（土木工程专业论文）城市地下公路隧道火灾工况下烟气流动及烟控技术研究.pdf

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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 塞4 吐导师签名：奎俊檀 日期：2 q ! q 生鱼旦 、 摘要 摘要 随着社会、经济和城市建设的发展，城市地下公路隧道得到了越来越广泛的 应用。然而，城市地下公路隧道在给人们带来交通便利的同时，也给火灾防治带 来了许多新问题。 由于隧道环境的封闭性和逃生救援的困难性，使得隧道一旦发生火灾，往往 造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。由于隧道位于地下，通风条件差，使可 燃物燃烧不充分，发生火灾时会产生大量不完全燃烧产物，导致火灾烟气的毒性 更大。因此，研究隧道火灾的烟气流动规律与烟气控制方法具有非常重要的现实 意义。 城市地下公路隧道的出入口形式多为倾斜出入口，即坡道。隧道发生火灾时， 人们只有逃出隧道才能真正安全，因此，本论文就城市地下公路隧道出入口处的 隧道坡度对火灾时烟气扩散的影响进行了深入研究，通过理论推导和计算机数值 模拟，就隧道火灾烟气流动在不同发展阶段的特性和当前所需要解决的研究问 题，开展了针对性的基础研究。论文的具体内容包括： 探讨了城市地下公路短隧道自然通风的可行性，定性分析了隧道火灾时烟气 的蔓延距离，研究了两种火源功率下不同长度隧道内烟气层高度的分布。 隧道火灾拱顶处的最高温度对于隧道拱顶在火灾环境下的结构保护具有重 要的理论参考价值。在典型的隧道结构内，通过改变火源功率和纵向风速，利用 触顶区温升公式进行计算，并与数值模拟结果比较，归纳了城市地下公路隧道纵 向通风下的触顶区温度变化规律。 羽流质量流量主要决定了火灾烟气生成量的大小，在当前的羽流质量流量模 型中，未考虑到隧道纵坡的因素。本文根据隧道纵坡度的大小，对重力加速度的 方向进行一定的偏转，使其在水平隧道模型的垂直方向和水平方向上均存在相应 的矢量，来考虑这种情况下的羽流发展形式，建立了倾斜隧道的羽流质量流量预 测模型，并将之与经验公式计算值和f d s 模拟值进行对比。另外，还探讨了火 源面积和火源位置对羽流质量流量的影响。 对于阻止烟气逆流而言，临界纵向抑制风速是紧急通风系统的一个重要考虑 指标。具有坡道的隧道，其临界速度的影响比相应的水平隧道的影响更大，因此， 本文对具有斜坡的隧道的烟气逆流距离和临界风速进行了研究，将理论模型预测 结果和f d s 数值模拟的结果进行了对比。此外，还研究了隧道截面形式和隧道 坡度对烟气逆流距离的影响。 本论文的研究方法是理论模型推导和数值模拟分析。研究目的是寻求城市地 下公路隧道发生火灾时，隧道中的烟气、温度分布规律，为城市地下公路隧道防 火减灾设计提供理论依据。 北京t 、叱大学t 学硕十学位论文 关键词城市地下公路隧道；坡度；理论分析；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t m o r ea n dm o r eu r b a nu n d e r g r o u n dt r a 丘i et u n n e l sh a db e e nc o n s t r u c t e di nr e c e n t y e a r s 、析t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs o c i e t y 、e c o n o m ya n dc i t yc o n s t r u c t i o n t u n n e l s m a k ew a f f l em o r ec o n v e n i e n t b u ta l s ob r i n ga b o u ts o m en e wf i r es a f e t yp r o b l e m s b e c a u s eo ft h ec l o s u r eo ft h et u n n e la n dt h ed i f f i c u l t yo ft h ee v a c u a t i o na n d s u c c o r , f i r ei nt u n n e l sc o u l dl e a d st os e r i o u s l yh u r ta n dd e a t h 、h u g ed a m a g ea n d p a s s i v ei m p a c t s t u n n e l sl o c a t eu n d e r g r o u n d ，s ov e n t i l a t i o nc o n d i t i o ni sp o o ra n d c o m b u s t i o nm i g h tb en o tc o m p l e t e l y t h e s ei n c o m p l e t ec o m b u s t i o np r o d u c t sm a k e t h es m o k ep o i s o nm o r ep o i s o n o u s t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o s t u d yt h es m o k es p r e a d i n ga n ds m o k ec o n t r o li nu r b a nu n d e r g r o u n dw a f f l et u n n e l s m o s to ft h ee n t r a n c e sa n de x i t so ft h eu r b a nu n d e r g r o u n dt r a f f i ct u n n e l sa r e g r a d i e n t ，i na n o t h e rw a y , t h et u n n e l sh a ss l o p e i faf i r eo c c u r r e di nt h et u n n e l ， e v a c u a t i o no u tf r o mt h et u n n e lm i g h tb es a f e s o ，r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo ft h e s l o p ea tt h ee n t r a n c ea n de x i to ft h et u n n e l so ns m o k ep r o p a g a t i o nw o u l db ec a r r i e d o u ti n t h i st h e s i s 。t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eu s e dt o s t u d yt h ed y n a m i c sa n dt h e r m a lp h y s i c so ff i r ei n d u c e ds m o k em o v e m e n ti nt u n n e l s t h ef o l l o w i n gw o r k sw o u l db ei n v o l v e d ： t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gn a t u r a lv e n t i l a t i o ni ns h o r tu r b a nu n d e r g r o u n dr o a d t u n n e l sw a sd i s c u s s e d t h el e n g t ho ft h es l o p et u n n e lw h i c hw o u l db es u i t a b l ef o r u s i n gn a t u r a ls m o k ev e n t i l a t i o nw o u l db ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y t h ed i s t r i b u t i o n so f t h es m o k el a y e rh e i g h tw i t hd i f f e r e n tf i r ep o w e ri nt w ot u n n e l sw e r es t u d i e d t h em a x i m u ms m o k et e m p e r a t u r eu n d e rt h et u n n e lc e i l i n gi sav e r yi m p o r t a n t f a c t o rt ob ec o n s i d e r e df o rt u n n e lc o n s t r u c t i o np r o t e c t i o nu n d e raf i r ee n v i r o n m e n t d i f f e r e n tf i r es o u r c es t r e n g t h sa n dw i n ds p e e d sa r et h e nb u i l ti nt h eg i v e nt u n n e l s b y c o m p a r i n gt h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s b ye m p i r i c a le q u a t i o n sw i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e g u l a r i t yo ft e m p e r a t u r ev a r i e t i e sc o u l db ec o n c l u d e d t h em a s sp r o d u c t i o nr a t eo ft h es m o k em i g h tb ea ni m p o r t a n tf a c t o rf o rt h e s m o k ee x t r a c t i o ni nt u n n e l i nt h ec u r r e n tm o d e lo fp l u m em a s sf l o w , t h ee f f e c t i o no f t h es l o p eh a sn o tb e e nc o n s i d e r e d a c c o r d i n gt ot h er a t eo fi n c l i n a t i o n ，t h ed i r e c t i o no f g r a v i t yi sr o t a t e dt og e tc o r r e s p o n d i n gv e c t o r si nt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o n o ft h et u n n e lm o d e l t h e nam o d e lw a sb u i l tf o rp r e d i c t i n gt h ep l u m em a s sf l u xi nt h e d e c l i n i n gt u n n e l c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep r e d i c t i o nb yt h em o d e la n dt h es i m u l a t i o n r e s u l to ff d sw a sa l s od o n e b e s i d e s ，t h ei m p a c to ft h el o c a t i o na n dt h ea r e ao ft h e f i r ew e r ed i s c u s s e d - i i i - 北京t 业j ：学t 学硕 ：学位论文 t h ec r i t i c a lv e l o c i t yt op r e v e n tu p s t r e a ms m o k ef l o wi nt h ee v e n to fa t u n n e lf i r e i sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ee m e r g e n c yv e n t i l a t i o ns y s t e md e s i g n 。f o rt u n n e l sw i t ha d o w n h i l ls l o p et h ec r i t i c a lv e l o c i t yi ss o m e w h a tg r e a t e rt h a nf o rt h ec o r r e s p o n d i n g h o r i z o n t a lt u n n e l t h eb a c k - l a y e r i n gd i s t a n c ea n dt h ec r i t i c a ll o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n v e l o c i t yo ft u n n e l sw i t hd o w n h i l ls l o p e sw o u l db ea n a l y z e d t h er e s u l t sp r e d i c t e db y t h em o d e lo fw uya n db a k e r , t h ef d ss i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h er e s u l t sc a l c u l a t e db y t h em o d e li nt h i sc h a p t e rw e r ec o m p a r e d i na d d i t i o n ，t h ei m p a c to ft h ec r o s ss e c t i o n s h a p ew a sa l s os t u d i e d t h er e s e a r c hm e t h o d sa l et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e r e s e a r c hp u r p o s e sa r eg e t t i n gt h er e g u l a ro ft h et e m p e r a t u r ea n ds m o k ed i s t r i b u t i o nf o r t h et u n n e lf i r e ，t h e np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef i r er e d u c t i o nd e s i g no ft h eu r b a n u n d e r g r o u n dt r a 衔ct u n n e l s k e y w o r d s u r b a nu n d e r g r o u n dt r a f f i ct u n n e l s ；s l o p e ；t h e o r e t i c a la n a l y s i s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 1 v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 城市地下公路隧道概述1 1 1 2 城市地下公路隧道起火原因2 1 1 3 城市地下公路隧道火灾特点：3 1 2 研究现状3 1 2 1 国内现状3 1 2 2 国外现状5 1 3 论文的研究内容和研究意义6 1 3 1 主要研究内容6 1 3 2 研究意义7 第2 章隧道火灾c f d 计算理论及建模研究9 2 1 隧道火灾c f d 模拟软件简介。9 2 2f d s 理论基础l1 2 2 1 流体动力模型1 1 2 2 2 燃烧模型1 2 2 2 3 热辐射模型1 4 2 3f d s 建模参数处理15 2 3 1 火源功率与热释放速率的选取1 5 2 3 2 隧道计算长度的选取1 6 2 3 3 边界条件的处理1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章城市地下公路短隧道自然排烟可行性19 3 1 单向交通隧道自然通风概述1 9 3 2 隧道模型的建立2 0 3 2 1 模型基本参数的选取2 0 3 2 2 网格设置2 1 3 3 网格无关性检验2 1 3 4f d s 模拟结果分析2 3 3 4 1 烟气的蔓延与扩散2 3 3 4 1 烟气层高度2 5 3 5 本章小结2 6 第4 章城市地下公路隧道羽流触顶区温度变化规律2 7 4 1 纵向通风工况下羽流触顶区温度的计算2 7 4 2 纵向通风工况下羽流触顶区温度的数值研究2 8 4 2 1 隧道模型的建立2 8 4 2 2 结果分析与比较2 9 4 3 坡度对羽流触项区温度的影响的研究3 2 4 3 1 隧道模型的建立3 2 4 3 2 结果分析与比较3 2 4 4 本章小结3 4 第5 章倾斜隧道火灾中火羽流热动力特性的研究3 7 5 1 倾斜隧道内的羽流的热动力特性3 7 5 2 数值模拟验证4 4 5 2 1 隧道模型的建立4 4 5 2 2 羽流质量流量的场模拟计算方法4 5 5 2 3 计算结果分析与讨论4 5 5 3 本章小结5 0 第6 章烟气逆流距离及临界纵向抑制风速一5 l 6 1 烟气逆流层的形成机理5 l 6 2 临界纵向抑制风速的计算模型5 2 6 3 数值模拟验证5 3 6 3 1 隧道模型的建立5 3 目录 i 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼笪孽曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼蔓 6 3 2 烟气逆流距离理论模型的验证5 4 6 3 3 隧道截面形式的影响5 6 6 3 4 隧道坡度的影响5 9 6 4 本章小结。6 0 结论与展望6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 1 致谢7 3 北京t 业人学t 学硕 j 学位论文 v i i i 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 城市地下公路隧道概述 城市交通( u r b a nt r a n s p o r t ) 通常指人流的活动( 客运交通) 和物质的运输( 货 运交通) ，它是城市赖以生存和发展的基本功能之一，是城市基础设施的重要内 容。 地下交通系统包括两大类：地下静态交通系统和地下动态交通系统。地下静 态交通系统一般指地下停车库。地下动态交通系统包括地下铁路、地下公路( 含 车行立交) 、地下人行通道等。 地下公路主要有四种形式：地下越江( 海) 公路、地下立交公路、地下快速 公路和半地下公路i l 】。 a 中关村科技园西区地下交通环廊b 金融街地下管廊 cc b d 核心区地下管廊d 奥林匹克公园地下环廊 图1 - 1 北京市4 条城市地下公路隧道的平面示意图 f i g 1 - 1t h ei c h n o g r a p h yo f 4u r b a nu n d e r g r o u n dr o a dt u n n e l si nb e i j i n g 城市地下公路隧道是城市地下空间开发的有机组成部分，专供机动车辆通 行，并设有与地面道路连接的出入口。目前北京在建和己建成的城市地下公路隧 道有中关村科技园西区地下交通环廊、金融街地下管廊、奥林匹克公园地下环廊 和c b d 核心区地下管廊，如图1 1 所示。中关村科技园西区地下交通环廊的交 北京t 业入学丁学硕i ：学位论文 通组织方式为单向逆时针；金融街地下公路隧道为双向交通，采用全横向通风方 式。奥林匹克公园地下公路隧道和c b d 核心区地下管廊的交通组织方式都是单 向逆时针，都采用多竖井送排风加射流风机诱导型纵向通风系统。修建这些隧 道不但净化了地面交通，使地上、地下交通相互补充，而且充分发展了城市地下 空间，提高了土地利用纠2 。 城市地下公路隧道的出入口多为坡道设计。由于受地面规划建筑的限制，需 在有限的距离内连接地面公路，因此坡度设计值往往较大，有的甚至达到1 2 ， 远高于国际上所建议的公路隧道的坡度设计限值5 。火灾发生后，出入口成为 天然的排烟口，而平直且坡度较大的出入口，由于烟囱效应，排烟效果更加明显 【2 】。因此，本论文将其设定为城市地下公路隧道火灾时影响烟气扩散的重要因素 之一，对其进行深入研究。 1 1 2 城市地下公路隧道起火原因 城市地下公路隧道火灾事故的起因并不是单一的，而是由多种因素综合导 致，不同文章对其分类也有所不同。下面按照起火燃烧的车辆类型以及诱发火灾 的事故类型两个方面对城市地下公路隧道隧道火灾事故起因进行分析【l j 。 1 ) 按起火燃烧的车辆类型 发生火灾事故的车辆类型可分为4 类：货车火灾、轿车火灾、公共汽车火灾 及其他车辆火灾。受城市地下公路隧道的空间结构和功能服务性所限，一般不允 许重型货车进入，但是允许类似洗衣店运送衣服的车辆通过【l 】。因此，轿车火灾 是城市地下公路隧道火灾的主要危险。 2 ) 按诱发火灾的事故类型 按照诱发火灾的事故类型可将公路隧道火灾分为以下3 大类：交通事故火 灾、车辆故障火灾及其他事故火灾。在隧道内，由于视线不清、车速过快以及路 面状况等原因，容易引发交通事故。车辆故障引起的火灾主要是指由车辆机械原 因和电气事故造成的火灾，包括发动机着火、电机故障，刹车片过热等事故。由 图1 2 可以看出，车辆自身故障起火以及车辆交通事故是诱发隧道火灾的两个主 导因素【引。 通事故 5 9 0 图1 2 城市地下公路隧道火灾形成原因统计图 f i g 1 - 2 t h es t a t i s t i c a lc h a r to ff i r ec a u s ei nu r b a nu n d e r g r o u n dr o a dt u n n e l s 第1 章绪论 1 1 3 城市地下公路隧道火灾特点 通过对国内外公路隧道火灾事故的调研，以及对已建和在建的城市地下公路 隧道资料的分析，可以总结出城市地下公路隧道的火灾特点： 1 ) 城市地下公路隧道空间狭长，比较封闭，自然排烟困难。一旦发生火灾， 将产生大量烟雾，而且燃烧产生的热量不易散发，容易导致火灾的蔓延甚至爆炸， 造成巨大的危害； 2 ) 城市地下公路隧道的坡度比较大，火灾发生后，由于烟囱效应，出入口 成为天然的排烟口； 3 ) 火灾烟气的蔓延方向与疏散方向相同，燃烧产生的大量有毒浓烟不但严 重影响隧道内的能见度，而且引起人员恐慌，易导致疏散混乱；此外隧道的横断 面较小，车辆疏散困难，火灾还有可能在车辆之间蔓延，引起更大的火灾； 4 ) 由于隧道内的车辆处于运动状态，隧道内的任何位置都可能发生火灾。 如果是出入口附近发生火灾，由于火焰封锁通道，会造成人员疏散困难； 5 ) 由于城市地下公路隧道空间结构的限制，又由于浓烟、高温、缺氧、有 毒、视线不清、通信中断等原因，指挥员很难了解现场情况，指挥困难。而且大 型灭火设备无法进入现场，进入人员要特殊防护，因此救援灭火困难较大。 1 2 研究现状 目前，相对于城市地下公路隧道，更多的研究在于地铁、非城市地区的地下 公路隧道、地下铁路隧道等方面1 4 枷，然而，鉴于其与城市地下公路隧道有很多 类似的地方，这些研究结果对于城市地下公路隧道内火灾的研究同样具有参考价 值。 在隧道火灾安全研究方面，主要是比例模型试验、现场实验及数值模拟的手 段等对火灾中隧道内的火灾环境，烟气的流动特性、火灾的蔓延规律及防排烟系 统的优化设计运行进行研究【_ 7 1 。出于经济和安全方面的考虑，随着计算机技术及 计算流体技术的发展，数值模拟目前已成为火灾研究的主要手段。 1 2 1 国内现状 国内在隧道火灾方面的研究起步较晚，发表的相关文章侧重于用数值模拟手 段对某一特定的隧道的通风方案进行评估，所得出的结论通用性较差。 1 2 1 1 试验研究方面 中国科技大学与云南公安消防总队在昆石高速公路阳宗隧道、元墨高速公路 大风垭口隧道、平锁高速公路鹰嘴岩1 拌隧道和玉元高速公路的元江1 隧道等进 气 北京t 业大学t 学硕l j 学位论文 行了全尺寸试验研究。研究了烟气层温度纵向衰减规律、顶棚下方最高烟气温度、 顶棚射流温度的纵向分布特性、烟气逆流距离及纵向抑制风速，还提出了对隧道 火灾早期纵向风速的控制要求【6 】【8 - 9 】。 2 0 0 1 2 0 0 4 年，西南交通大学结合秦岭终南山特长公路隧道( 18 k m ) 的实际情 况，通过大比例火灾模型试验，研究了火灾时隧道内温度的发展变化规律，并根 据试验成果对隧道内设备的选型、火灾初期的报警、人员逃生等方面给出了有意 义的措施和建议i 。 曾巧玲等在改造的坑道上进行的大比例模型试验的基础上，采用半解析有 限元法对铁路单线隧道直墙式衬砌及围岩的火灾温度场和传递规律进行了初步 的理论分析和数值模拟，定性的反映隧道衬砌及围岩火灾时温度的一些基本传递 规律1 1 1 。 戴国平等结合二郎山公路隧道实际工程，对火灾后的通风对策及应对措施进 行了初步探讨1 1 2 j 。 1 2 1 2 数值模拟研究方面 在数值模拟研究方面，大量的数值模拟研究都是是采用成熟的现有软件进行 的。中国科技大学运用数值模拟以及现场模拟火灾试验等手段，对不同纵向通风 速率情况下公路隧道内火灾烟气层温度以及层化高度沿隧道的分布特征进行了 研究【6 ，1 3 15 1 。 西南交通大学在s e s 软件的基础上开发了一系列地铁环控的软件【】叫，其中 f s c 软件可模拟地铁系统发生火灾时热烟气流动状态和污染物浓度，为紧急情况 下选择最佳通风方案提供参考依据。冯炼等利用软件对筹建中的深圳地铁火灾工 况以及通风方案进行了数值模拟【1 7 1 8 】。 舒宁、徐建闽采用a n s y s 软件对公路隧道的火灾通风进行仿真，研究火灾 时烟气在隧道内的流动状况。模拟中火源简化为中心温度为1 0 0 0 k 的高温点， 未考虑火灾的动态特性l l 引。 哈尔滨工程大学的p z g o a 教授与香港理工大学的w k c h o w 教授合作，发 展了基于大涡模拟的c f d 计算方法，对不同纵向通风风速下的火羽流及烟气蔓 延特性进行了模拟，并比较了大涡模拟( l e s ) 与二方程紊流模型的计算结果。研 究表明，相对于二方程紊流模型，l e s 可以更好地模拟火灾时的烟气回流以及隧 道断面的热分层现象，但是，l e s 对烟气温度的模拟计算结果同样大大高于试验 数据【2 0 1 。 对于城市地下公路隧道，研究成果更少，而且国内并没有深入开展其与一般 隧道火灾场景的共性和特殊性的比较研究，没有认真考虑其本体特点对火灾特性 的影响，基本上套用现有隧道防火设计的规范，并没有针对其本体特点和火灾特 点对烟气流动特殊性加以深入研究，没有形成适用于城市交通隧道火灾的理论体 第1 章绪论 系和提出相应的具有建设理论支撑的对策，在消防设计方面也只是进行了一些简 单的探讨性工作。 1 2 2 国外现状 国外很早开始隧道火灾的试验研究，有些是在实验室中进行的，也有很多是 在废弃的隧道中进行的，研究内容主要包含以下几个方面： 1 ) 不同火灾场景时热释放速率和临界风速的测定； 2 ) 火灾时烟气流动规律，包括烟气流速、烟气分层情况、烟气浓度( 能见度) 、 压力场； 3 ) 火灾时的温度分布规律：在横、纵断面上的时空分布及在围岩( 衬砌) 内的 传播； 4 ) 火灾生成物的毒性和浓度及其对人的危害和防范； 5 ) 火灾时的救援及人员疏散； 6 ) 火灾对衬砌损害的评估及加固措施。 1 2 2 1 试验研究方面 国内外通过缩尺、足尺火灾试验，对不同条件下隧道内的温度分布、发展变 化规律进行了大量的研究。比较典型的有：1 9 7 4 1 9 7 5 年，奥地利在废弃的 z w e r b e r g 隧道中进行火灾试验，发现不同通风方式对燃烧速度及烟气流向、温度 有较大影响；1 9 8 5 年，德国在g e l s e n k i r c h e n b i s m a r c k 的地铁隧道内，进行火灾 试验，得出在不同通风方式和火灾荷载条件下温度与火灾持续时间的关系【2 l 】， 1 9 9 0 1 9 9 3 年，由德国，芬兰，挪威，奥地利，意大利，英国，瑞士，法国，瑞 典九个国家的成员组成的研究小组，进行“隧道火灾4 9 9 研究项目的大规模隧 道实体尺寸火灾试验，在挪威的r e p p a r f j o r d 隧道中进行了共2 1 次火灾试验，试 验研究了火灾中的热传导、温度、烟气流量、烟雾浓度、衬砌反应以及营救战略， 试验结果表明隧道火灾时实际的温度时间曲线与标准工s 0 温度时间曲线相比， 达到最高温度的时间较迟且延续时间较短；i b r a h i mae l a r a b i 等通过在废弃矿 山坑道中对钢衬砌进行试验，认为，火灾产生的热在火源直接达到的地方温度可 达1 2 0 0 ，在隧道拱顶处温度为9 0 0 ，而衬砌断面上最高温度为5 0 0 6 0 0 c 1 2 2 1 ； k a z u y at a k e k u n i 等在实际隧道中通过火灾试验，研究了大断面公路隧道中烟气 和热扩散的规律【2 列；1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国m t f v t p 项目在m e m o r i a lt u n n e l 进行 了9 2 次全尺寸火灾通风试验，研究了不同通风模型下，不同油池火灾的峰值温 度、峰值热释放率、不同通风系统的烟气控制效果以及泡沫喷淋对油池火灾的作 用1 2 4 1 ；2 0 0 3 年欧洲u p t u n 项目在挪威废弃的两车道r u n e h a m a r 隧道内进行了 四次全尺寸火灾试验，对重型卡车火灾中，火灾高温的发展、传播过程以及高温 北京t 业大学t 学坝f j 学位论文 对隧道衬砌的作用进行了研究【2 5 1 。日本在隧道火灾方面试验有：2 0 0 1 年开展的 大断面公路隧道全尺寸火灾试验【2 3 。 近2 0 年来，国际上已经进行了大量的研究来确定可能发生在隧道中的火灾 类型，特别是1 9 9 0 年前后在欧洲开展的e u r e k a 研究计划【2 6 】口7 1 。这些研究是分别 在废弃的隧道中和实验室条件下进行的。通过研究取得的数据结果，发展了一系 列不同火灾类型的时间一温度曲线。 1 2 2 2 数值模拟研究方面 数值模拟方面，瑞典l u r i d 大学运用场模型对隧道火灾烟气流动和安全疏散 的相互作用进行了研究，研究重点为隧道内物质燃烧时温度、烟气在隧道纵横断 面上的分布随时间和空间的变化情况【2 引。英国l e e d s 大学在假设质量和能量守 恒、压力差很小、混合气流层的速度为热气流层和冷气流层速度之和的一半，隧 道断面不变且平滑，羽流沿中心线呈正态分布的条件下，开发了隧道内火灾增长 和烟气流动模型f a s i t 。r a f a e lb a l l e s t e r o s t a j a d ur a 等人研究了隧道坡度对火 灾时隧道通风的影响【2 9 】。g t a t l d n s o na n dy wu 对倾斜隧道烟气排放的临界 速度进行了研究，得到了倾斜度为o 1 0 度的隧道横截面临界速度公式1 3 0 j 。 s k u m a r 、c tc o x 较早地采用c f d 方法研究公路隧道的火灾问题，建立了 j a s m i n e 数学模型，研究通风、坡度和不稳定火灾的影响，研究了不同纵向风 速下隧道内中型火灾的温度场、流场、烟气浓度场的动态发展，并对辐射热传导 和壁面粗糙度对隧道火灾的影响进行了研究【3 l j ；p j w o o d b u r n 利用c f d 技术模 拟了纵向通风情况下隧道火灾的温度分布1 3 m 4 1 ；w u 、b a k a r 利用c f d 通用软件 f l u e n t 模拟了5 种矩形断面隧道火灾，并用l d v 测量了烟气羽流区域的速度分 布，进行对比分析。对比结果表明，c f d 很好地模拟了速度场的分布，特别是 烟气回流区域的速度场与试验结果吻合较好。但是由于紊流模型的限制，c f d 仅模拟了连续火焰区的温度分布，未预测间歇火源区的温度场，与试验结果相比， 火源附近温度场的模拟结果偏甜3 5 】；j u r i cm o d i c 采用计算机模拟研究了通风和 不通风情况下隧道内纵向温度分布，并且模拟了火灾中衬砌壁的温度分布【3 引。 整体上讲，目前国内外对于交通隧道防火研究的重要性和必要性已达成共 识，并开展了较多的研究工作，取得了一定的成果，为提高隧道的安全运营发挥 了积极的作用。但是，对我国而言，交通隧道防火研究起步较晚，成果不够系统， 尚不能满足工程建设的需要。 1 3 论文的研究内容和研究意义 1 3 1 主要研究内容 第1 章绪论 本课题的主要研究内容是：通过理论分析和计算机数值模拟的方法，对城市 地下公路隧道火灾工况下的烟气流动规律和烟气控制技术进行了研究，讨论了城 市地下公路短隧道的自然排烟可行性，验证了火灾时烟气触顶区温度预测模型、 倾斜隧道内的羽流热动力特性预测模型，并对烟气逆流距离和f 临界纵向抑制风速 进行了探讨，具体研究内容和研究目标如下： 1 ) 、通过调查研究，对现有理论成果进行分析和归纳，了解城市地下公路隧 道的发展现状、隧道火灾的特点和研究现状。 2 ) 、调查分析斜坡对城市地下公路隧道火灾工况下的烟气流动规律的影响。 3 ) 、借助传热学、流体力学理论，利用f d s 数值模拟软件，对火灾工况下 的城市地下公路隧道内温度场、速度场和烟气质量流率进行分析。 4 ) 、根据城市地下公路隧道流场特征和待研究问题的性质，借助于数值模拟 手段，对不同工况下的隧道火灾进行模拟，验证理论模型。 5 ) 、通过理论与模拟的对比，分析评价所得结果的有效性，并提出合理可行 的通风、防排烟建议。 1 3 2 研究意义 随着城市建设规模的日益增加，城市地下公路隧道作为立体交通方式之一， 不仅可以缓解城市交通压力，解决交通干线跨江越海受到的限制，而且可以缩短 线路里程，降低对周围环境和人民生产、生活的影响。例如，在北京，国内首例 超大规模中关村西区地下综合管廊及城市交通隧道综合开发利用系统投入试运 行，使中关村地区实现了立体交通；2 0 0 8 年建成的奥运中心区建成后，奥运中 心区的社会交通将主要由地下交通设施承担【37 1 。 城市地下公路隧道能给人们生产、生活带来便利，因此得到越来越多的应用。 但是，作为主要灾害的火灾也频繁发生，而且由于隧道环境的封闭性和逃生救援 的困难性，使得隧道一旦发生火灾，往往造成严重的人员伤亡和巨大的社会影响 和经济损失。因此，在城市地下空间大规模开发的背景下，如何保证城市地下公 路隧道的火灾安全至关重要，这也是目前管理、设计、施工、运营等部门面临的 最重要的问题之一【3 引。 大量的火灾实例表明，隧道火灾一旦发生，就有大量的烟气产生。烟气在隧 道内不断流动传播，不仅导致火灾蔓延，而且引起人员恐慌、呼吸困难，甚至窒 息，这是造成人员群死群伤的主要原因。此时，如果隧道内有合理的防排烟系统 和疏散通道，就可使在场人员沿着疏散通道尽快撤离到达安全地点【5 5 】。因此，如 何减轻隧道火灾引发的人员伤亡，是本文研究的主旨之一【3 9 】。 坡度存在使隧道烟气难以形成对称的顶棚射流。车辆在这样的道路上行驶极 易发生交通事故，同时在发生火灾时容易使热烟气在上坡处聚集，造成火灾事故 北京t 业人学工学硕l j 学位论文 的扩大【4 0 1 。如日本大坂公路隧道火灾，由于高温烟气在上坡处聚集，最终造成1 8 9 辆汽车相继着火燃烧。因此，在城市地下交通隧道规划、建设时，必须进行认真 分析坡度对火灾场景的关键参数设计影响以及坡度对通风、排烟以及人员疏散的 影响。 目前，广泛开展的城市交通隧道火灾的研究都将隧道模型简化成平直隧道， 然而，由于地形、地质、功能和规划等原因，城市地下公路隧道不可能是水平的 直通道，无可避免会有一定的斜度和弯曲，因此，掌握坡度对城市地下公路隧道 火灾中的温度分布和烟气流动规律的影响，对火灾时指导人员疏散和扑救工作， 以及火灾后的城市地铁隧道结构修复和保证日后的安全运行，都具有非常重要的 现实意义和极大的实际指导和应用价值。 第2 章隧道火灾c f d 汁算理论及建模研究 第2 章隧道火灾c f d 计算理论及建模研究 随着计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i e s ) 技术的成熟及计算机性 能的提高，c f d 模拟逐渐被应用到火灾研究领域。计算机数值模拟的研究方法具 有模拟工况灵活、可重复性强、预测结果可再现性等优点，并且不需要大量的资 金建造实验室设施，可以便捷地对不同的影响因素和不同的过程进行模拟研究， 是预测隧道火灾规律的一种重要方法。 火灾过程研究的数值模拟方法主要有区域模拟、场模拟( 计算流体动力学 c f d 模拟) 、网络模拟以及场区网复合模拟技术。由于场模拟可以得到较为详细 的物理量的时间和空间分布，能精确细致地体现火灾现象，因此得到了越来越广 泛的应用。场模拟可以分为：自发展的简单场模拟技术和利用一些成熟的c f d 模 拟软件对隧道火灾的发展情况进行预测【4 。 2 1 隧道火灾c f d 模拟软件简介 表2 1c f d 模拟软件列表【3 l t h b l e 2 1 t h el i s to f c f ds o f t w a r e 本源及 软件名称 软件简介 获取方式 美国n i s t 下低马赫数流体动力学模型，l e s 及d n s 求解技术，可模拟三维 f d s 属b f r l ，免费空间内空气的温度、速度和烟气的流动