横向划分的舱室和轴向分隔的防火分区、成层布置的高压电缆以及特殊的通风排烟设计,这些造成了独特的火灾问题。若综合管廊发生火灾,其诱发的强羽流驱动下的顶棚射流向两端输运时,会对管廊墙体、容纳的设施甚至顶棚下方的高压电缆的安全造成严重威胁。预测该环境下的温度场,对及时探测报警,迅速扑救,降低火势蔓延风险具有显著意义。本文采用理论分析与实验研究相结合的方法,对综合管廊内容纳电缆的燃烧特性、燃烧强化现象及强羽流驱动的顶棚射流温度场进行了全面的研究。主要工作为:首先,对管廊内ZRC-YJV-8.7/10 3 × 95 mm2电缆的燃烧特性开展了实验台尺度的研究,判别了该类电缆完全燃烧所需的临界辐射热流,将燃烧过程划分为护套燃烧、缓慢蔓延、迅速蔓延、完全发展和衰退五个阶段,探讨了电缆组分的燃烧行为。开展了综合管廊模型实验,发现燃烧强化同时受WF/WT、HF/HT和LF/LT的协同影响,建立了修正后的Carvel模型预测强化程度。其次,在综合管廊内设计并开展了一系列全尺寸实验,考虑火源功率、火源水平及竖直位置、端部封堵条件等变量的影响。将火灾强羽流对顶棚的撞击分成浮力羽流撞击,间歇火焰撞击和连续火焰撞击三类。结合近似热边界层厚度,推导出最高温度纵向衰减的理论预测模型。实验结果发现温度衰减速度受火羽流撞击情况影响显著,并重新判定了 Delichatsios高估的斯坦顿数。探讨了封堵端墙对上下游烟气流动特性和纵向衰减的影响,讨论了四种经典隧道温度衰减模型在综合管廊环境下的适用性。然后,通过全尺寸实验继续研究了顶棚射流的竖直温度分布规律。研究发现,竖直分布存在自相似性,在不同端部封堵条件下存在三种分布类型。为对该相似性进行表征,本文确定了最高温度的期望位置,结合数学变换后的幂函数和Gortler自由射流误差函数建立了三种分布形态下的温度预测模型。讨论并总结了其它非受限顶棚和隧道顶棚下的预测模型在综合管廊内的适用性。最后,考量了顶棚射流厚度的纵向变化趋势,通过整合纵向温度衰减预测模型、竖直温度分布模型,建立了综合管廊火灾强羽流驱动的顶棚射流二维温度场经验性预测框架。该方法能够为消防工程实践提供快速、准确的二维温度预测。