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倾斜隧道贴壁火灾顶棚烟气最大温升模拟研究

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2024年第2期40卷 232-240页

作者：张培红何晓祥郭尹亮东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819

目的研究在火灾浮力效应、壁面辐射热反馈及空气卷吸限制效应的协同作用下倾斜隧道贴壁火灾发展的特性。方法利用FDS软件对倾斜隧道贴壁火进行数值模拟,分析顶棚烟气最大温升及其位置;考虑火源中心与侧壁的距离、坡度,建立了无量纲预... 详细信息

目的研究在火灾浮力效应、壁面辐射热反馈及空气卷吸限制效应的协同作用下倾斜隧道贴壁火灾发展的特性。方法利用FDS软件对倾斜隧道贴壁火进行数值模拟,分析顶棚烟气最大温升及其位置;考虑火源中心与侧壁的距离、坡度,建立了无量纲预测模型,进行拟合分析。结果当贴壁火热释放速率分别为2.7、4.0和5.0 MW时,隧道贴壁火的顶棚最大温升分别在坡度为2%、1%、0时达到最大值,之后随着坡度的增大呈指数衰减;与轴线火相比,当坡度小于10%时,贴壁火的最大温升点与火源中心更近,坡度大于10%时,贴壁火的最大温升点位置更远;贴壁火和轴线火的拟合结果很好,相关系数分别为0.98和0.95。结论侧壁限制对最大温升的影响随着火源中心与侧壁距离的缩小而更加显著;随着隧道坡度增大,倾斜隧道贴壁火的火焰同时向火灾上游和侧壁倾斜,空气卷吸和对流换热作用不断增强,从而影响火焰的受力机制和火源表面接受到的辐射热反馈,顶棚最大温升随坡度增加呈指数衰减。

关键词：倾斜隧道贴壁火轴线火最大温升最大温升点位置

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倾斜隧道内可燃液体连续泄漏漫流特征及其潜在火灾热释放速率试验研究

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消防科学与技术 2022年第10期41卷 1347-1353页

作者：郭庆华张绍绮赵维刚闫治国应急管理部天津消防研究所天津300381 石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院河北石家庄050043 同济大学土木工程学院上海200092

为研究倾斜隧道内可燃液体泄漏漫流引发的潜在火灾危险性,建立了双向坡度可调试验平台,对连续泄漏漫流形态、宽度、面积等特征随隧道坡度的变化规律进行了试验研究;同时开展火灾试验,研究燃料厚度对热释放速率的影响。结果表明:当隧道... 详细信息

为研究倾斜隧道内可燃液体泄漏漫流引发的潜在火灾危险性,建立了双向坡度可调试验平台,对连续泄漏漫流形态、宽度、面积等特征随隧道坡度的变化规律进行了试验研究;同时开展火灾试验,研究燃料厚度对热释放速率的影响。结果表明:当隧道仅存在纵坡时,随着坡度的增加,液体漫流宽度及面积缩小;当同时存在横坡和纵坡时,液体流向隧道侧墙,漫流长度及面积缩小。液体漫流平均厚度为2 mm,该厚度下可燃液体热释放速率为经典模型计算值的30%~50%。结合上述试验研究,可对隧道内可燃液体连续泄漏漫流潜在火灾热释放速率进行估算。研究结果表明:隧道横坡由1%增加至2%,液体漫流面积可减少约50%,大幅降低潜在的热释放速率。

关键词：倾斜隧道可燃液体泄漏漫流火灾热释放速率

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倾斜隧道火灾烟气分层稳定性研究

消防科学与技术 2024年第9期43卷 1227-1233页

作者：孙超鹏刘方翁庙成重庆大学土木工程学院重庆400000

隧道内的烟气分层特征对分析疏散和救援的难度以及制定有效的应急策略具有至关重要的作用。倾斜隧道中的烟气流动受到浮力和烟囱效应的共同影响,导致烟气的分布和运动规律与水平隧道存在显著差异。在倾斜隧道中,烟气分层稳定性受到多种... 详细信息

隧道内的烟气分层特征对分析疏散和救援的难度以及制定有效的应急策略具有至关重要的作用。倾斜隧道中的烟气流动受到浮力和烟囱效应的共同影响,导致烟气的分布和运动规律与水平隧道存在显著差异。在倾斜隧道中,烟气分层稳定性受到多种因素的影响,且相关研究较少。本文采用数值模拟方法对倾斜角度为1%~15%的两端开口的倾斜隧道火灾烟气分布特性及其影响因素进行了研究。研究表明:Newman提出的判定烟气分层状态的临界无量纲温差在倾斜隧道火灾中仍然适用(坡度在1%~15%范围内)。倾斜隧道火灾发生后,火源与低端入口之间的烟气层始终能够保持稳定的烟气分层。而火源与下游出口之间的烟气层则随着烟囱效应的增强,稳定分层被破坏的区域不断扩大,并逐渐扩展至整个下游区域。火源功率和火源与下游出口之间的高差可直接影响隧道内的烟囱效应和烟气自身浮力,进而影响烟气分层状态。在此基础上,提出了用于预测倾斜隧道火灾烟气分层特性的计算模型,并确定了烟气分层区域1和区域2之间的临界Froude数为0.9。本文研究可为隧道火灾排烟及疏散设计提供指导。

关键词：倾斜隧道烟气分层烟囱效应 Froude数

倾斜隧道内障碍物与烟囱效应协同作用对烟气蔓延的影响

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消防科学与技术 2023年第7期42卷 925-930页

作者：许秦坤唐蓉邹沛恒西南科技大学环境与资源学院四川绵阳621010

采用FDS研究自然通风条件下坡度与障碍物耦合作用下的烟气运动,主要分析隧道顶棚下方的纵向烟气蔓延特性、障碍物区域的羽流特征以及竖井排烟性能。结果表明:障碍物高度对顶棚最高温度影响较小,其最高温度主要由竖井高度以及坡度决定,... 详细信息

采用FDS研究自然通风条件下坡度与障碍物耦合作用下的烟气运动,主要分析隧道顶棚下方的纵向烟气蔓延特性、障碍物区域的羽流特征以及竖井排烟性能。结果表明:障碍物高度对顶棚最高温度影响较小,其最高温度主要由竖井高度以及坡度决定,并随二者的增加而逐渐降低,最终趋于某一定值。在近火场中,障碍物和坡度均会使火灾区域的流场发生变化,烟气羽流长度受坡度的影响较大,隧道坡度和竖井高度决定竖井的排烟效率,障碍物对其影响较小。此外,竖井高度较低时会导致边界层分离现象发生,该现象并不会随着坡度的增加而消失,并且竖井内侧始终存在漩涡,当竖井高度达到一定值后,坡度能有效抑制烟气吸穿。

关键词：隧道火灾倾斜隧道障碍物竖井排烟 FDS

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单竖井倾斜隧道火灾自然排烟排热效率研究

现代隧道技术 2021年第S1期58卷 541-549页

作者：李懋王笑非易亮兰诗寒云南麻昭高速公路建设指挥部昆明650034 中南大学长沙410075

通过缩尺寸模型试验研究了单竖井倾斜隧道的排烟模式及排热效率。选取稳定电加热热源,改变竖井高度、隧道坡度及热源位置,分析隧道拱顶最大温升及隧道出入口、竖井出口的热流温度、速度等数据,归纳出单竖井倾斜隧道的5种排烟模式,并计... 详细信息

通过缩尺寸模型试验研究了单竖井倾斜隧道的排烟模式及排热效率。选取稳定电加热热源,改变竖井高度、隧道坡度及热源位置,分析隧道拱顶最大温升及隧道出入口、竖井出口的热流温度、速度等数据,归纳出单竖井倾斜隧道的5种排烟模式,并计算对应排热效率。结果表明,热源位于竖井上游时隧道以竖井排热为主,最大排热效率为40.7%;热源位于竖井下游时以隧道出口排热为主,排热效率低于30%。

关键词：竖井倾斜隧道自然排烟拱顶最大温升排热效率

倾斜隧道有效纵向排烟临界风机压力及PID动态控制方法研究

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倾斜隧道有效纵向排烟临界风机压力及PID动态控制方法研究

作者：郝怡佳重庆大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国公路隧道建设的高速发展,倾斜隧道大量涌现。隧道为交通提供便利的同时,也给火灾防治带来了极大挑战。对倾斜隧道而言,烟囱效应对火灾烟气蔓延具有推动或抑制作用,因此,倾斜隧道内的火灾烟气蔓延特性与水平隧道相比更加... 详细信息

近年来,随着我国公路隧道建设的高速发展,倾斜隧道大量涌现。隧道为交通提供便利的同时,也给火灾防治带来了极大挑战。对倾斜隧道而言,烟囱效应对火灾烟气蔓延具有推动或抑制作用,因此,倾斜隧道内的火灾烟气蔓延特性与水平隧道相比更加复杂。纵向通风是目前使用较为广泛的一种排烟方式。倾斜隧道使用纵向排烟模式时,热压与风机升压可能形成相互竞争的作用力,增大了烟气控制难度;此外,在大多数的排烟系统中,纵向风压通常设定为恒定值,并且按照隧道火灾的最大设防功率进行确定,但恒定风压的射流风机通常无法根据火势大小自动调节风量,极易对烟气的分层造成破坏,因此需借助智能算法对风机升压进行动态调控。本文采用理论分析和数值模拟,探究倾斜隧道有效纵向排烟的临界风机压力及基于PID方法的烟气动态控制。倾斜隧道内烟气流动发展稳定后将会形成两种稳态流动模式,分别是风压主导模式和热压主导模式,其中风压主导模式为排烟设计所预期的流动模式。由于烟囱效应的强度与风机开启时间有关,因此风机开启时间的改变会导致隧道内热压的变化从而对烟气稳态流动模式产生不同的影响。为更准确的量化隧道内累积的热压以得到抑制烟气热压主导模式所需的机械风压,本文结合理论推导和数值模拟量化了不同流动模式下火灾发生后倾斜隧道内累积的热压,分析了风机开启时刻隧道内热压的瞬态变化。此外,通过理论推导提出了不同风机开启时刻下抑制隧道热压主导模式的临界风机压力理论模型,并采用数值模拟手段验证了该理论模型的可行性。数值模拟结果表明,火源位置距离倾斜隧道下游出口越远,防止烟气逆流产生所需的临界风机压力Pj,n越大。此外,随着火源功率的增大,临界风机压力Pj,n也在增加;风机开启时刻越晚,所需的临界风机压力Pj,n也越大。为改善射流风机对隧道火灾烟气控制的稳定性和灵活性,实现对倾斜隧道火灾烟气的有效动态控制,本文将PID控制算法应用到倾斜隧道的纵向排烟系统中,采用数值模拟手段探究了PID控制方法在实现烟气动态控制的可行性。模拟结果表明,与提供恒定机械风压的恒定风压通风控制系统相比,PID通风控制系统可以根据火灾规模和发展态势,实现对风机升压的动态调控,在最小化推进烟气蔓延进程的同时,最终能够将隧道内烟气完全控制在下游且始终不会向上游蔓延。另外,PID通风控制系统的烟气流动状态达到稳定时,隧道内的纵向风速可稳定维持在临界风速左右,且隧道下游不同位置的无量纲温度比（35）Tcf/（35）Tav g均大于1.7,说明下游烟气分层明显。此外,基于不同的火源功率和不同的风机开启时间下,PID通风控制系统对火源产生的烟气依然能够实现动态控制,且系统的控制效果稳定。火源功率越高,PID通风控制系统对烟气的控制作用更为显著,隧道内温度下降的越快;风机开启时间越晚,PID通风控制系统的响应速度越快,达到稳定状态所需的时间越短。在动态火灾规模下,烟气的流动特性对隧道内滞留人员的安全疏散至关重要,并且探究烟气的动态控制有利于人员疏散和减小财产损失。因此,本文通过数值模拟,在突发外界环境风和车辆引燃引起的火源功率突变等动态火灾场景下,探究了PID通风控制系统对隧道火灾烟气运动发展态势的影响,为减小火灾蔓延提供了科学依据。模拟结果表明,PID通风控制系统可在不同的动态火灾场景下自动实现对倾斜隧道内火灾烟气的动态控制。环境风作用的时间不同时,纵向排烟效果会受到显著影响:当隧道内的烟气有逆流时,此时若产生环境风,恒定风压通风控制系统的风机升压不足以克服热压和环境风压,最终发展为热压主导模式。而PID通风控制系统可自动调节风机升压并趋于稳定,最终形成风压主导模式;当隧道内的烟气无逆流时,且烟气已被稳定的控制在下游区域,此时若产生环境风,两种控制模式最终都可形成风压主导模式;当火源功率发生突变,PID通风控制系统可动态调控纵向风压并将烟气稳定地控制在下游区域,而恒定风压通风控制系统则无法实现。本文的研究结论为倾斜隧道有效纵向排烟临界风机压力的确定提供了理论支撑,并且为倾斜隧道火灾烟气控制提供了新的设计方法。

关键词：倾斜隧道纵向排烟临界风机压力 PID控制数值模拟

倾斜隧道强浮力羽流作用下的气流特性及盐水实验技术研究

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倾斜隧道强浮力羽流作用下的气流特性及盐水实验技术研究

作者：丁瑶重庆大学

学位级别：硕士

现如今,随着能源日益紧张以及城市地上用地空间减少所带来的限制,地下空间的利用正逐渐受到人们的关注。隧道以其交通方面的独特优势,也越来越多的被加以研究。一方面,由于以往的研究重点大多针对水平隧道而忽略了倾斜隧道,故本文将重... 详细信息

现如今,随着能源日益紧张以及城市地上用地空间减少所带来的限制,地下空间的利用正逐渐受到人们的关注。隧道以其交通方面的独特优势,也越来越多的被加以研究。一方面,由于以往的研究重点大多针对水平隧道而忽略了倾斜隧道,故本文将重点研究倾斜隧道的气流特性。另一方面,研究隧道火灾常用的传统方法有空气实验法、计算机模拟法。本文引入盐水实验法,重点研究盐水实验的原理、操作流程及数据处理方法,并通过盐水实验来研究倾斜隧道火灾的气流特性。首先,本文研究了盐水实验技术方法,通过介绍相似理论,阐明了盐水实验的实验原理及其应用于现实中的可行性。之后详细阐述了实验数据的提取方法,结合MATLAB软件程序,使得盐水实验不仅可以实现可视化,还可以得到精确的实验数据,从而解决了以往盐水实验无法得到准确全面的实验数据的弊端。改变了盐源出口的结构,在保证流体雷诺数大于1000的基础上,减小了盐源出口初始动量不为零所带来的误差。之后对盐水实验方法进行优劣势分析,以对其展开更深入、更全面的研究。本文所建立的实验设置方法可以为其他相关通风实验提供一定的参考依据。然后,本文探索了在倾斜隧道自然排烟状态下由连续流体释放引起逆流的动力学问题,建立了相关理论分析。重点关注隧道火灾中防止逆流发生的临界条件,首先从相对较简单的绝热系统开始研究,然后考虑烟气与隧道壁面存在热交换的较复杂情况。假设倾斜隧道自然排烟状况下的纵向风速是由烟囱效应引起的,推导出预测倾斜隧道临界条件的理论方程。研究发现倾斜隧道在自然排烟时,火源上游诱导的气流速度也可能达到临界风速,进而保证火源上游不受烟气的侵蚀。也明确一点,临界条件与浮力源位置有较大的关联而与浮力源的浮力通量并不存在明显的关系。之后,本文采取盐水实验对倾斜隧道自然排烟的理论分析进行验证模拟。采用盐水实验模拟法探究火灾逆流长度以及逆流层和环境之间的密度差等参数的变化规律。实验结果表明,在一个固定的实验构造中,逆流长度与释放源的浮力通量无关,而逆流层与环境之间的密度差与浮力通量的0.52次幂正相关并且逆流层流体密度明显大于火源下游流体密度。在浮力通量值变化较大的情况下,理论分析得出的结论均是有效的。这也说明在没有任何机械流动的情况下,可以在一个倾斜隧道内实现临界状态,能否达到临界状态主要取决于浮力源的位置。最后,本文采用FDS数值模拟软件再次验证理论分析的正确性。研究其参数设计方法,以将盐水实验参数设计与模拟参数设计统一,使两种方法很好的与现实情况结合起来。数值模拟的结果与盐水实验结果基本一致,从而再次验证倾斜隧道自然排烟气流特性理论分析的正确性。

关键词：盐水实验倾斜隧道 FDS仿真模拟临界状态逆流长度

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倾斜隧道掌子面三维稳定性极限上限分析

倾斜隧道掌子面三维稳定性极限上限分析

作者：谭子安中南大学

学位级别：硕士

近年来,为了缓解交通拥堵,我国各大城市正加速推进城市轨道交通建设,轨道交通的建设必然涉及大量的隧道工程,盾构法隧道施工由于开挖速度快,安全程度高,在城市地铁中的应用越来越广。在盾构隧道的施工中,保持掌子面稳定是至关重要的,目... 详细信息

近年来,为了缓解交通拥堵,我国各大城市正加速推进城市轨道交通建设,轨道交通的建设必然涉及大量的隧道工程,盾构法隧道施工由于开挖速度快,安全程度高,在城市地铁中的应用越来越广。在盾构隧道的施工中,保持掌子面稳定是至关重要的,目前已有大量学者对盾构隧道掌子面稳定性展开了研究,但这些研究往往只考虑隧道水平开挖的情况,实际大多数盾构隧道在施工时会存在一定的倾斜角,因此,有必要考虑隧道倾斜角对掌子面稳定性的影响。本文基于极限分析上限法,提出了改进的三维旋转破坏模型,研究了倾斜隧道掌子面的稳定性,具体研究内容及成果如下:(1)基于线性Mohr-Coulomb破坏准则及极限分析上限法,构建考虑隧道倾斜角的三维旋转主、被动破坏模型,通过极限分析能耗方程得出倾斜隧道掌子面主、被动破坏极限支护压力的计算方法;(2)基于Hoek-Brown非线性破坏准则及极限分析上限定理研究倾斜隧道掌子面稳定性,通过“切线法”技术,基于三维旋转破坏机制,得出Hoek-Brown非线性准则下倾斜隧道掌子面主、被动破坏极限支护压力的计算方法;(3)通过有限元软件(FLAC3D)对倾斜隧道开挖过程进行模拟,从而求得掌子面渗流场,采用线性插值的方法将渗流场导入掌子面三维破坏模型,推导出孔隙水压力作用下的倾斜隧道掌子面极限支护力计算公式;(4)结合南通市及杭州市地铁某区间盾构隧道工程,通过本文提出的倾斜隧道掌子面三维破坏模型计算隧道纵坡段内的掌子面主、被动破坏极限支护压力,分析了隧道掌子面的稳定性。图86幅,表21个,参考文献101篇

关键词：极限分析隧道掌子面倾斜隧道 Hoek-Brown破坏准则盾构隧道孔隙水压力

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自然通风倾斜隧道火灾烟气最大逆流长度研究

消防科学与技术 2024年第9期43卷 1266-1271页

作者：吴双良福建省交通规划设计院有限公司福建福州350004

为探讨纵坡隧道利用烟囱效应诱导气流进行火灾烟气控制的可行性,系统开展了烟囱效应作用下倾斜隧道火灾烟气流动规律研究。揭示了倾斜隧道中由坡度产生的烟囱效应作用对火灾烟气蔓延规律的影响,分析了自然通风条件下的倾斜隧道火灾烟气... 详细信息

为探讨纵坡隧道利用烟囱效应诱导气流进行火灾烟气控制的可行性,系统开展了烟囱效应作用下倾斜隧道火灾烟气流动规律研究。揭示了倾斜隧道中由坡度产生的烟囱效应作用对火灾烟气蔓延规律的影响,分析了自然通风条件下的倾斜隧道火灾烟气非对称流动效应。结果表明,随着高程差的增大,正向流动的烟气、空气质量流量从50%增加至约100%;而负向流动的烟气、空气质量流量从50%衰减至约0%。利用高程差作为特征参数进行定量表征,提出了火灾烟气与新鲜空气的质量流量经验公式,并推导出了烟气最大逆流长度预测公式。

关键词：倾斜隧道非对称流动质量流量逆流长度