（流体力学专业论文）地铁隧道火灾烟气流动过程中分岔现象的数值与实验研究.pdf

摘要 地铁交通事业快速发展给地铁火灾防范提出了更严格的要求，而我国地铁消 防工程起步较晚，地铁火灾烟气控制方案还不成熟。因此，必须加强地铁系统火 灾安全工程的研究，为确保地铁安全运营和火灾烟气控制提供理论依据和技术支 撑。 一般火灾系统最根本的特性是非线性，而火灾烟气分岔行为是非线性现象的 一种。本文结合中国科学院中国科技大学火灾科学国家重点实验室的开放课题采 用理论分析、模型实验和数值模拟相结合的方法对地铁隧道火灾分岔性这一典型 非线性现象开展研究。主要研究内容是： 一、从理论上分析地铁隧道中火灾烟气羽流传播与火灾烟气逆流两种分岔现 象：描述火灾烟气羽流和逆流的数学描述方程并指出其影响因素同时推导了临 界风速的理论计算公式。 二、参考相似理论，在北京工业大学的地铁隧道模型基础进行实验方案的设 计和测量设备的研制，测量所需要的各种参数并整理分析了相关的实验数据。 三、采用c f d 软件p h o e n i c s 对地铁隧道火灾的烟流分布进行了数值模拟 计算，在火灾烟气羽流的模拟计算中发现火灾危险距离随火源功率的关系近似 呈抛物线变化。在火灾烟气逆流的模拟计算中验证了实验与计算公式所得出 的产生火灾烟气逆流的临界风速。 关键词：地铁隧道火灾；分岔；数值模拟；临界风速 北京交通大学硕士论文 a b s t r a c t t h eq u i c k l yd e v e l o p e ds u b w a yt r a n s p o r t a t i o nn e e d st ob ep u tf o r w a r ds t r i c t e r r e q u i r e m e n tf o rp r o h i b i t i n gt h es u b w a yf i r e ，b u tt h i ss u b j e c ts t a r t e dv e r yl a t ei no u r c o u n t r y ，w eh a v e n tg o tam a t u r e ds y s t e mt oc o n t r o lt h es m o k ei ns u b w a yt u n n e l s o w eh a v et od e e p e nt h er e s e a r c ha b o u tf i r es a f e t yi nt h es u b w a yt u n n e lt om a k es u r ew e c a nh a v ear e l i a b l et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ea n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r ti no p e r a t i n gt h e s u b w a y t h eb a s i ct r a i t so ft h eg e n e r a lf i r es y s t e ma r en o n l i n e a rc h a r a c t e r , a n dt h ef r a c t i o n p h e n o m e n o ni so n eo ft h e s en o n l i n e a rc h a r a c t e r s b a s e do nt h eo p e np r o j e c to fu s t c ， w ea p p r o a c ht h et y p i c a lf r a c t i o np h e n o m e n o nw i t ht h r e ew a y s ：t h e o r e t i c a la n a l y s i s ， e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 、w ea n a l y z e dt h ep l u m es m o k ef l o wa n du p s t r e a ms m o k ef l o ww h i c ha r et w ok i n d s o ff r a c t i o np h e n o m e n o nt h e o r e t i c a l l y ：d e s c r i b e dt h em a t h e m a t i ce q u a t i o no ft h et w o k i n d so ff r a c t i o np h e n o m e n o na n dt h e np o i n t e do u tt h ei n f e c t e df a c t o r ，t h e nd e d u c e d t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ec r i t i c a lv e n t i l a t i n gv e l o c i t y 2 、m a d ear e f e r e n c et ot h ea n a l o g i c a lt h e o r i e s ，w ed e v e l o p e dt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m e a n dt e s t i n gf a c i l i t i e si nt h es u b w a ym o d e li nb e i j i n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ，t h e n t e s t e dt h en e e d e dd a t aa n dn e a t e n e da n da n a l y z e dt h e m 3 、w eu s e dc f ds o f t w a r ep h o e n i c st oc a l c u l a t et h ef i r ea n ds m o k ed i s t r i b u t i o ni n s u b w a yt u n n e l ，t h e nd i s c o v e r e dt h ed a n g e r o u sf i r ed i s t a n c ea n dt h ef i r ep o w e r p r e s e n t i n gap a r a b o l av a r i e t yi np l u m e s m o k ef l o wc a l c u l a t i o n ，a l s ow ea t t e s t e dt h e c r i t i c a lv e n t i l a t i n gv e l o c i t yi ns m o k eu p s t r e a mf l o wc a l c u l a t i o nw h i c hw eg o tf r o mt h e e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d y k e y w o r d s ：s u b w a yt u n n e lf i r e ；f r a c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c r i t i c a lv e l o c i t y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期： 年月 日签字同期： 年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特j l , l j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 致谢 本论文是在导师毛军教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、系统方案的 设计、理论分析的深入及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，导师严谨的治 学态度和科学的工作作风，会使我在今后的工作和生活中受益匪浅，在此谨向导 师表示衷心的感谢。 感谢力学所所有在这几年的学习期间给予了我帮助的其他老师，他们渊博的 知识、优秀的品格给我留下了深刻的印象。特别感谢师兄白光及郗艳红、朱升同 学在学习和生活中对我的指导和帮助。感谢北京工业大学的杨英霞博士、石勃伟 同学在实验方面对我的指导和帮助。感谢土建0 6 硕2 班的全体同学，他们为我 排除了学习、生活中的很多困难，给予了我克服困难的勇气和坚持不懈的精神动 力，在此致以真诚的谢意。 在研究生期间，我得到了家人和朋友充分的理解和支持，在此表示深情谢意。 北京交通人学硕士论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景及其意义 1 1 1 研究背景 社会经济的不断发展，轨道交通方式以快速、大运量、污染小、效率高等特 点成为城市交通结构中不可缺少的组成部分。地铁作为城市轨道交通的一个主要 方式，成为解决大城市、特大城市交通矛盾的有力工具，有效的满足了城市化的 交通需要。而随着城市轨道交通事业的不断发展，人们对现代地铁运营安全管理 要求越来越高。地铁运营的特殊性，决定了地铁安全工作的重要性，由于轨道交 通具有线长，点多，面广的特点，客流密集。特点是地铁深埋底下，环境封闭， 在通风，客流快速扩散等方面都受到很大限制，对运营安全防范带了很大的难度， 在地铁运营过程沉重，地铁火灾是不容忽视的问题。地铁火灾事故通常可以分为 两种情况：车站火灾和区间隧道火灾。一旦发生火灾，浓烟和热气很难自然排除， 并会迅速蔓延充满整个地下空间；如果火灾不能得到有效控制，后果将不堪设想。 地铁火灾事故中危害最大的主要是地铁站台和地铁隧道内燃烧、烟气、毒害 物质的扩散所造成的人员伤亡，而发生隧道火灾时的烟气控制和人员安全疏散是 地铁各类火灾中的难点。因为在地铁区问隧道内，空问相对封闭，疏散条件差， 若一旦发生火灾，产生的热烟气较难控制排除，且火灾不易扑救，容易造成较大 的伤亡事故。 地铁火灾与地面建筑或其它地下建筑火灾相比有它特殊的性质，它与外界的 联系主要为出入口，人员密集，排热困难，因此与地面建筑火灾相比具有更大的危 险性。由于火灾发生时，人员的逃生方向和烟气的扩散方向都是从下往上，人员的 出入口可能就是喷烟口，所以地铁火灾中烟气的控制是地铁火灾中一个非常重要 的课题。 双线地铁隧道是地铁中典型的隧道形式，其上行线和下行线的隧道之间的隔 墙上每隔一定距离就有相当于隧道断面尺寸约1 5 的通孔。列车在上行线或下行 北京交通人学硕十论文 绪论 线发生火灾并停留在隧道内时，火灾烟气可以通过那些通孔横向扩散到未着火的 隧道里。同时，地铁内的气流还受到通风排烟模式的影响。火灾发生时，火灾热 烟和地铁内的冷烟流产生对流换热，热烟与隧道建筑结构之间产生热交换，上、 下行线隧道内的风流十分紊乱，有机械通风时可能出现火灾烟气浓度弥散、烟流 逆退等分岔现象，从而对停留在隧道内的列车上的人员疏散产生十分不利的影 响，对人身安全构成严重威胁。 1 1 2 研究意义 火灾中烟气是对人构成生命威胁的最大因素。以往的火灾案例统计表明，地 铁隧道发生火灾时所造成的人员伤亡，8 5 以上是被烟气中的有毒气体所熏倒， 因中毒，窒息而死，地铁车辆虽然都基本上都采用了难燃或者不燃材料，从而使 地铁隧道可能发生的火灾强度进一步降低。但是，这些难燃或者不燃材料在高温 的作用下会散发出大量的有毒气体，对人员的安全疏散构成了极大的威胁。因此， 研究地铁隧道火灾中火灾烟气扩散的距离和高度对人员安全疏散和消防救援以 及安装火灾探测装置具有非常重要的现实意义。 下行通风隧道火灾引起的风流逆转是一种特殊、复杂的风流紊乱形式。历史 上曾出现多起因下行风流逆转导致的重大伤亡事故。因此，下行风流逆转规律的 研究早已成为人们关注的焦点。纵向通风系统由于具有良好的烟气控制效果，广 泛用于长大隧道火灾通风设计中为防止火灾烟气逆流，隧道纵向控制风速必须大 于或等于临界风速，从而为人员逃生及火灾救援提供上游安全通道，因此临界风 速的合理选择变得尤为重要。 1 2 国内外火灾非线性现象的研究现状 从非线性科学角度研究火灾现象是近年来的新发展。1 9 9 3 年，s rb i s h o p 等运用突变理论，研究了腔室火灾的轰燃现象。1 9 9 4 年，蒋礼等运用分形理论， 研究了林火初期蔓延的分形现象。1 9 9 5 年，文献 1 3 从菲线性科学观点，总结 了隧道火灾系统中的多种复杂性现象，同时将分岔、突变、奇怪或混沌吸引子、 2 北京交通大学硕十论文绪论 运动及结构稳定性等概念引入隧道火灾科学，并对隧道火灾系统的非线性动力学 特性进行了初步研究。鉴于非稳态隧道通风系统动力学特性的非线性研究不仅对 设计火灾控制系统，而且对非稳态隧道通风系统中复杂性现象的分析，及对隧道 通风安全系统的设计产生影响，文献 2 建议对其展开研究。文献 3 - 1 提出了 “非线性隧道通风学”的概念，应用非线性数值试验及动画仿真技术，发现了分俞 现象。1 9 9 4 年以来，中国科学技术大学的谢之康与合作者通过对火灾过程中复 杂性行为的内在联系进行了分析，据此提出了“非线性火灾学”及“非线性热灾害 学”的概念以及提出了包括森林火灾中的“火旋风”、油罐火灾中的“扬沸、 沸腾传热中的“沸腾危机”、隧道胶带输送机火灾“闪络 、煤炭自燃和主要通 风机“喘振”，以及燃爆系统中“燃烧向爆轰转化”等复杂性现象的非线性机理。 文献1 4 1 较为系统地介绍了从非线性科学角度研究热灾害现象的学术观点，初 建了非线性热灾害学理论及其相关科学( 含非线性燃烧学、非非线性传热学、非 线性灾害学及非线性爆炸学等) ，由此将可能产生一批新的非线性科学应用学科。 目前，国内外已有很多人对地铁隧道火灾烟气的流动与控制作了大量的研 究。p j w o o d b u m 等人把地铁火灾烟气的数值模拟值与实验值进行了对比，用来验 证数值模拟的灵敏度和准确性，研究表明，除纵向通风速度对烟气逆流扩散范围具 有决定性影响外，火源的热释放速率以及湍流模型的选择对烟气逆流扩散范围影 响也较大 5 。s k u m a r 等人对隧道火灾进行了三维数值模拟，并分别研究了辐射、 热传导和壁面粗糙度等因素对火灾烟气的影响 6 - 1 。卢平等人对纵向通风水平隧 道火灾烟气的流动特性进行了模拟与分析e 7 。郑晋丽研究了隧道火灾中几种常 用的数值模拟方法，提出了火灾发生后应采取的有效烟气控制措施 8 - 1 。 1 3 非线性火灾学及火灾分岔现象简介 1 3 1 非线性火灾学 就火灾过程本身而言，它是一种三维、非定常、多尺度、非平衡、非线性及 耗散性包含湍流流动、传热传质、可燃物热解、相变和燃烧及其耦合的复杂物理 化学过程，涉及“火旋风”、“轰燃 、“回燃”、“扬沸 等复杂性现象。火 3 北京交通火学硕十论文 绪论 灾系统的复杂性表明，非线性是一般火灾系统最根本的特性。 从非线性动力学角度研究火灾过程规律及其应用的科学，称为非线性火灾 学。复杂性行为的产生源于系统构成要素及其环境之间的非线性相互作用。由于 火灾过程中，压力、密度、温度等状态变量将发生急剧性的变化，使得系统的非 线性特性被强化。因此，在研究火灾过程的复杂性行为时，都应首先从非线性科 学角度对其产生机制进行认识；火灾过程中复杂性行为的表现形式有可能有很大 的不同，但不同现象的产生机理可以从非线性科学角度进行统一认识。 燃烧系统非线性的主要来源在于：燃烧热解反应的非线性、真实物质状态量 之间关系的非线性，传热过程的非线性及与其系统环境之间相互作用关系的非线 性等。因此，燃烧系统是一开放、具有确定和非确定性的非线性耗散系统。现代 科学发展表明，非线性和耗散性是系统复杂性行为产生的根源。燃烧系统系统存 在许多复杂性行为。如：可燃物的着火、点火及熄灭现象，可燃物燃烧特性的分 区现象，腔室燃烧的周期振荡、随机振荡及燃烧噪声现象，预混火焰燃烧的失稳 现象，本生灯火焰的回火、吹熄现象，爆炸系统的稳定爆轰，多定态特性，燃 烧向爆轰的转化现象，螺旋爆轰现象，爆轰波振荡传播现象，冲击波遇到障碍物 压力剧增现象，隧道瓦斯连续爆炸、爆炸波速度及爆炸压力呈跳跃式传播现象， 及定常爆轰波结构失稳现象等，都是非线性系统特有的现象。非线性特殊现象与 隧道火灾系统动力学行为的对应关系见表1 - 1 所示。非线性火灾学的分类如图1 - 1 所示。 表1 1 非线性现象与隧道火灾系统动力学行为的对应关系 t a b l e1 - 1t h ec o r r e s p o n d e n c eo ft h en o n l i n e a rp h e n o m e n o na n dt u n n e lf i r ed y n a m i c s 非线性现象隧道火灾系统的动力学行为 稳定 稳定工况点 奇点 平衡奇点不稳定不稳定工况点 吸引 ( 平衡点) 奇点 子 多奇点多工况点现象 结构 极限环、面风机“喘振”( 周期振荡) ，风网自激振荡 奇怪吸引子( 混沌)风网、风机无规则振荡；i 、日j 歇振荡；隧道火 灾，瓦斯爆炸系统特征量呈随即性变化等 孤立子瓦斯煤尘爆炸波、爆轰波、冲击波 4 北京交通人学硕士论文绪论 隧道通风系统结构的自相似性；煤、岩裂隙 分形发育的自相似性；煤尘分布的自相似性；区域， 全国乃至全球隧道灾害( 如火灾、瓦斯爆炸) 事 故分布的自相似性现象 平衡点分岔系统工况点位置、个数及稳定性随分岔控制 参数的变化而突然变化 单工况点转为多工况点运行；可燃物燃烧特 叉形分岔性分区现象( 如着火现象及热爆炸产生过程) 等 分岔 h o p f 分岔 通风系统由稳态运行转为周期振荡；热害隧 道风网振荡等 闭轨分岔通风系统由单周期振荡转为倍周期振荡等 同宿或异宿分俞工况点由同宿轨道运动转为混沌运动等 突变 煤自燃；煤与瓦斯突出；胶带输送机闪络火 灾；瓦斯煤尘爆炸：冒顶等 自组织、自催化煤自燃；热自然对流( 反风时井筒风流“对流”) 等 1 3 2 分岔火灾学 图1 - 1 非线性火灾学的体系 f i g 1 1n o n l i n e a rf i r es c i e n c es y s t e m 当系统中的参数变动并经过某些临界值时，系统的定性性态会发生突然的变 化，称为分岔。火灾时期隧道风流紊乱现象的产生，象征着通风系统在火灾的扰 动下，从一种动力学结构向另一种动力学结构转化，因而是一类分岔现象。研究 火灾过程中的分岔现象及其规律以及其在火灾防治实践中应用的科学称为分岔 火灾学。由图1 1 与表1 - 1 可知火灾中的分俞现象也是一种重要的火灾非线性现 象，同时分岔也是导致火灾过程出现结构失稳、突变、混沌等现象的主要的非线 性机制。隧道火灾中的烟流逆退、滚退和逆转现象，反风时井筒风流对流现象， 通风系统多工况点运行和风机喘振现象，以及建筑火灾中的振荡燃烧、森林火灾 北京交通大学硕士论文绪论 中的“火旋风”现象等都是分岔现象。分岔火灾学的主要任务在于通过对火灾系统 演化特性的分岔分析，揭示火灾过程中分岔现象产生的机制、条件、分岔集，以 及分岔引发的灾害的监测途径和防治对策，分析火灾宿主系统( 即火灾寄生的系 统) 的不合理因素。 1 4 本文研究内容和研究方法 1 4 1 主要研究内容 烟流分岔是火灾系统中导致火灾过程出现结构失稳、突变、混沌等现象的主 要的非线性机制之一。由于火灾热源的非定常性，烟气流动是不稳定的，容易受 到通风参数的扰动和建筑结构的影响，从而发生突变。又由于地铁隧道是长细比 很大的受限空间，有具有一定的封闭性，在火灾发生后，人员疏散也在隧道内进 行，因此，如何进行烟流组织及如何进行控制是非常重要的问题。 本文集中在以下两个方面的研究地铁隧道中火灾的分岔行为： 一、烟气羽流过程分岔性的研究主要集中在火灾危险长度与火源功率关系的 定性分析。 二、烟气逆流过程分岔性的研究主要集中在火灾烟气产生逆流时的临界风速 的求解与求证上。 1 4 2 主要研究方法 一、理论分析：采用布辛涅斯克( b o u s s i n e s q ) 假设，得到描述烟气羽流的方 程组分析烟气羽流过程。采用f r o u d e 数来表示烟气逆流的运动状态，并根据能 量守恒定律来推导产生烟气逆流的临界风速。具体内容见第三章。 二、实验分析：参考相似理论，在北京工业大学1 ：8 的地铁模型基础进行 实验方案的设计和测量设备的研制，并测量所需要的各种参数。具体内容第二章 和第四章中介绍。 三、数值模拟分析：数值模拟是研究分岔现象的基本方法，将计算机数值模 6 北京交通大学硕七论文绪论 拟与模型实验相结合进行数值模拟，本文采用c f d 软件p h o n e n i c s ，具体内 容五章中介绍。 1 5 本章小结 本章首先阐述了本文的研究背景和研究意义，指出火灾现象本质上是一种非 线性现象，需要通过非线性的方法进行研究。然后简单介绍了非线性火灾学和其 中的分岔现象。指出地铁隧道内火灾烟气羽流和逆流本质上是一种非线性现象中 的分岔行为，本文主要的研究内容即针对这种分分现象，最后国内外研究概况对 本文的研究方法做了较为叙述。 7 北京交通大学硕士论文实验装置的研制与调试 2 实验装置的研制与调试 2 1 引言 由于隧道火灾规模对烟气控制的影响很大，国外很早就有学者开展了这方面 的试验研究。这些试验有些是在实验室进行，也有些是在废弃的实际隧道中进行 的。他们的工作主要集中与不同火灾场景时对热释放速率的确定，以及临界风速 与热释放速率关系式的拟合。 火灾过程是一种三维非定常包含多相流体流动、传热传质和化学反映及其相 互作用的十分复杂的物理化学过程。鉴于火灾本身的复杂性以及隧道火灾火灾的 特殊性，仍需通过加强开展火灾试验获取更多数据资料。有条件的话，可以在废 弃的隧道内开展全尺寸试验。通过试验研究通风对火灾的影响以及通风时火灾热 释放速率的变化；采用先进的测量技术测量分析火灾动念特性，如火羽流区的特 性，也可为验证数值计算的准确性提供详实的试验资料。 2 2 本章主要研究内容 2 2 1 地铁火灾烟气及温度 一、气体 ( 1 ) 一氧化碳 一氧化碳是烟气中对人员最具威胁的成分。一氧化碳被人体吸入后和血液中 的血红蛋白结合成为一氧化碳血红蛋白，从而阻碍血液把氧气送到人体各部分。 当一氧化碳和血液5 0 以上的血红蛋白结合时，便能造成脑和中枢神经严重缺 氧，继而失去知觉，甚至死亡。即使一氧化碳的吸入在致死量以下，也会因缺氧 而发生头痛及呕吐症状，最终仍可导致不能及时逃离火场而死亡。 ( 2 ) 、缺氧 在着火区域的空气中充满了一氧化碳、二氧化碳及其他有毒气体，加之燃烧 r 北京交通人学硕十论文 实验装置的研制与调试 需要大量的氧气，这就造成空气的含氧量大大降低。发生爆炸时甚至可以降到 5 以下，此时人体会受到强烈的影响而死亡。 二、温度 当烟气层下降到与人体直接接触的高度时，对人的危害将是直接烧伤或吸入 热气体引起的，此种临界值约为1 0 0 以上。人暴露在高温烟气中，6 5 时人可 短时忍受，在1 0 0 。c 左右时，一般人只能忍受几分钟，则会使口腔及喉头肿胀而 发生窒息。 2 2 2 火灾热释放速率 火灾的热释放速率与火灾中可燃物的组分以及燃烧是否充分等诸多因素有 关，火灾场景不同，其热释放速率也有所不同，因此火灾的热释放速率很难确定。 美国、日本、澳大利亚、奥地利等进行过香瓜试验，试验中通过测量温度和质量 流量确定热释放速率的对流系数，通过车辆隧道断面两侧的氧浓度和质量流量确 定总的热释放速率。 2 2 3 火灾烟气浓度 火灾中的烟气浓度，通常有质量浓度、粒子浓度二种表示法： 一、烟的质量浓度以：单位容积的烟气中所含烟粒子的质量。表达式为： m 。 心2 访 式中所，一积k 的烟气中所含烟粒子的质量，馏：圪一气体容积，m 3 。 二、烟的粒子浓度纵：单位容积的烟气中所含粒子的数目。 9 ( 2 1 ) 北京交通火学硕十论文实验装置的研制与调试 2 2 4 烟气层定义 烟气填充过程中，空间垂直烟气温度分布从地面至顶棚存在温度梯度，且温 度变化是连续的。在填充过程中，存在分层现象上层热烟气层与低层温度相 对低的冷空气层。过渡层较厚，因而上层热烟气层与低层冷空气层没有明显分界 面。实际上，界面及判断其到达的位置是一个相当复杂的问题，是火灾安全工程 中一个重要研究内容。 目前很多研究机构采用的方法为热电偶测温法或目测法。前者通过测量纵向 上的温度场分布间接判断；后者根据指示标尺上的数据直接判断。当然，前者采 用微机采集数据，较为定量，但其干扰因素较多，如冷端保护有时较难实现、本 身精确性不够；后者较为直观，但人的肉眼分辨率有限，且随生理状况而异，受 个人主观意识的影响较大。此外，也有研究者通过摄像方法确定烟气层界面，但 仍然难以确定烟气层分界面，而且影响因素很多。 2 2 5 实验测量内容 模型实验的目的是在火灾发生时，通过实验观察得n - 一、流动区域典型部位的温度分布； 二、隧道内部空气流动速度； 三、隧道内烟气分布情况； 四、火源的热释放速率。 2 3 模型与原型的相似性关系 相似理论是模型实验的理论基础。要保证实验模型能反映实际工况，必须考 虑模型和原型的几何相似、流动相似、热力相似和传质相似。根据烟气流动的连 续性方程，空气的流速只受流道断面大小及其沿程粗糙度变化的制约，断面的流 速分布、沿程的压力损失，在相同的风机压头作用下，影响流速分布的主要因素 是粘性力。因此采用雷诺模型律来指导模型试验，定性准则为雷诺准则对粘性流 1 0 北京交通大学硕士论文实验装置的研制与调试 体而言，当流体的雷诺数( r e ) 大于第二i 临界值时，流体的流动状态及流速分布与 r e 无关，进入自模状态，这给模型试验的设计带来很大方便。 当区间隧道无机械通风时火灾引起的烟气流动可看作是浮升力引起的自然 对流，此时，可将地铁区间隧道和站台看作为一个异形管道，烟气水平方向流动 速度为0 3 0 8 m s ( 这里取速度u - - 0 5 m s ) ，区间隧道当量直径d = 5 8 m ，一个 大气压下烟气的运动粘度v = 1 6 * l o 6 m 2 s ，在这种情况下流动的雷诺数： r e u o d 。罂1 8 x 1 0 5( 2 2 ) ，1 6 丰1 0 - o 、 根据地铁设计规范( g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ) ，在这种情况下，完全可以认为流动处 于雷诺自模区。因此只需在几何相似和边界条件相似的前提下，使模型隧道通风 气流充分发展，进入自模区；即使模型流r e 与原型流不同，其流态与流速分布也 可与原型保持相似，如得到流速场相似，摩阻也就能相似，压力场也能相似。因 此，不必着意做成压力场相似，而是通过流速场的相似来达到压力场的相似，也不 必专门提出欧拉数作为决定性判据。在设计模型时，还需要保证几何相似，模型 实验外环境与原形一致以及保证下列物理量的相似关系( 脚标m 表示模型，脚 标，表示实型) ： ( 2 3 ) ( 2 ) 烟气温度关系：为方便实验研究以及便于从实验结果回算到原型情况， 通常将温度比例尺取为1 。 乙= t ( 3 ) 速度关系： 倒。5 ( 4 ) 火源强度关系： q = q 阿一 ( 5 ) 围护结构热工关系： ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 北京交通大学硕士论文实验装置的研制与调试 ( p z c ) 小= ( m 阿9 2 4 地铁隧道模型 2 4 1 地铁隧道模型实验台的研制 一、隧道区间原型相关数据( 如图2 - 1 所示) l x b x h = 1 7 6 6 m x 8 5 m x 4 3 5 m 隧道内壁平均绝对粗糙度, 2 - - 0 1 m ( 2 - 7 ) 图2 1 地铁区间原型 f i g 2 1s u b w a yt u n n e lp r o t o t y p e 2 、区徊j 模型参数确定 区间风机位于区间隧道中部，故可只考虑区间的一半，这样可以将风机置于 模型区间的一侧。选用1 ：8 长度比例尺建立模型实验台，考虑到实验室空间限 制，模型区问的长度不可能按这样的比例进行，为此，采用曲线区间代替直线期 间，并根据模型风速以及模型壁面相对粗糙度，将弯道处的局部阻力与直线区间 北京交通大学硕士论文 实验装置的研制与调试 的沿程阻力进行等效转化。隧道模型直线部分外部全长1 5 0 0 0 m m ，外部高度为 6 2 7 m m ，外部宽度为1 0 8 2 m m 。隧道内外环截面内部尺寸：5 0 0 m mx5 0 0 m m ，弯 道主要设置在风管以及风管和隧道的连接处。 2 4 2 模型实验台的组成结构 模型实验台含区间火灾烟气流动实验，车站和区间实验台均由围护结构与通 风排烟系统火源及点火系统组成。 一、实验台围护结构 实际地铁车站四周为钢筋混凝土结构及花岗岩硬质地面。如前所述，使模型 ( 伊a 上与原型相当，保证模型与原型热损失相平衡，模型围护结构材料选用普通 钢板外包隧道防火涂料( 隧道防火涂料是公路、铁路、城市地铁和过街隧道防火 保护专用涂料，其作用是对隧道衬砌进行防火保护，能承受隧道内的强风。涂料 燃烧时无有毒气体产生，粘接性能较好，粘接强度：0 2 m p a 。耐火极限较高，厚 度1 4 m m 时，耐火极限 3 h ) 。围护结构除地面和天花板外，其余两侧立面均采 用一部分透明耐火玻璃，此时，可以将围护结构的热模拟作简化处理见其为 绝热。为了保证壁面粗糙度，在流动区域内壁敷设一层钢丝网。 事实上，围护结构的传热量是次要因素，实际模型搭建中，为了组装的方便， 模型的选材可能和计算结果会有较大出入。 二、观察窗 沿隧道模型长度方向，在其两侧分别均匀设置了1 6 个观察窗，在隧道顶部 设有两排1 6 个照明窗，其中3 2 个观察窗中有1 6 个可开启，并与其余1 6 个不可 开启的相间布置。观察窗的尺寸：5 0 0 m mx4 2 0 m m ( 长x 宽) ，观察窗问间距为 3 8 0 m m ，离顶面和底面的距离均为5 0 m m ，照明窗的尺寸：5 0 0 m mx3 0 0 m m ( 长 x 宽) ，排间距为1 2 6 0 m m ，列问距为1 8 0 m m 。材质均为石英玻璃，与隧道用不 锈钢框架焊接固定，为了保证密闭性，在玻璃和框架的结合处涂有防火涂料。 三、内外环隧道间的隔墙 内外环隧道间设有隔墙，材料和维护墙体的一样，隔墙的长度与隧道内部长 度一致，厚度3 r a m ，沿长度方向均匀设有四个连通孔，连通孔尺寸：1 8 0 m mx 1 3 北京交通大学硕十论文 实验装置的研制与调试 2 7 0 m m ( 长x 高) ，离内顶面的距离为1 3 0 m m ，离内底面的距离为1 1 7 r n m ，在 连通孔的框架内涂有防火涂料。 四、实验台支座 由于隧道模型尺寸较大，且材质都是钢材，重量很大，故实验台支座应有较 好称重性能，为此实验台支座用钢材焊接而成，并在模型的底部设有钢制横梁， 横梁横截面为实心的正方形，边长为4 0 m m ，横梁长度与模型外部宽度一致为 1 0 8 2 m m ，总共设有2 8 根横梁，大体是均匀布置，间距为4 4 0 m m ，下部支座为 桁架式结构，高度为1 0 0 0 m m ，宽度为1 0 8 2 m m 与模型外部宽度一致。 五、整流阀 在隧道模型的直线部分，内外环的两端设有气流调整阀，材质为不锈钢，用 于调整进入隧道的紊乱风流使其有序，调整阀横截面为网状结构，网孔为正方形， 调整阀的尺寸为5 2 0 m mx1 5 0 m mx5 2 0 m m ( 长x 宽x 高) 。横截面上大致布置这 5 2 x 5 2 个孔，孔的截面寸为1 0 m m x1 0 m m 。 六、备用测孔 在隧道模型的内外环的底面中轴线上均匀分布了9 个测孔，在顶面上，以中 轴线为对称轴分布着2 8 个测孔，单列为6 个和2 个相间分布，在靠近进风端的 地方分布着6 个，测孔截面为圆形，直径为4 5 m m ，不使用时均有封闭装置将其 封闭。 七、通风排烟系统 区间风机位于区间中部，可以只考虑区间的一半，这样可以将风机置于模型 区间的一侧。根据前述站台模型，仍选用1 ：8 长度比例尺建立模型实验台，考 虑到实验室空间限制，模型区间的长度不可能按这样的比例进行，为此，宜采用 曲线区间代替直线期间，可以根据模型风速以及模型壁面相对粗糙度，将弯道处 的局部阻力与直线区间的沿程阻力进行等效转化。速度比例尺选为2 ：1 ，模型 中部风速保证达到v = 2 0 7 x 2 = 4 1 4 m s ，风量为4 1 4 x 8 5 8 x 4 3 5 8 = 4 1 4 m s ( 约合 为8 6 1 0 m 3 1 1 ) 。区间模型实验台的送风排烟系统如图2 2 所示。 1 4 北京交通人学硕十论文 实验装置的研制与调试 。 日 图2 - 2 区间模型实验台的送风排烟系统 f i g 2 2v e n t i l a t i n gs y s t e mo fs u b w a yt u n n e lm o d e l 区间模型实验台上建立一套能提供多种控制形式的送风排烟系统，主要包含 风机、变频器和静压箱。采用h t f 系列消防高温排烟专用风机，n o 6 ，风量 1 2 0 0 0m 弧，全压6 3 1 p a ，功率4 7 k w ，1 4 5 0 r p m 。采用数字式交流变频调制器 对风机可进行无级调速控制，以便提供所需的送风量和排烟量。考虑到区间送风 和排烟的不同工况，区间选用两台风机，一送一排，切换通过阀门手动完成。风 管用金属铁皮制作。此外，区间模型实验台可以与站台模型实验台进行组合。 八、火源及点火系统 火源功率是地下火灾的主要决定因素之一，他体现着火势的大小，同时也直 接影响火区温度及烟气特性。火源功率的稳态模型是把整个火灾过程的热释放速 率视为恒定值，虽 j q = c o n s t a n t 。这种模型是对整个火灾过程的理想化处理，虽然 其结果偏保守，但是在需要考虑最不利工况的火灾研究以及消防设计等方面却相 当简单适用。 图2 3 称重测量系统 f i g 2 3w e i g hs y s t e m 对于模型实验来说，火源的热量释放率通过采用质量损耗率法来确定称 北京交通大学硕+ 论文实验装置的研制与调试 重测量系统，如图2 3 所示。油盘置于称重传感器上，通过数据采集系统记录庚 烷燃烧的消耗量，进而计算出模型燃烧发热量与原型燃烧发热量的关系。 本实验的火源采用采用9 5 的正庚烷，相对水的密度为0 6 8 。由于实验条件 的限制，燃料供给采用直接倒入法，使用量筒量取一定量的燃料一次性倒入到燃 烧器中。燃料主要是放在油盘中进行燃烧。本实验的油盘的尺度与原型相似，燃 油油盘直径2 1 0 m m ，采取直接点火的方式。 2 4 3 测量设备的研制 一、温度 隧道内的温度采用热电偶测量，由于实验条件的限制，把1 2 支热电偶以热 电偶树的形式布置在火源的两侧，并布置在中轴线上。图2 4 为装置简要布置图 ( 通风方向由左到右) ，与其相对应的热电偶布置图如图2 5 所示( 其中测点8 位于测孔四内侧1 4 c m 处) 。热电偶是0 2 m mk 铠装热电偶( 铜康铜) ，其外层是 l m m 直径的不锈钢包层。图2 4 为装置简要布置图，图2 5 为与之相对应的热电 偶测点分布。 f ? 图2 - 4 装置简要布置图 f i g 2 4m e a s u r es p o t sd i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y 1 6 北京交通入学硕士论文实验装置的研制与调试 1 7 2 c f v l1 7 2 c m7 2 c n1 7 2 c r l1 7 2 c n ， -一 1 一 r，四，五， i 、 i j jl ljl1 i l j j。2 5 0 n 。j j l 4 67 8 ( 、 1 j 。2 5 c m 5 0 n ，r 。 ) 2 59 ( 1 、， 5 c n5 c n 1r 7o，、 vuv vl vv 2 5 c i ，、o 、1r 图2 - 5 热电偶测点的分布 f i g 2 - 5m e a s u r es p o t sd i s t r i b u t i o no fv e l o c i 哆 二、风速与风压 测量隧道入口处的风速，以便确定不同风速与风压对强度的影响。由于热球 风速仪以及毕托管工作条件的限制，考虑到进风口离火源比较远，火源对进风口 处的风速影响较小通风时的风速和风压采用了独立测量的方式。通风时风机不同 工作频率下测得的风速及压力见表2 - 1 。 表2 - 1 机械通风时风机不同工作频率下测得的风速及压力 t a b l e2 - 1t h em e a s u r e dv e l o c i t yu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nf r e q u e n c yo ff a n 风机频率( h z )风速( m s 1静压( p a )动压( p a l 5o 3 654 1 00 8 21 05 1 51 3 81 9 56 5 2 01 。8 32 99 5 2 52 4 54 91 0 5 3 02 6 56 4 51 2 5 3 5 3 1 8 51 6 5 4 0 3 5 41 0 22 1 5 三、组分浓度 测量隧道内组分浓度的气体包括氧气、二氧化碳和一氧化碳。测量仪器采用 的是t e s t 0 3 5 0 烟气组分分析仪，整个系统由控制操作面板、打印机、显示屏、 烟气分析仪和烟气探测器组成，气体组分是由烟气探测器连续采集，烟气探测器 北京交通人学硕+ 论文实验装置的研制与调试 的前端是长度为l m ，直接为l c m 的不锈钢管，耐温极限为1 0 0 0 k 另一端与烟 气分析仪相连，气体组分的采集口位于热电偶测点3 的外侧1 4 e m 处。所测的烟 气组分值由打印机输出。烟气分析仪采集的浓度为体积浓度，浓度数据间隔为 5 s 。 四、实验台控制系统 整个测控系统的网络架构由t c p i p 以太网和r s 4 8 5 r $ 2 3 2 工控网两层网络 组成，两个之间通过网关联结。数据采集设备通过自带的r s 4 8 5 r $ 2 3 2 通讯接 口联网或直接连接入网关的r s 4 8 4 r s 2 3 2 端口，组成r s 4 8 4 r $ 2 3 2 网络。电脑、 网关通过交换机联网组成以太网络。测控软件运行基于t c p i p 以太网的电脑， 采用w i n 3 2 模式开发，将采集控制系统、数据分析与决策系统集成为一体。实验 台控制系统架构如图2 - 6 所示： 测控软件 专家库数据库 柄肿m 肤r t 5 4 磷肿。默o r t 5 4 一r s 柏5 串行通讯 e s 踵率行遁讯 l，l 吲j ；掣鬯：糕氯上二 l 一 l耀#!蕾 风量 i 风阀风机加热器a o6 0 路温度路温度 图2 - 6 实验台控制系统架构图 f i g 2 6t h ec o n t r o ls y s t e mo fl a b o r a t o r y 在进行本次实验时，整个测控系统还不完备，特别是针对地铁隧道模型， 数据采集系统只能对温度数据及图像数据进行采集，使用的数字测温仪的巡 检周期为5 s ，在实验过程中，使用摄像头对火源附近的整个燃烧过程进行录 制，帧频为2 5 帧s ，利用图像数据可以得到火焰尺寸和烟气流动状况。 1 8 北京交通人学硕士论文实验装置的研制与调试 2 5 本章小结 本章简要概括了地铁隧道火灾实验的基本情况，并说明实验需要测量的 各种数据。而且对隧道模型与真实隧道的相似性关系作了介绍和一些推导， 在此基础上利用北京工业大学现有1 ：8 地铁隧道模型和测量设备，设计组成 了缩尺寸地铁隧道火灾实验装置。然后对实验装置的基本组成部分和测量设 备进行了较为详细的介绍。 1 9 北京交通大学硕士论文烟气分岔现象的理论分析 3 烟气分岔现象的理论分析 3 1 烟气羽流过程分岔现象的理论分析 可燃物着火燃烧后，在可燃物上方形成了气相火焰，这种火焰可分为几个不 同的区域：最下面是连续火焰区，中间是间断火焰区，二者合称火羽流；最上面 是浮力羽流区。不同的区域具有不同的特性。这种火焰的最大特点是呈间歇性振 荡燃烧，形成的原因是火羽流与周围空气之见的边界层的不稳定性造成的。若火 源距顶蓬的高度很小，则火焰直接撞击到顶蓬，这时火焰将沿水平方向扩展相当 长的距离，形成高温气体在冷空气上部的流动。随着热烟气的不断产生，热烟气 将向两侧扩散，同时热烟气在扩散过程中不断卷吸新鲜空气。使得热烟气层温度 不断降低，通过研究火羽流的扩散长度为保证人员、设备安全以及为火灾探测器 的安装位置的选择提供了依据。 地铁隧道火灾的重要特点之一是明显的浮力效应( 图3 1 ) 。当区间隧道内 发生火灾时，由于空间狭小，可燃烧物质产生上升的热气流并在隧道拱顶附近形 成一定厚度的热烟气。当区间隧道坡度为零且无机械通风条件下，伴随起火点源 源不断地产生烟气，隧道顶部热烟气体积迅速扩大，向隧道区间两侧扩散，冷空 气流从隧道下部向着火点进行补充，此时火灾两端的区间隧道都充满烟气，火源 两侧有对称的循环风流。 图3 1 - 无纵向通风气流时的火灾烟气流( 浮力效应) f i g 3 1t h ef l o ws k e t c ho fs m o k ei nt u n n e lw