基于双火源相互作用隧道火灾燃烧特性的实验与数值模拟研究

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随着城市化进程的加快,我国交通运输事业迅速发展,隧道里程数不断延长,隧道火灾风险不断增加的同时,其危害性也在不断增加。公路隧道车流量大、大型车辆多、车辆易拥堵,地铁隧道内车辆运行间隔时间短、车厢间相互连接,一旦发生火灾,这些均容易造成多火源火灾,加重火灾危害程度,严重危害生命安全和车辆运行安全。研究隧道多火源火灾,对减轻火灾危害程度具有重要意义。鉴于隧道火灾多为多火源火灾,且对隧道多火源火灾的研究多基于双火源,本文通过小尺寸实验和火灾动力学数值模拟(Fire Dynamics Simulator-FDS)等手段,研究不同火源尺寸、间距条件下的隧道双火源火灾燃烧特性,为隧道多火源火灾研究提供数据支持。主要研究内容和成果如下:(1)利用1:10隧道模型,进行五组小尺寸实验,并对其中一组进行FDS数值模拟,研究间距和尺寸对质量损失速率、顶棚最高温度及顶棚温度分布的影响。结果表明:充分发展阶段的质量损失速率受火源间距影响,呈非单调性变化规律。S/D=1为空气卷吸受限效应与辐射热反馈竞争机制发生变化的临界点,当S/D<1时,空气卷吸受限效应起主导作用;当S/D>1时,辐射热反馈起主导作用。当S/D<1时,顶棚最高温度因空气卷吸受限而下降;当S/D>1时,因尺寸增大,下降速度逐渐减慢。远火场顶棚纵向温度分布服从指数衰减规律;不同火源间距影响了衰减的快慢,表现为远火场顶棚纵向温度衰减系数在S/D=2的两侧表现出相反的变化规律。(2)结合小尺寸实验数据,对隧道单火源火灾顶棚纵向温度预测模型进行修正,推导适用于双火源情形的远火场顶棚纵向温度预测模型。结果表明:指前系数在S/D<2时,受尺寸变化影响较大;在S/D>2时,受尺寸变化影响较小,随间距增大趋于稳定。针对模型修正,当S/D<2时,仅需对指前系数做出修正;而当S/D>2时,在指前系数修正的基础上仍需对衰减系数做出修正。修正后模型预测结果与实验结果吻合良好。(3)基于隧道单火源火灾顶棚最高温度模型的修正,对双火源的单火源等效进行研究。结果表明:隧道单火源火灾顶棚最高温度实验值相较经典模型预测值偏低,模型系数修正后为18.1。根据等效单火源与双火源燃烧火源1的热释放速率比值与无量纲间距S/D的关系,得到了单火源等效的模型,实现双火源的单火源等效。经验证,单火源等效模型具有可靠性。
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