双坡耦合隧道火灾烟气特性研究

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坡度是隧道工程中的常见参数,在山岭、水下隧道中表现的尤为明显。隧道内坡度、坡形的变化严重影响了火灾烟气运动,因此坡度大、坡形变化复杂的隧道火灾烟气运动特征值得关注。其中,烟气温度与烟气运动特性是与隧道防灾救援紧密相关的科学问题。本文采用数值模拟和理论分析的方法对双坡耦合隧道火灾烟气特性进行研究,主要研究工作及成果如下:(1)建立了自然通风条件下隧道顶板最大温升参数经验预测模型。通过对火灾时隧道纵向中心线上温度分布进行数值模拟研究,揭示了隧道坡度及火源位置变化对火羽流及顶板最高温度的影响,得出无量纲最大温升参数随无量纲火源位置的增大逐渐升高、与无量纲热释放速率的0.8次幂成正比、随隧道坡度的增加先减小后增大。(2)阐明了隧道坡度、火源位置变化对隧道内烟气蔓延的影响。对双坡耦合的V形隧道内火灾烟气受力进行分析,研究了隧道坡度和火源位置变化对火风压的影响,确定了烟气运动基本特征,并利用数值模拟对烟气蔓延状况进行验证。结果表明火灾烟气蔓延至变坡点左侧隧道时,上游烟气层与隧道顶板平行;烟气无法蔓延至变坡点时,上游烟气与水平面平行。烟气逆流长度隧道坡度的增大逐渐减小,当坡度大于7%时,烟气逆流长度基本不受火源位置影响。(3)提出了无量纲参数Ri用于判断烟气蔓延稳定后能否到达变坡点。采用数值模拟研究了双坡耦合隧道坡长变化对烟气温度、烟气蔓延及烟气逆流的影响。结果表明增加双坡隧道坡度或火源侧坡长有助于减小烟气逆流长度;无量纲参数Ri>10时,烟气逆流无法到达隧道变坡点,Ri<10时,烟气逆流至变坡点左侧隧道;烟气运动稳定时期变坡点左侧逆流烟气消失时间随坡度增加逐渐减小、随坡长增加逐渐增大。
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