受限出口边界下隧道火灾火行为和烟气输运规律研究

发布时间：2020-04-11 00:28

【摘要】：在世界各国,越来越多的隧道已经或正在被建造,这对缓解城市的交通压力和促进货物的运输都发挥了巨大的作用。但是由于隧道狭长的结构特点,一旦隧道内发生火灾事故,便有可能造成群死群伤的后果,因此,隧道火灾一直以来都是各国交通部门关注的重大问题之一。前人对隧道火灾动力学和控制技术的研究大部分是基于纵向通风、自然通风等良好通风条件下开展的,而有关隧道两端开口处于不同程度封闭或封堵状态下的隧道火灾研究十分少见。典型的受限出口边界下隧道(或狭长腔室)火灾场景有地铁列车车厢火灾、两端防火门关闭后的建筑走廊火灾、地下管廊火灾、煤矿巷道火灾、在建隧道火灾、出口被封堵后的隧道火灾等。基于传统隧道的火灾动力学理论可能不再适用于受限出口边界下的隧道火灾。对该类型隧道火灾的研究对于进一步充分理解受限出口边界下隧道火灾的特点、发展火灾控制技术等都具有重要的意义。因此,本论文以揭示受限出口边界下隧道火灾火行为和烟气输运规律为目标,采用缩尺寸实验和理论分析相结合的方法,从以下几个方面开展研究:一.利用收集的大量实验数据对复杂边界下(通风+隧道)池火燃料单位面积质量损失速率(m")的尺寸效应开展研究,作为隧道火灾相似性理论的进一步拓展,为后续缩尺寸实验的开展和部分实验结果提供了一定的依据和参考。研究结果表明当小尺寸池火(直径D1 m,尤其是在D0.2 m时)出现在开敞环境时,通风会显著提高油池燃料的传导和对流热反馈(主导),燃料m"会随着风速的增加而显著增加(可高达数倍)。但当小尺寸池火出现在隧道内时,如果油池表面非常靠近隧道顶棚(如H2f/D3),来自顶棚的辐射是主要的热反馈模式,燃料m"明显高于对应的开敞自由燃烧测试结果(可高达数倍)。此时通风会因顶棚辐射水平的下降而降低燃料m",但随着风速的进一步增加,燃料m"会因传导和对流热反馈的增加而增加。通风对燃料m"的影响均随着油池直径的增加而减小,当油池直径超过1 m后,来自火焰自身的热辐射是最主要的热反馈模式,燃料m"随风速通常在±30%的范围内波动。二.利用模型尺寸隧道对完全封闭条件下的隧道火灾(火源功率较小的小火)火焰形态和顶棚下方最高烟气温升规律开展研究。研究结果表明当火源远离隧道的纵向中间位置时,火焰两侧流场不对称,火焰会向隧道近壁端倾斜,倾斜角度随着火源远离隧道中间距离的增加而增加。在区域Ⅰ(0≤d'≤0.64)内,最高烟气温升随无量纲火源距离(d')的增加而下降(火焰倾斜效应主导),在区域Ⅱ(0.64d'1)内,最高烟气温升随无量纲火源距离的增加而增加(烟气热积聚效应主导)。基于火焰倾斜的物理机制,提出了等效通风速度的概念,建立了适用于区域Ⅰ的顶棚下方最高烟气温升预测模型。在该模型的基础上,通过引入热积聚效应修正因子,获得了适用于区域Ⅱ的最高烟气温升预测模型。量纲分析结果表明归一化的最高烟气温升在区域Ⅰ内随无量纲火源距离呈指数衰减规律。三.利用模型尺寸隧道对封堵率和封堵时刻对隧道火灾(火源功率较大的大火)发展的耦合控制规律开展研究。研究结果表明封堵隧道出口可以降低燃料的质量损失速率和隧道顶棚温度,无论是对于完全封堵还是不完全封堵,均是封堵时刻越早,火灾控制效果越好。对于不完全的隧道封堵,当封堵出现在火灾的猛烈燃烧阶段时,其不仅不会限制火灾强度的增长,还会在隧道出口处诱导产生超过1000 ppm的CO有毒气体和强烈的顶棚射流火焰,这将对隧道出口处的救援工作产生威胁。此外,在不完全的封堵后,从隧道出口流出的火灾烟气并不会在惯性力的作用下继续向前蔓延一段距离,而是在外界补给空气和封堵物遮挡的共同作用下立即沿竖向上升,这也是在救援过程中需要注意的特殊现象。四.利用模型尺寸和中尺寸隧道对通风控制隧道火灾出现的临界条件和燃料规律开展研究。研究结果表明在受限出口边界下,火灾燃烧产物在隧道内不断积聚,污染了燃烧环境并稀释了火焰附近的O2浓度,加快了通风控制隧道火灾的出现,因此,出现通风控制隧道火灾的临界燃料/通风当量比在0.53-0.6之间,低于理论值1。对于早期为通风控制的隧道火灾,随着火焰附近O2体积分数的下降,燃料质量损失速率也会降低,此时有限的通风率会接近于对燃料蒸汽完全燃烧的需求,即通风控制隧道火灾从早期的不充分燃烧转化为充分燃烧(从燃料/通风计量比变化的角度讲,可以认为早期为通风控制的隧道火灾最终转化为燃料控制的隧道火灾),因此,整个燃烧过程中并没有出现呈倍数显著增加的CO产率。五.利用模型尺寸在建隧道对通风控制隧道火灾中火焰发生自熄的临界条件和影响因素开展研究。研究结果表明当火灾出现在水平隧道时,火焰发生自熄的临界条件和燃料种类有关,丙烷气体火源和浸渍过正庚烷的纤维板火源火焰发生自熄的临界燃料/通风当量比分别在0.28-1.38和1.11-3.6范围内。此外,火焰发生自熄时的临界O2体积分数在12-15%之间。在水平隧道内,烟气的分层结构在撞击到隧道端墙后会被破坏,进而在隧道的整个横截面内沿纵向蔓延,烟气蔓延速度正比于机械通风率。当火灾出现在倾斜隧道的低端封闭面时,即使是在通风率为0 m3/s时,火焰也没有发生自熄。火灾烟气蔓延速度高于对应的水平隧道结果,这是由倾斜隧道在纵向方向上具有浮力分量这一特点造成的。另外,火焰后方并不会形成燃烧产物的再循环,这两个特点增加了流出倾斜隧道出口烟气的温度,反过来促进了隧道的自然通风水平,进而提高了火焰附近的02体积分数。
【图文】：

阿塞拜疆,地铁隧道,火灾

快将乘客们包围起来。由于车厢的门和窗无法打开，同时四周一片漆黑，不易逡逑逃生，最终导致很多人直接葬身在火海和有毒烟气之中。事故最终共造成５５８逡逑人死亡、２６９人受伤［１１］。图１．２展示了阿塞拜疆巴库地铁隧道火灾的灾后场景。逡逑ＥＫ逡逑图１．２阿塞拜疆巴库地铁隧道火灾逡逑（３）铁路隧道逡逑铁路隧道在宽度上也相对狭窄，属于瘦高型的隧道。铁路列车一方面具有逡逑输送乘客的功能，这一点类似于地铁列车。而铁路列车的另一个功能是运输货逡逑物，其可能同时携带十几节车厢的可燃材料货物甚至几十节的油罐。一旦可燃逡逑货物甚至油品泄露遇明火引发火灾，其火灾具有过火面积大、持续时间长、燃逡逑烧强度高等特点，同时伴有爆炸的风险，会造成严重的经济财产损失，因此，逡逑用于输运货物的重载铁路隧道火灾同样值得高度关注。一起典型的重载铁路隧逡逑道火灾案例是１９９０年发生在中国四川的梨子园隧道火灾。当时由４６节航空汽逡逑油槽车和９节货车编组的０２０１次列车行至四川万源县境内的梨子园隧道内后发逡逑生火灾和爆炸，事故共造成４人死亡、１４人受伤、１８节油槽车和５节货车遭到逡逑不同程度损坏，使襄渝铁路停运２４天。事故原因是油罐阀门泄露导致汽油和逡逑油气外溢

梨子,隧道火灾,四川

快将乘客们包围起来。由于车厢的门和窗无法打开，同时四周一片漆黑，不易逡逑逃生，最终导致很多人直接葬身在火海和有毒烟气之中。事故最终共造成５５８逡逑人死亡、２６９人受伤［１１］。图１．２展示了阿塞拜疆巴库地铁隧道火灾的灾后场景。逡逑ＥＫ逡逑图１．２阿塞拜疆巴库地铁隧道火灾逡逑（３）铁路隧道逡逑铁路隧道在宽度上也相对狭窄，，属于瘦高型的隧道。铁路列车一方面具有逡逑输送乘客的功能，这一点类似于地铁列车。而铁路列车的另一个功能是运输货逡逑物，其可能同时携带十几节车厢的可燃材料货物甚至几十节的油罐。一旦可燃逡逑货物甚至油品泄露遇明火引发火灾，其火灾具有过火面积大、持续时间长、燃逡逑烧强度高等特点，同时伴有爆炸的风险，会造成严重的经济财产损失，因此，逡逑用于输运货物的重载铁路隧道火灾同样值得高度关注。一起典型的重载铁路隧逡逑道火灾案例是１９９０年发生在中国四川的梨子园隧道火灾。当时由４６节航空汽逡逑油槽车和９节货车编组的０２０１次列车行至四川万源县境内的梨子园隧道内后发逡逑生火灾和爆炸，事故共造成４人死亡、１４人受伤、１８节油槽车和５节货车遭到逡逑不同程度损坏，使襄渝铁路停运２４天。事故原因是油罐阀门泄露导致汽油和逡逑油气外溢
【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】：2019
【分类号】：U458.1

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