弧形截面隧道内受限火行为与移动式风机排烟协同优化研究

弧形截面隧道内受限火行为与移动式风机排烟协同优化研究一、引言1.1研究背景与意义随着城市化进程的加速和交通基础设施建设的不断推进，隧道作为交通网络的重要组成部分，其数量和规模日益增长。弧形截面隧道因其独特的结构特点，在地下交通工程中得到了广泛应用。然而，隧道内一旦发生火灾，由于其相对封闭的空间和特殊的结构，火灾行为将受到极大的限制，给人员疏散、消防救援和结构安全带来严峻挑战。隧道火灾往往具有火势发展迅速、烟气扩散快、温度升高等特点，这些特性使得火灾在隧道内的危害程度远远超过普通建筑火灾。从过往的隧道火灾事故案例来看，其造成的后果十分严重。例如，1999年3月24日，法国勃朗峰隧道发生火灾，这场火灾持续燃烧了53个小时，造成39人死亡，直接经济损失高达数亿欧元。又如，2000年11月11日，奥地利托恩隧道火灾，导致12人死亡，隧道设施严重受损，交通中断长达数月之久。这些惨痛的事故表明，隧道火灾不仅会对人员生命安全构成直接威胁，还会对交通系统、社会经济以及环境造成巨大的负面影响。对于弧形截面隧道而言，其通风条件相对较差，气流流速较小，火灾发生时烟气难以自然排放，这进一步加剧了火灾的危险性。在这种情况下，深入研究弧形截面隧道内受限火行为特征，对于准确预测火灾发展趋势、评估火灾危害程度以及制定有效的防火减灾措施具有至关重要的意义。同时，研发高效的排烟方法，特别是移动式风机排烟方法，对于及时排出火灾烟气，降低烟气浓度和温度，为人员疏散和消防救援创造有利条件，具有重要的现实意义。在实际应用中，移动式风机因其灵活性和便捷性，成为弧形截面隧道火灾排烟的一种重要手段。然而，目前对于移动式风机在弧形截面隧道内的排烟机理、工作特性以及优化配置等方面的研究还相对不足，导致在实际火灾排烟过程中，难以充分发挥其排烟效能，无法满足隧道火灾安全防护的需求。因此，开展弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法研究，具有重要的理论价值和工程应用价值。通过本研究，旨在揭示弧形截面隧道内受限火行为的内在规律，明确移动式风机排烟的关键影响因素，提出优化的排烟方案和技术措施，为弧形截面隧道的防火设计、火灾防控以及应急救援提供科学依据和技术支持，从而有效降低隧道火灾事故的发生率和损失程度，保障隧道交通安全和人员生命财产安全。1.2国内外研究现状1.2.1隧道火行为研究现状隧道火行为的研究一直是隧道火灾安全领域的重要课题，国内外学者通过实验研究、数值模拟和理论分析等多种方法，对隧道火行为的各个方面进行了深入探讨。在实验研究方面，国外开展了一系列具有代表性的大型隧道火灾实验。例如，英国的水晶宫隧道火灾试验，研究了隧道火灾中人员疏散行为；美国德克萨斯州Amarillo市市区道路隧道火灾试验，探究了建筑材料对隧道火灾的影响；澳大利亚悉尼海湾隧道火灾试验，分析了火源在隧道中的特征和隧道中烟雾的分布情况。这些实验为隧道火行为的研究提供了宝贵的实测数据，揭示了隧道火灾的一些基本规律。国内的隧道火灾试验研究起步相对较晚，但也取得了显著进展。初期试验阶段（1979-1983年）主要针对横向通风隧道和纵向通风隧道的火灾燃烧特性及烟气排放特性进行研究；中期试验阶段（1984-1993年）侧重于隧道施工中的材料、防火方案、灭火方案等方面的研究；高温区仿真试验阶段（1994年以后）则主要针对高温区（即火源处）的火灾特性进行试验研究，包括温度场分析、烟气品质分析、火灾扩散分析等。数值模拟作为研究隧道火行为的重要手段，近年来得到了广泛应用。常用的数值模拟软件如FDS（FireDynamicsSimulator）、ANSYS等，能够对隧道火灾过程中的温度场、速度场、浓度场等进行模拟分析。通过建立合理的数值模型，可以深入研究不同因素对隧道火行为的影响，如火源功率、通风条件、隧道几何形状等。例如，青岛技术大学的张春涛教授团队利用CFD数值模拟方法对隧道火灾传播规律进行了研究，建立了一套可行的数值模拟方案，为隧道火灾预测与应急处置提供了重要的技术支持。在理论分析方面，学者们基于传热学、流体力学等基本理论，建立了各种隧道火灾模型，用于描述隧道火灾的发展过程和火行为特征。这些理论模型为深入理解隧道火行为的物理机制提供了基础，同时也为数值模拟和实验研究提供了理论指导。1.2.2隧道排烟技术研究现状隧道排烟技术是隧道火灾安全防护的关键环节，旨在及时排出火灾产生的烟气，降低烟气浓度和温度，为人员疏散和消防救援创造有利条件。目前，隧道排烟技术主要包括自然排烟、机械排烟以及自然与机械结合排烟等方式。自然排烟是利用火灾产生的热烟气流与外界冷空气的密度差，形成自然对流，将烟气排出隧道。竖井自然排烟是自然排烟的一种常见形式，其排烟效果受到竖井高度、直径、形状、位置以及隧道内风速、风向、温度等多种因素的影响。通过改变竖井形状、增加导流板、设置多层竖井等措施，可以优化自然排烟效果，提高排烟效率。例如，在一些隧道设计中，采用圆形或方形竖井，并合理设置其直径和高度，以增强自然排烟能力。机械排烟则是通过安装在隧道内的风机等设备，强制排出烟气。机械排烟又可分为纵向通风排烟、横向通风排烟和半横向通风排烟等方式。纵向通风排烟是目前应用较为广泛的一种机械排烟方式，通过在隧道内设置风机，形成纵向气流，将烟气排出隧道。其优点是系统简单、投资少，但在火灾规模较大时，排烟效果可能受到限制。横向通风排烟和半横向通风排烟则通过在隧道内设置专门的排烟风道和风口，将烟气排出隧道，排烟效果相对较好，但系统复杂、投资较大。此外，为了提高隧道排烟效果，国内外学者还对排烟技术的优化进行了研究。例如，通过数值模拟和实验研究，分析不同排烟方式下的烟气流动特性，优化排烟风机的布置位置和运行参数；研究新型的排烟设备和技术，如射流风机、诱导风机等，以提高排烟效率和可靠性。1.2.3研究现状总结与不足综上所述，国内外在隧道火行为和排烟技术方面已经取得了丰硕的研究成果，为隧道火灾的预防和控制提供了重要的理论支持和实践经验。然而，当前研究仍存在一些不足之处，特别是在弧形截面隧道和移动式风机排烟方面。对于弧形截面隧道，由于其独特的几何形状和通风条件，与传统的直线型隧道存在较大差异。现有的研究大多集中在直线型隧道，对弧形截面隧道内受限火行为特征的研究相对较少。弧形截面隧道内的气流分布、烟气扩散规律以及温度场分布等方面的研究还不够深入，缺乏系统的实验研究和数值模拟分析。这使得在弧形截面隧道的防火设计和火灾防控中，难以准确预测火行为的发展趋势，制定有效的防火减灾措施。在移动式风机排烟方面，虽然移动式风机在隧道火灾排烟中具有灵活性和便捷性的优势，但目前对于其在弧形截面隧道内的排烟机理、工作特性以及优化配置等方面的研究还相对不足。不同型号和规格的移动式风机在弧形截面隧道内的排烟效果差异较大，如何根据隧道的实际情况选择合适的移动式风机，并优化其布置位置和运行参数，以达到最佳的排烟效果，仍然是一个亟待解决的问题。此外，移动式风机与隧道内其他通风设备和消防设施的协同工作机制也需要进一步研究，以提高隧道火灾排烟的整体效能。因此，开展弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法研究具有重要的必要性和紧迫性。通过深入研究弧形截面隧道内的火行为特征，揭示其内在规律，结合移动式风机的特点，优化排烟方案和技术措施，有望为弧形截面隧道的火灾安全防护提供更加科学、有效的理论支持和技术手段。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究将围绕弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法展开，具体研究内容如下：弧形截面隧道内受限火行为特征实验研究：搭建弧形截面隧道缩尺实验模型，模拟不同火源功率、通风条件下的火灾场景。在隧道内设置多个监测点，实时测量火灾过程中的热释放速率、烟气温度、烟气浓度、风速等参数。通过对实验数据的分析，揭示弧形截面隧道内受限火行为的火势演化规律，包括火焰传播特性、烟气扩散规律、温度场分布特征等。例如，研究不同火源位置对烟气扩散路径和温度分布的影响，分析通风条件变化时火势的发展趋势。弧形截面隧道内受限火行为特征数值模拟研究：采用专业的火灾动力学模拟软件，如FDS（FireDynamicsSimulator），建立弧形截面隧道的三维数值模型。对不同工况下的火灾场景进行数值模拟，包括不同隧道弧度、火源功率、通风方式等。通过模拟结果，深入分析弧形截面隧道内的气流组织、热量传递、物质扩散等物理过程，验证实验结果的准确性，并进一步探究实验难以测量的参数和现象，如隧道内的压力分布、热辐射强度等。移动式风机排烟机理与工作特性研究：分析移动式风机在弧形截面隧道内的排烟机理，研究风机的类型、功率、转速、布置位置等因素对排烟效果的影响。通过实验和数值模拟，获取不同工况下移动式风机的排烟效率、烟气控制范围等工作特性参数。例如，对比不同类型移动式风机在相同隧道条件下的排烟效果，研究风机布置位置与火源位置的相对关系对排烟效果的影响规律。移动式风机排烟方案优化研究：基于弧形截面隧道内受限火行为特征和移动式风机工作特性的研究成果，提出移动式风机排烟方案的优化策略。通过数值模拟和实验验证，对风机的布置方式、运行参数等进行优化设计，以提高排烟效率，降低烟气对人员和结构的危害。例如，研究多台移动式风机协同工作时的最优布置方案和运行参数组合，分析不同优化策略下的排烟效果提升情况。考虑实际应用场景的移动式风机排烟系统设计与评估：结合实际弧形截面隧道的工程特点和火灾风险，设计移动式风机排烟系统。考虑隧道的长度、宽度、高度、交通流量、火灾荷载等因素，确定风机的数量、型号、安装位置等参数。对设计的排烟系统进行性能评估，包括在不同火灾场景下的排烟效果、系统可靠性、经济性等方面的评估，为实际工程应用提供技术支持和决策依据。1.3.2研究方法为实现上述研究内容，本研究将综合运用实验研究、数值模拟和理论分析等方法：实验研究方法：搭建缩尺实验模型是实验研究的关键步骤。根据相似理论，确定模型的几何尺寸、材料选择以及实验条件的设定，确保实验结果能够准确反映实际弧形截面隧道内的火行为和排烟情况。在实验过程中，采用高精度的测量仪器，如热电偶、烟气分析仪、风速仪等，对火灾参数和烟气特性进行实时监测和记录。同时，设置不同的实验工况，进行多组重复实验，以提高实验数据的可靠性和准确性。例如，在研究火源功率对火行为的影响时，设置多个不同功率的火源，分别进行实验测量。数值模拟方法：利用专业的火灾模拟软件FDS进行数值模拟。首先，建立准确的隧道几何模型，包括隧道的弧形截面、长度、宽度等参数。然后，设定合理的边界条件和物理参数，如火源的热释放速率、通风条件、隧道壁面的热物性参数等。通过调整模拟参数，模拟不同工况下的火灾场景和排烟过程。对模拟结果进行后处理分析，获取温度场、速度场、浓度场等信息，并与实验结果进行对比验证，以确保数值模拟的准确性和可靠性。例如，在模拟移动式风机排烟时，通过改变风机的参数和布置位置，观察模拟结果中烟气的扩散和排出情况。理论分析方法：基于传热学、流体力学、燃烧理论等基础学科知识，对实验和数值模拟结果进行理论分析。建立数学模型，描述弧形截面隧道内的火行为和烟气流动过程，推导相关的计算公式和理论表达式。通过理论分析，深入理解火行为和排烟过程的物理本质，揭示影响因素之间的内在联系，为实验研究和数值模拟提供理论指导，并对研究结果进行理论解释和验证。例如，运用传热学理论分析隧道内的热量传递过程，利用流体力学原理研究烟气的流动特性。二、弧形截面隧道内受限火行为特征实验研究2.1实验设计与装置搭建为深入探究弧形截面隧道内受限火行为特征，本研究精心设计并搭建了一套实验装置，以确保实验的科学性和准确性。实验采用缩尺模型来模拟实际的弧形截面隧道。根据相似理论，综合考虑实验场地、设备条件以及实验成本等因素，确定模型的几何相似比为1:10。隧道模型的主体结构采用有机玻璃材料制作，这种材料具有良好的透光性，便于直接观察隧道内的火灾现象和烟气流动情况，同时其物理性能相对稳定，能够满足实验的要求。隧道模型的弧形段半径为1m，弧长根据不同实验工况进行调整，直线段长度为5m，截面形状为半圆形，直径为0.6m，以尽可能地还原实际弧形截面隧道的几何特征。火源设置是实验的关键环节之一。本研究选用庚烷作为燃料，庚烷是一种常见的碳氢化合物，其燃烧特性与实际隧道火灾中的燃油类火源具有一定的相似性。采用直径为0.2m的圆形油盘作为火源载体，通过控制油盘内庚烷的液位高度和燃烧时间，来精确调节火源的热释放速率。热释放速率是衡量火源强度的重要参数，它对隧道内的火行为和烟气扩散有着直接的影响。在实验中，利用量热仪对不同工况下的火源热释放速率进行实时测量，确保实验数据的准确性。根据前期调研和实际工程需求，设置了多个不同的火源热释放速率工况，分别为50kW、100kW、150kW和200kW，以研究不同火源强度对隧道内受限火行为的影响。为全面监测隧道内火灾过程中的各种物理参数，在隧道模型内合理布置了多种测量仪器。在隧道顶部中轴线位置，每隔0.5m布置一个K型热电偶，用于测量烟气温度的纵向分布。K型热电偶具有响应速度快、测量精度高的特点，能够准确捕捉到烟气温度的变化。在隧道横截面上，分别在距离地面0.1m、0.3m和0.5m高度处，沿径向均匀布置3个热电偶，以获取烟气温度的横向分布信息。同时，在隧道内不同位置布置了多个烟气成分分析仪，用于实时测量一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）等有害气体的浓度。这些分析仪采用先进的传感器技术，能够快速、准确地检测出烟气中有害气体的含量。此外，还在隧道内设置了风速仪，用于测量隧道内的气流速度和方向，风速仪的测量精度能够满足实验要求，确保对气流参数的准确测量。移动式风机是本实验研究的重点设备之一，其选型和安装对实验结果有着重要的影响。根据隧道模型的尺寸和实验需求，选用了一款轴流式移动式风机。该风机具有结构紧凑、体积小、重量轻、便于移动和操作等优点，同时其风量、风压等性能参数能够满足实验要求。风机的额定风量为1000m³/h，额定风压为500Pa，转速可在一定范围内调节，以适应不同的实验工况。在安装移动式风机时，将其放置在隧道模型的入口处，通过调整风机的角度和位置，使其能够向隧道内提供稳定的气流。为了准确控制风机的运行参数，配备了专门的风机控制器，通过控制器可以精确调节风机的转速和风量，确保实验条件的稳定性和可重复性。2.2不同火源条件下的火行为特征分析2.2.1火源功率对火行为的影响火源功率作为隧道火灾中一个关键的影响因素，对弧形截面隧道内的火行为有着显著的作用。在本实验中，通过设置不同功率的火源，分别为50kW、100kW、150kW和200kW，深入探究了火源功率对火势蔓延、烟气温度、热释放速率等参数的影响。随着火源功率的增大，火势蔓延速度明显加快。在火源功率为50kW时，火焰在隧道内的蔓延较为缓慢，在初期阶段，火焰主要集中在火源附近，随着时间的推移，火焰逐渐向隧道上游和下游蔓延，但蔓延速度相对较慢。当火源功率增加到100kW时，火焰蔓延速度显著提高，在较短的时间内，火焰就能够覆盖更大的范围，对隧道内的设施和人员安全构成更大的威胁。而当火源功率达到150kW和200kW时，火势蔓延极为迅速，几乎在瞬间就能够充满较大的空间，隧道内的温度也会在短时间内急剧上升。烟气温度与火源功率之间存在着密切的正相关关系。在火源功率为50kW的情况下，隧道内的烟气温度上升较为缓慢，在距离火源一定距离处，烟气温度的升高幅度相对较小。随着火源功率增大到100kW，烟气温度上升速度明显加快，在火源正上方以及下游一定范围内，烟气温度迅速升高，超过了一般人体所能承受的温度范围，对人员的生命安全造成严重威胁。当火源功率进一步增大到150kW和200kW时，隧道内的烟气温度急剧升高，在火源附近区域，烟气温度甚至能够达到数百摄氏度，这不仅会对隧道内的结构材料造成严重的损害，降低其强度和稳定性，还会阻碍人员的疏散和消防救援工作的开展。热释放速率是衡量火源功率的一个重要指标，它直接反映了火灾的强度和能量释放情况。在实验中发现，火源功率越大，热释放速率越高。当火源功率从50kW增加到100kW时，热释放速率相应地大幅提高，这意味着火灾释放出的能量更多，对周围环境的热辐射也更强。随着火源功率继续增大到150kW和200kW，热释放速率呈现出指数级增长的趋势，火灾的破坏力也随之急剧增强。大量的热量释放到隧道内，使得隧道内的空气迅速升温，形成强烈的热对流和热辐射，进一步加剧了火势的蔓延和烟气的扩散。通过对不同火源功率下的实验数据进行分析，可以建立起火源功率与火势蔓延速度、烟气温度、热释放速率等参数之间的定量关系。利用这些关系，可以对弧形截面隧道内的火灾发展进行更加准确的预测和评估，为隧道的防火设计、火灾防控以及应急救援提供科学依据。例如，在隧道的防火设计中，可以根据可能出现的火源功率大小，合理确定隧道内的消防设施配置、通风系统设计以及人员疏散方案，以提高隧道在火灾情况下的安全性和可靠性。在火灾防控方面，可以通过实时监测火源功率的变化，及时调整消防策略，采取有效的灭火和排烟措施，降低火灾的危害程度。在应急救援过程中，救援人员可以根据火源功率与其他参数的关系，准确判断火灾现场的危险程度，制定合理的救援方案，确保自身安全的同时，提高救援效率。2.2.2火源位置对火行为的影响火源位置在弧形截面隧道内的火灾场景中扮演着至关重要的角色，它直接影响着隧道内温度场、烟气扩散形态及浓度分布的差异。为了深入研究这一影响，本实验设置了多个不同的火源位置，包括隧道的入口处、中间位置和出口处，通过对不同火源位置下的实验数据进行分析，揭示了火源位置对火行为的影响规律。当火源位于隧道入口处时，由于受到入口处气流的影响，烟气会迅速向隧道内扩散。在初期阶段，烟气主要沿着隧道顶部向隧道内部蔓延，形成一个较为明显的烟气层。随着时间的推移，烟气逐渐向下沉降，使得隧道内的可见度迅速降低，对人员疏散造成极大的困难。在温度场分布方面，火源附近的温度迅速升高，而随着距离火源的增加，温度逐渐降低。在隧道入口处，由于新鲜空气的不断涌入，使得火源附近的温度相对较低，但随着烟气的扩散，隧道内部的温度会逐渐升高，形成一个从入口到内部逐渐升高的温度梯度。火源处于隧道中间位置时，烟气扩散呈现出较为对称的形态。在火源正上方，烟气温度最高，随着距离火源的横向和纵向距离的增加，温度逐渐降低。烟气在隧道内形成一个相对稳定的高温区域，该区域的范围随着火源功率的增大而扩大。在浓度分布方面，一氧化碳等有害气体的浓度在火源附近最高，然后随着距离的增加而逐渐降低。由于隧道中间位置相对较为封闭，烟气的扩散受到一定的限制，使得有害气体在隧道内的积聚更加明显，对人员的生命安全构成更大的威胁。若火源位于隧道出口处，烟气会在出口处迅速排出隧道，但同时也会对出口周围的环境造成污染。在隧道内部，由于烟气的排出，隧道内的压力相对较低，新鲜空气会从隧道入口处迅速涌入，形成强烈的气流。这种气流会对火势的发展和烟气的扩散产生重要影响，使得火焰更容易向隧道内部蔓延，烟气的扩散形态也更加复杂。在温度场分布方面，火源附近的温度仍然最高，但由于新鲜空气的冷却作用，隧道内部的温度分布相对较为均匀，温度梯度较小。通过对不同火源位置下的实验数据进行分析，可以清晰地看出火源位置对隧道内温度场、烟气扩散形态及浓度分布有着显著的影响。这些影响规律为弧形截面隧道的排烟设计提供了重要的依据。在排烟设计中，需要根据火源可能出现的位置，合理布置排烟口和通风设备，以确保在火灾发生时能够及时有效地排出烟气，降低烟气浓度和温度，为人员疏散和消防救援创造有利条件。例如，当火源位于隧道入口处时，可以在入口处附近设置多个排烟口，加强对入口处烟气的排出，同时在隧道内部设置辅助通风设备，引导烟气向排烟口流动。当火源位于隧道中间位置时，应在火源正上方和周围区域设置高效的排烟口，确保能够及时排出高温烟气，减少有害气体的积聚。当火源位于隧道出口处时，除了在出口处设置排烟口外，还需要考虑对出口周围环境的保护，采取相应的措施防止烟气对周围环境造成污染。2.3自然通风条件下的火行为特征自然通风作为隧道通风的一种基本方式，在弧形截面隧道火灾中发挥着重要作用，其对隧道内火行为特征的影响机制较为复杂，涉及到气流与火灾相互作用的多个方面。在自然通风条件下，隧道内的气流主要由自然风压和热压驱动。自然风压是由于隧道进出口的气压差产生的，而热压则是由火灾产生的热量使隧道内空气温度升高，导致空气密度减小，从而形成向上的浮力，驱动气流运动。这种自然通风形成的气流对火势蔓延有着显著的影响。当火灾发生时，火源周围的空气被加热，形成热羽流。在自然通风的作用下，热羽流会沿着隧道顶部向上下游蔓延。由于弧形截面隧道的特殊形状，气流在隧道内的流动会受到一定的阻碍，导致热羽流的蔓延速度相对较慢。然而，随着火灾的发展，热羽流的强度不断增强，当热羽流的浮力足以克服气流的阻力时，火势会迅速蔓延。例如，在一些自然通风条件较差的弧形截面隧道中，火灾发生后，火势可能会在短时间内迅速扩大，难以控制。烟气扩散是隧道火灾中另一个关键问题，自然通风对其有着重要的影响。在自然通风的作用下，烟气会随着气流在隧道内扩散。由于烟气的密度比空气小，在热浮力的作用下，烟气会首先聚集在隧道顶部，形成一个烟气层。随着烟气的不断产生，烟气层会逐渐向下扩展，导致隧道内的能见度降低，对人员疏散和消防救援造成极大的困难。同时，自然通风的风向和风速会直接影响烟气的扩散方向和速度。当自然通风的风速较小时，烟气的扩散速度也会较慢，容易在隧道内积聚；而当自然通风的风速较大时，烟气会迅速向隧道出口扩散，但也可能会导致烟气的逆流现象，使得烟气在隧道内的分布更加复杂。例如，在一些弧形截面隧道中，由于隧道的弯曲和自然通风条件的变化，烟气可能会在隧道内形成局部的高浓度区域，对人员的生命安全构成严重威胁。温度分布是评估隧道火灾危害程度的重要指标之一，自然通风对隧道内温度分布有着显著的影响。在自然通风条件下，隧道内的温度分布呈现出明显的不均匀性。火源附近的温度最高，随着距离火源的增加，温度逐渐降低。在隧道顶部，由于热羽流的作用，温度相对较高；而在隧道底部，由于冷空气的补充，温度相对较低。此外，自然通风的风速和风向也会影响隧道内的温度分布。当自然通风的风速较大时，会加快隧道内的热量传递，使得温度分布更加均匀；而当自然通风的风速较小时，热量传递较慢，容易导致温度在局部区域积聚。例如，在一些自然通风条件较差的弧形截面隧道中，火源附近的温度可能会在短时间内迅速升高，超过隧道结构材料的耐受温度，从而导致隧道结构的损坏。为了更深入地理解自然通风条件下弧形截面隧道内的火行为特征，我们对不同工况下的实验数据进行了详细分析。在实验中，我们设置了不同的自然通风条件，包括不同的风速和风向，同时记录了隧道内不同位置的温度、烟气浓度等参数。通过对这些数据的分析，我们发现自然通风条件下隧道内的火行为特征与通风条件密切相关。当自然通风的风速较小时，火势蔓延速度较慢，烟气扩散范围较小，但温度在火源附近积聚明显；当自然通风的风速较大时，火势蔓延速度加快，烟气扩散范围扩大，但温度分布相对均匀。此外，风向的变化也会导致烟气扩散方向和温度分布的改变。自然通风在弧形截面隧道火灾中对火势蔓延、烟气扩散及温度分布有着重要的影响。深入研究自然通风条件下的火行为特征，有助于我们更好地理解隧道火灾的发展机制，为制定有效的防火减灾措施提供科学依据。在实际工程中，应充分考虑自然通风的作用，合理设计隧道的通风系统，以降低火灾发生时的危害程度。三、弧形截面隧道内受限火行为的数值模拟3.1数值模拟模型的建立为了深入研究弧形截面隧道内受限火行为特征，本研究利用CFD（计算流体动力学）软件FDS（FireDynamicsSimulator）建立了详细的数值模拟模型。FDS软件是一款专门用于火灾动力学模拟的工具，它基于大涡模拟（LES）方法，能够精确地模拟火灾过程中的流体流动、传热传质以及燃烧化学反应等复杂现象。在建立隧道模型时，首先根据实际弧形截面隧道的尺寸参数，利用FDS软件的建模工具构建三维几何模型。模型的几何尺寸与实验模型保持一致，弧形段半径为1m，弧长根据不同实验工况进行调整，直线段长度为5m，截面形状为半圆形，直径为0.6m。通过精确的几何建模，确保数值模拟能够准确反映实际隧道的结构特征。边界条件的定义对于数值模拟的准确性至关重要。在本模型中，隧道进出口设置为压力边界条件，根据实际情况，将外界大气压力设定为边界压力值。同时，考虑到自然通风的影响，在进出口边界上设置一定的风速和温度条件，以模拟外界空气的流入和流出。隧道壁面设置为无滑移壁面边界条件，壁面的热物性参数根据实际材料特性进行设定，如导热系数、比热容等，以准确描述壁面与流体之间的热量传递过程。火源则采用体积热源模型进行模拟，根据实验中不同的火源功率设置，在模型中相应地定义火源的热释放速率。例如，对于50kW的火源功率，通过在火源区域内设定合适的热释放速率参数，来模拟该功率下火源的热释放情况。网格划分是数值模拟中的关键步骤之一，它直接影响到计算结果的精度和计算效率。在本研究中，采用了非结构化网格对隧道模型进行离散。对于火源附近以及烟气扩散较为复杂的区域，如隧道的弯道部分，采用了加密的网格划分，以提高计算精度，准确捕捉这些区域内的物理现象。而在远离火源和流动相对稳定的区域，则适当增大网格尺寸，以减少计算量，提高计算效率。通过合理的网格划分策略，在保证计算精度的前提下，有效地降低了计算成本。在进行网格无关性验证时，分别采用了粗、中、细三种不同密度的网格进行模拟计算。结果表明，当采用中等密度网格时，模拟结果与细网格模拟结果之间的差异在可接受范围内，同时计算时间相对较短，因此最终选择中等密度网格作为数值模拟的网格方案。3.2模拟结果与实验验证将数值模拟结果与实验数据进行对比，是验证数值模拟模型准确性和可靠性的关键步骤，对于深入理解弧形截面隧道内受限火行为特征具有重要意义。在对比过程中，选取了具有代表性的参数进行分析，主要包括隧道内的温度分布和烟气浓度分布。在温度分布方面，对比不同火源功率和位置下实验测量得到的隧道内各监测点温度数据与数值模拟结果。以火源功率为100kW，火源位于隧道中间位置的工况为例，实验测量结果显示，在火源正上方距离火源1m处，最高温度达到了400℃左右。数值模拟结果在该位置的温度为380℃左右，与实验测量值相对误差在5%以内。从温度沿隧道纵向的分布来看，实验测量和数值模拟均表明，随着距离火源距离的增加，温度逐渐降低，且呈现出近似指数衰减的趋势。在距离火源5m处，实验测量温度为150℃，模拟结果为140℃，相对误差约为7%。通过对多个工况下的温度分布对比分析发现，数值模拟结果与实验数据在整体趋势上具有良好的一致性，能够较为准确地反映隧道内温度的变化规律。在烟气浓度分布方面，同样对不同工况下实验测量的一氧化碳（CO）浓度与数值模拟结果进行了对比。当火源功率为150kW，火源位于隧道入口处时，实验测得距离火源2m处的一氧化碳浓度为300ppm。数值模拟在该位置的一氧化碳浓度模拟值为320ppm，相对误差在7%左右。从隧道横截面上的烟气浓度分布来看，实验和模拟结果都显示，在靠近隧道顶部的位置，一氧化碳浓度相对较高，而在靠近隧道底部的位置，浓度较低。这是由于热浮力作用，使得烟气向上聚集，导致隧道顶部的一氧化碳浓度升高。在不同工况下，数值模拟得到的烟气浓度分布与实验测量结果在变化趋势上基本一致，能够较好地模拟出烟气在隧道内的扩散和分布情况。尽管数值模拟结果与实验数据在整体上具有较好的一致性，但仍存在一些细微差异。这些差异可能是由多种因素导致的。实验过程中，测量仪器本身存在一定的测量误差，如热电偶的测量精度可能会受到环境因素的影响，导致温度测量存在一定偏差。实验条件的控制也难以做到完全精确，例如火源功率在实际燃烧过程中可能会存在一定的波动，无法始终保持设定值的绝对稳定，这也会对实验结果产生影响。在数值模拟方面，模型的简化和假设可能与实际情况存在一定偏差。虽然在建立模型时已经尽可能考虑了各种因素，但在对一些复杂物理过程的描述上，如燃烧化学反应、传热传质等，仍然采用了一定的简化方法，这可能导致模拟结果与实际情况存在差异。此外，网格划分的精度也会对模拟结果产生影响，如果网格不够精细，可能无法准确捕捉到一些局部的物理现象，从而导致模拟结果的误差。通过对模拟结果与实验验证的分析，验证了数值模拟模型在研究弧形截面隧道内受限火行为特征方面的准确性和可靠性。尽管存在一定的差异，但这些差异在可接受范围内，并且通过分析差异原因，可以为进一步优化数值模拟模型提供参考。在后续的研究中，可以针对实验和模拟结果的差异，对模型进行改进和完善，如提高测量仪器的精度、优化实验条件的控制、改进数值模拟中的物理模型和网格划分策略等，以提高模拟结果的准确性，为深入研究弧形截面隧道内受限火行为特征提供更加可靠的依据。3.3火行为特征的模拟分析3.3.1温度场分布特征通过数值模拟，对弧形截面隧道内的温度场分布规律进行了深入分析。模拟结果显示，在火灾发生初期，火源附近区域的温度迅速升高，形成一个高温核心区。随着时间的推移，热量通过热传导、热对流和热辐射等方式向周围传递，使得隧道内的温度场逐渐扩大。火源功率对温度场分布有着显著影响。当火源功率较低时，如50kW，高温区域主要集中在火源周围较小的范围内，随着距离火源的增加，温度迅速降低。在距离火源5m处，温度已经降低到相对较低的水平，对隧道内其他区域的影响较小。而当火源功率增大到200kW时，高温区域明显扩大，在距离火源10m处，温度仍然较高，对隧道内的结构和人员安全构成较大威胁。在火源正上方，温度最高，随着与火源的横向距离增加，温度逐渐降低，呈现出明显的温度梯度。隧道弧度也会对温度场分布产生影响。当隧道弧度较小时，烟气在隧道内的扩散相对较为顺畅，温度分布相对较为均匀。随着隧道弧度的增大，烟气在弧形段的流动受到阻碍，容易在局部区域积聚，导致该区域温度升高。在弧度较大的隧道中，弧形段的内侧温度往往高于外侧温度，这是由于烟气在弧形段内侧的积聚和热交换更加剧烈所致。通风条件是影响温度场分布的另一个重要因素。在自然通风条件下，由于气流速度较小，热量的传递主要依靠热对流和热辐射，温度场的扩散速度相对较慢。而在机械通风条件下，通过风机的作用，气流速度增大，热量能够更快地被带出隧道，使得隧道内的温度分布更加均匀，高温区域的范围也相对减小。当通风风速为2m/s时，隧道内的温度明显低于自然通风时的温度，且高温区域主要集中在火源附近较小的范围内。通过对不同工况下温度场分布的模拟分析，可以建立起温度场与火源功率、隧道弧度、通风条件等因素之间的关系模型。利用这些模型，可以对弧形截面隧道内的温度场进行预测和评估，为隧道的防火设计和火灾防控提供科学依据。在隧道的防火设计中，可以根据可能出现的火源功率和通风条件，合理确定隧道内的消防设施配置和结构材料的耐高温性能要求，以确保隧道在火灾情况下的安全性。3.3.2烟气扩散特征烟气扩散是弧形截面隧道火灾中的一个关键问题，它直接影响着人员疏散和消防救援的效果。通过数值模拟，对烟气在隧道内的扩散路径、速度和浓度分布进行了详细研究，探讨了影响烟气扩散的关键因素。在火灾发生后，烟气首先在火源附近积聚，由于热浮力的作用，烟气迅速向上运动，聚集在隧道顶部。随着烟气的不断产生，烟气层逐渐向下扩展，同时向隧道上下游扩散。在自然通风条件下，烟气的扩散主要受到自然风压和热压的影响。当自然风压较小时，烟气主要在热压的作用下向隧道上下游扩散，扩散速度相对较慢。而当自然风压较大时，烟气的扩散方向和速度会受到自然风压的显著影响，可能会出现烟气逆流等复杂现象。在机械通风条件下，风机的运行参数和布置位置对烟气扩散起着关键作用。当风机布置在隧道入口处时，风机产生的气流能够将烟气迅速排出隧道，降低隧道内的烟气浓度。然而，如果风机的风量不足或布置位置不合理，可能会导致烟气在隧道内积聚，无法有效排出。通过模拟不同风机布置方案和运行参数下的烟气扩散情况，发现当风机风量为1500m³/h，布置在距离火源5m处时，能够有效地控制烟气的扩散，使隧道内大部分区域的烟气浓度保持在较低水平。火源位置也是影响烟气扩散的重要因素之一。当火源位于隧道中间位置时，烟气向上下游扩散的距离相对均衡；而当火源靠近隧道入口或出口时，烟气会在较短的时间内扩散到隧道的一端，对该端的人员疏散和消防救援造成更大的困难。若火源位于隧道入口处，烟气会迅速向隧道内扩散，在短时间内降低入口附近区域的能见度，阻碍人员的疏散。通过对模拟结果的分析，发现隧道内的障碍物和弯道会对烟气扩散产生阻碍作用。在隧道内存在障碍物时，烟气在绕过障碍物时会发生紊流，导致烟气扩散速度减慢，局部区域的烟气浓度升高。而在弧形截面隧道的弯道处，由于气流的转弯和离心力的作用，烟气容易在弯道内侧积聚，形成高浓度区域。3.3.3火焰形态与发展过程借助数值模拟手段，对弧形截面隧道内火焰形态变化和发展过程进行了直观观察和深入分析，同时探讨了火焰与烟气、隧道壁面的相互作用。在火灾初期，火焰呈现出相对稳定的形态，主要集中在火源周围。随着火灾的发展，火焰逐渐向上蔓延，形成一个向上的火羽流。由于隧道顶部的限制，火羽流在接触到隧道顶部后会发生偏转，沿着隧道顶部向上下游扩散。在这个过程中，火焰的形态变得更加复杂，出现了扭曲、分叉等现象。火源功率对火焰的发展有着显著影响。当火源功率较低时，火焰的高度和范围相对较小，发展速度也较慢。随着火源功率的增大，火焰的高度和范围迅速扩大，发展速度加快。在火源功率为50kW时，火焰高度在初期约为1m，随着时间的推移，逐渐增加到2m左右。而当火源功率增大到200kW时，火焰高度在短时间内就能够达到5m以上，对隧道内的结构和人员安全构成极大威胁。隧道弧度也会对火焰形态和发展产生影响。在弧度较小的隧道中，火焰的扩散相对较为顺畅，形态相对规则。而在弧度较大的隧道中，由于隧道壁面的约束和气流的变化，火焰容易在弧形段发生变形和扭曲。在弧形段，火焰可能会向内侧偏移，导致内侧壁面受到的热辐射更强，更容易受到损坏。火焰与烟气之间存在着密切的相互作用。火焰的燃烧产生大量的热量和烟气，这些烟气会对火焰的形态和发展产生影响。热烟气的上升运动带动火焰向上蔓延，同时烟气中的一氧化碳等可燃气体在一定条件下可能会发生二次燃烧，进一步加剧火焰的发展。而火焰的存在也会影响烟气的扩散，火焰的热浮力和气流运动会推动烟气向周围扩散。火焰与隧道壁面之间的相互作用也不容忽视。火焰的热辐射会使隧道壁面温度升高，当壁面温度超过一定值时，壁面材料的性能会下降，甚至可能发生损坏。隧道壁面的存在也会对火焰的形态和发展产生影响，壁面的约束作用会使火焰在靠近壁面处发生变形，同时壁面的热传导会使火焰的热量向壁面传递，导致火焰的温度降低。四、移动式风机排烟方法研究4.1移动式风机排烟原理与工作方式移动式风机作为隧道火灾排烟的重要设备，其排烟原理基于流体力学和热学的基本原理。在隧道火灾发生时，火灾产生的高温烟气由于热浮力的作用会向上运动，同时与周围冷空气形成密度差，导致烟气在隧道内积聚并扩散。移动式风机通过机械动力驱动叶轮旋转，使空气在风机内部形成高速气流。当风机开启并放置在隧道内合适位置时，风机产生的高速气流会与隧道内的烟气相互作用，通过动量交换，推动烟气流动，从而将烟气排出隧道，达到排烟的目的。在实际应用中，移动式风机在隧道内具有多种工作方式，每种工作方式都有其独特的特点和适用场景。纵向通风排烟工作方式：在纵向通风排烟工作方式下，移动式风机通常布置在隧道的一端，沿着隧道的纵向方向进行排烟。风机产生的气流推动隧道内的烟气沿着隧道轴向流动，从隧道的另一端排出。这种工作方式适用于长度较短、火势相对较小的隧道火灾场景。由于风机的气流能够直接作用于烟气，使其快速排出隧道，因此在这种情况下，纵向通风排烟能够较为有效地控制烟气的扩散，为人员疏散和消防救援提供相对清晰的通道。例如，在一些城市地下人行通道等短隧道中，当发生小型火灾时，采用纵向通风排烟的移动式风机能够迅速将烟气排出，保障人员的安全疏散。然而，对于长度较长的隧道，纵向通风排烟可能会面临一些挑战。随着隧道长度的增加，风机产生的气流在推动烟气过程中会受到较大的阻力，导致烟气在隧道内的流动速度逐渐降低，排烟效果可能会受到影响。此外，在火灾规模较大时，高温烟气的浮力和火势的蔓延可能会导致烟气逆流现象的发生，使得纵向通风排烟的效果大打折扣，甚至可能会加剧火灾的危害。横向通风排烟工作方式：横向通风排烟工作方式中，移动式风机通过专门的风道或风口，在隧道横截面上形成横向气流，将烟气从隧道的一侧排出。这种工作方式适用于对排烟要求较高、隧道内空间相对较大且允许设置风道或风口的场景。例如，在一些大型公路隧道或铁路隧道中，采用横向通风排烟的移动式风机可以在火灾发生时，迅速在隧道横截面上形成气流，将烟气有效地排出隧道，减少烟气在隧道内的积聚和扩散。横向通风排烟能够在一定程度上避免纵向通风排烟中可能出现的烟气逆流问题，同时可以更好地控制隧道内不同区域的烟气浓度，为人员疏散和消防救援提供更有利的环境。然而，横向通风排烟需要在隧道内设置专门的风道或风口，这增加了隧道建设和维护的成本，并且对隧道的结构和空间布局有一定的要求。在一些既有隧道中，由于空间限制或结构原因，可能无法采用横向通风排烟工作方式。定点局部排烟工作方式：定点局部排烟工作方式是将移动式风机直接放置在火源附近或烟气浓度较高的区域，对局部区域进行针对性的排烟。这种工作方式适用于火灾初期，火源位置明确且烟气尚未大规模扩散的情况。通过将风机放置在火源附近，能够迅速将火源产生的高温烟气排出，降低局部区域的温度和烟气浓度，阻止火势的蔓延，为灭火和救援工作创造有利条件。例如，在隧道内某一特定位置发生火灾时，将移动式风机迅速移动到火源附近进行定点局部排烟，可以有效地控制火灾的发展，减少火灾对周围区域的影响。定点局部排烟具有灵活性高、针对性强的特点，但由于其作用范围有限，在火灾规模扩大或烟气扩散范围较广时，可能无法满足整体排烟的需求，需要与其他排烟方式配合使用。4.2单台移动式风机排烟效果研究4.2.1风机位置对排烟效果的影响风机位置是影响移动式风机排烟效果的关键因素之一，其与火源之间的相对位置以及在隧道内的具体布置位置，均会对隧道内烟气排出效率、温度降低程度和人员疏散环境改善情况产生显著影响。为了深入探究风机位置对排烟效果的影响，本研究通过数值模拟和实验相结合的方法，设置了多个不同的风机位置工况。在数值模拟中，利用FDS软件建立弧形截面隧道模型，分别将风机布置在距离火源上游5m、10m以及下游5m、10m的位置，同时保持其他条件不变，模拟火灾发生后的烟气流动和温度变化情况。在实验中，在搭建的弧形截面隧道缩尺实验模型上，对应数值模拟的位置布置移动式风机，测量不同位置下隧道内各监测点的烟气浓度、温度等参数。当风机布置在火源上游时，风机产生的气流能够在一定程度上阻挡烟气向上游扩散，将烟气推向火源下游方向，从而有利于下游区域的人员疏散。在风机距离火源上游5m的工况下，数值模拟结果显示，下游区域的烟气浓度明显降低，在距离火源15m处，烟气中一氧化碳浓度相比无风机时降低了约30%。实验测量结果也验证了这一趋势，在该位置下游的监测点处，一氧化碳浓度平均降低了25%左右，温度也有所下降，为人员疏散创造了相对较好的环境。然而，由于风机的阻挡作用，火源上游区域的烟气容易积聚，导致该区域的烟气浓度和温度升高。在火源上游10m处，数值模拟得到的烟气温度比无风机时升高了约20℃，实验测量结果也表明该区域温度升高了15-20℃，对上游区域的人员和设施构成较大威胁。若风机布置在火源下游，风机的作用主要是加速烟气排出隧道。当风机距离火源下游5m时，模拟结果显示，隧道出口处的烟气排出速度明显加快，烟气在隧道内的停留时间缩短，从而有效降低了隧道内整体的烟气浓度和温度。在隧道出口处，烟气中一氧化碳浓度相比无风机时降低了40%以上，温度也降低了30℃左右。实验结果与模拟结果相符，验证了风机布置在火源下游对提高烟气排出效率的积极作用。但是，当风机距离火源过远时，如布置在火源下游10m处，风机对烟气的驱动力减弱，排烟效果会受到一定影响。此时，隧道内部分区域的烟气浓度和温度下降幅度减小，在距离火源10m处的区域，一氧化碳浓度降低幅度仅为20%左右，温度降低约15℃，不利于全面改善人员疏散环境。通过对不同风机位置下排烟效果的研究，可以看出风机位置对隧道内烟气排出效率、温度降低程度和人员疏散环境改善情况有着显著影响。在实际应用中，应根据隧道的具体结构、火源可能出现的位置以及人员疏散方向等因素，合理选择风机位置，以充分发挥移动式风机的排烟效能，为人员疏散和消防救援创造有利条件。例如，在人员主要向上游疏散的隧道中，可将风机布置在火源上游适当位置，以阻挡烟气向上游扩散，保障上游人员的安全疏散；而在人员主要向下游疏散的情况下，将风机布置在火源下游靠近火源的位置，能够更有效地加速烟气排出，降低下游区域的烟气危害。4.2.2风机风速对排烟效果的影响风机风速作为影响移动式风机排烟效果的关键运行参数之一，对排烟效果的影响呈现出一定的规律。不同的风机风速会导致隧道内气流速度、压力分布以及烟气扩散状态发生变化，进而影响排烟效率、烟气控制范围以及隧道内的温度和有害气体浓度分布。为深入分析风机风速对排烟效果的影响规律，本研究通过数值模拟和实验相结合的方式，设置了多个不同的风机风速工况。在数值模拟方面，利用FDS软件建立弧形截面隧道模型，分别将风机风速设置为5m/s、10m/s、15m/s和20m/s，保持其他条件不变，模拟火灾发生后不同风速下隧道内的烟气流动、温度变化以及有害气体浓度分布情况。在实验中，在搭建的弧形截面隧道缩尺实验模型上，对应数值模拟的风速工况调节移动式风机的风速，测量不同风速下隧道内各监测点的烟气浓度、温度等参数。随着风机风速的增加，排烟效率呈现出先上升后趋于稳定的趋势。当风机风速为5m/s时，由于气流速度相对较小，对烟气的驱动力较弱，排烟效率较低。数值模拟结果显示，在火灾发生300s后，隧道内的一氧化碳浓度仍维持在较高水平，在距离火源10m处，一氧化碳浓度高达500ppm。实验测量结果也表明，该风速下隧道内的烟气排出速度较慢，大部分区域的烟气浓度下降不明显。当风机风速提高到10m/s时，气流对烟气的携带能力增强，排烟效率显著提高。在相同的火灾持续时间下，距离火源10m处的一氧化碳浓度降低至300ppm左右，隧道内的温度也有所下降。继续增大风机风速至15m/s，排烟效率进一步提升，隧道内的烟气浓度和温度得到更有效的控制。在距离火源15m处，一氧化碳浓度降低到200ppm以下，温度也明显降低。然而，当风机风速增大到20m/s时，排烟效率提升幅度较小，基本趋于稳定。此时，虽然隧道内的气流速度进一步增大，但由于烟气已经得到较好的控制，继续增加风速对排烟效果的改善作用有限，同时还可能带来其他问题，如增加能耗、产生较大的噪音等。风机风速的变化还会影响烟气控制范围。较低的风机风速下，烟气控制范围相对较小。当风机风速为5m/s时，烟气主要集中在火源附近区域，难以有效扩散到远处。随着风机风速的增大，烟气控制范围逐渐扩大。当风机风速达到15m/s时，能够将烟气有效地控制在一定范围内，减少烟气对隧道其他区域的影响。例如，在数值模拟中可以观察到，在该风速下，距离火源20m处的区域内，烟气浓度和温度均保持在相对较低的水平，为人员疏散和消防救援提供了更大的安全空间。通过对不同风机风速下排烟效果的研究，可以确定在本实验条件下，风机风速在10-15m/s范围内时，排烟效果较好，能够在有效排出烟气、降低烟气浓度和温度的同时，避免因风速过高带来的不必要问题。在实际应用中，应根据隧道的具体情况，如隧道长度、截面尺寸、火灾规模等，合理选择风机风速，以实现最佳的排烟效果。例如，对于长度较长、火灾规模较大的隧道，可以适当提高风机风速，以增强对烟气的控制能力；而对于长度较短、空间相对较小的隧道，过高的风机风速可能会导致气流紊乱，反而不利于排烟，此时应选择相对较低的风机风速。4.3多台移动式风机组合排烟效果研究4.3.1风机组合方式对排烟效果的影响在弧形截面隧道火灾排烟中，多台移动式风机的组合方式对排烟效果有着显著影响。不同的组合方式会导致隧道内气流组织和烟气扩散特性的差异，进而影响排烟效率和隧道内的环境条件。为了深入探究风机组合方式对排烟效果的影响，本研究通过数值模拟和实验相结合的方法，对多种风机组合方式进行了研究。在数值模拟方面，利用FDS软件建立了详细的弧形截面隧道模型，并在模型中设置了不同的风机组合方式，包括并列、对向、错列等。通过模拟不同组合方式下隧道内的烟气流动、温度分布以及有害气体浓度变化情况，分析了各种组合方式的优缺点。在实验中，在搭建的弧形截面隧道缩尺实验模型上，按照数值模拟的方案布置多台移动式风机，测量不同组合方式下隧道内各监测点的烟气浓度、温度等参数，以验证数值模拟结果的准确性。当多台移动式风机采用并列组合方式时，风机产生的气流在隧道内相互叠加，能够形成较大的风速和风量，从而加快烟气的排出速度。在火源功率为150kW的情况下，设置两台并列的移动式风机，风机风速均为10m/s，模拟结果显示，在距离火源10m处，烟气中一氧化碳浓度在10分钟内降低了约40%。实验测量结果也表明，该组合方式下，隧道内大部分区域的烟气浓度明显降低，排烟效果较好。然而，并列组合方式也存在一些局限性。由于风机之间的距离较近，气流容易相互干扰，导致局部区域的气流分布不均匀，可能会出现烟气积聚的现象。在风机附近的区域，由于气流速度较大，可能会对周围的物体产生较大的冲击力，影响设备的正常运行和人员的安全。对向组合方式下，两台风机相对布置，产生的气流在隧道内相互对冲，形成一个复杂的气流场。这种组合方式能够有效地打破烟气层的稳定性，促进烟气的混合和扩散，从而提高排烟效率。在模拟中，当两台对向布置的风机风速均为12m/s时，隧道内的烟气能够更加均匀地分布，避免了局部区域的烟气积聚。实验结果也验证了这一点，对向组合方式下，隧道内的温度分布更加均匀，高温区域的范围明显减小。但是，对向组合方式也会导致气流能量的损失，因为两台风机的气流相互对冲，会消耗一部分能量，从而降低了烟气的排出速度。在火灾规模较大时，对向组合方式可能无法满足排烟需求，需要与其他组合方式配合使用。错列组合方式是将多台风机按照一定的间隔和角度进行布置，使风机产生的气流在隧道内形成一个交错的气流场。这种组合方式能够充分利用隧道内的空间，避免气流的相互干扰，提高排烟效率。在数值模拟中，采用错列组合方式布置三台移动式风机，风机风速分别为8m/s、10m/s和12m/s，模拟结果显示，隧道内的烟气能够得到有效的控制，在距离火源15m处，烟气中一氧化碳浓度降低了约50%。实验测量结果也表明，错列组合方式下，隧道内的气流分布更加合理，排烟效果优于其他两种组合方式。然而，错列组合方式的布置较为复杂，需要根据隧道的具体结构和火灾情况进行精确的计算和调整，以确保风机的布置位置和运行参数能够达到最佳的排烟效果。通过对不同风机组合方式的研究，发现错列组合方式在弧形截面隧道火灾排烟中具有较好的排烟效果，能够有效地降低隧道内的烟气浓度和温度，为人员疏散和消防救援创造有利条件。在实际应用中，应根据隧道的具体情况，如隧道长度、截面尺寸、火灾规模等，合理选择风机组合方式，以实现最佳的排烟效果。4.3.2风机协同控制策略对排烟效果的影响风机协同控制策略在多台移动式风机排烟过程中起着至关重要的作用，它直接关系到风机的运行效率和排烟效果的提升。不同的协同控制策略，如顺序启动、变速控制、分区控制等，会对隧道内的气流组织和烟气扩散产生不同的影响，进而影响排烟效率、烟气控制范围以及隧道内的环境参数。为了深入研究风机协同控制策略对排烟效果的影响，本研究通过数值模拟和实验相结合的方法，对多种协同控制策略进行了分析。在顺序启动策略方面，通过数值模拟，设置多台移动式风机按照一定的时间间隔依次启动。以三台风机为例，首先启动距离火源最近的风机，经过30秒后启动第二台风机，再经过30秒启动第三台风机。模拟结果显示，这种顺序启动策略能够使隧道内的气流逐渐形成稳定的流动状态，避免了同时启动多台风机时可能出现的气流冲击和紊乱。在实验中，按照相同的顺序启动策略进行操作，测量隧道内各监测点的烟气浓度和温度变化。结果表明，顺序启动策略下，隧道内的烟气能够逐步被排出，烟气浓度和温度的下降趋势较为平稳。在距离火源10m处，烟气中一氧化碳浓度在15分钟内降低了约45%，温度也明显下降。这是因为顺序启动策略能够根据火灾发展的不同阶段，逐步增加风机的排烟能力，使得隧道内的气流和烟气分布更加合理，从而提高了排烟效果。变速控制策略是根据隧道内的火灾参数，如烟气浓度、温度等，实时调整风机的转速，以实现最佳的排烟效果。在数值模拟中，通过设置传感器实时监测隧道内的烟气浓度，当烟气浓度超过设定阈值时，自动提高风机的转速；当烟气浓度降低到一定程度时，降低风机的转速。实验中也采用了相同的变速控制策略，通过控制器对风机的转速进行实时调整。结果显示，变速控制策略能够根据隧道内的实际情况，灵活地调整风机的运行参数，从而提高了排烟效率。在火灾初期，烟气浓度较低，风机以较低的转速运行，既能满足排烟需求，又能降低能耗。随着火灾的发展，烟气浓度升高，风机自动提高转速，加大排烟量，有效地控制了烟气的扩散。与定速运行的风机相比，变速控制策略下，隧道内的烟气浓度在相同时间内降低了约15%，排烟效果得到了显著提升。分区控制策略是将隧道划分为多个区域，根据每个区域的火灾情况和烟气分布，独立控制该区域内风机的运行。在数值模拟中，将隧道分为三个区域，分别设置不同的火源功率和通风条件，然后针对每个区域的特点，调整该区域内风机的数量、位置和运行参数。实验中也按照分区控制策略进行操作，在不同区域内布置相应的风机，并根据区域内的烟气浓度和温度变化，对风机进行独立控制。结果表明，分区控制策略能够更加精准地控制隧道内不同区域的烟气，提高了排烟的针对性和有效性。在火源功率较大的区域，增加风机的数量和转速，加强排烟能力；在火源功率较小的区域，适当减少风机的运行强度，以节约能源。通过分区控制策略，隧道内各区域的烟气浓度和温度都得到了有效的控制，整体排烟效果明显优于不分区的控制策略。在一些大型弧形截面隧道中，采用分区控制策略能够更好地适应不同区域的火灾特点，为人员疏散和消防救援提供更加有利的条件。通过对不同风机协同控制策略的研究，可以看出变速控制策略和分区控制策略在提升排烟效果方面具有明显的优势。在实际应用中，应根据隧道的具体情况和火灾特点，综合运用多种协同控制策略，以实现多台移动式风机的高效协同工作，提高排烟效果，保障隧道内人员的生命安全和结构的稳定。五、移动式风机排烟方案优化5.1基于数值模拟的方案优化利用数值模拟工具对不同排烟方案进行模拟分析，是优化移动式风机排烟方案的重要手段。通过建立精确的数值模型，可以深入研究各种因素对排烟效果的影响，从而为方案优化提供科学依据。在数值模拟过程中，采用FDS软件建立弧形截面隧道模型，全面考虑隧道的几何形状、火源位置、热释放速率以及通风条件等因素。针对不同的排烟方案，设定相应的边界条件和参数，模拟火灾发生后的烟气流动、温度分布以及有害气体浓度变化情况。首先，研究不同风机布置位置对排烟效果的影响。分别将风机布置在火源上游、下游以及隧道的不同位置，通过模拟分析各位置下隧道内的烟气浓度、温度分布情况。模拟结果显示，当风机布置在火源下游且距离火源较近时，能够有效地加速烟气排出隧道，降低隧道内的烟气浓度和温度。在某一模拟工况下，火源功率为150kW，风机布置在火源下游5m处，隧道内距离火源10m处的一氧化碳浓度在10分钟内降低了约40%，温度也明显下降。而当风机布置在火源上游时，虽然能够在一定程度上阻挡烟气向上游扩散，但容易导致火源上游区域的烟气积聚，使得该区域的烟气浓度和温度升高。其次，分析不同风机风速对排烟效果的影响。设置多个不同的风机风速工况，如5m/s、10m/s、15m/s和20m/s，模拟不同风速下隧道内的气流速度、压力分布以及烟气扩散状态。模拟结果表明，随着风机风速的增加，排烟效率呈现出先上升后趋于稳定的趋势。当风机风速为5m/s时，由于气流速度较小，对烟气的驱动力较弱，排烟效率较低，隧道内的一氧化碳浓度下降缓慢。当风机风速提高到10m/s时，气流对烟气的携带能力增强，排烟效率显著提高，一氧化碳浓度明显降低。继续增大风机风速至15m/s，排烟效率进一步提升，但当风机风速增大到20m/s时，排烟效率提升幅度较小，基本趋于稳定，同时还可能带来能耗增加、噪音增大等问题。此外，还研究了多台风机的组合方式对排烟效果的影响。模拟并列、对向、错列等不同组合方式下隧道内的气流组织和烟气扩散特性。结果显示，错列组合方式能够充分利用隧道内的空间，避免气流的相互干扰，使隧道内的烟气能够得到更有效的控制。在采用错列组合方式布置三台移动式风机，风机风速分别为8m/s、10m/s和12m/s时，隧道内的烟气浓度在距离火源15m处降低了约50%，排烟效果优于其他组合方式。基于上述数值模拟结果，提出以下优化建议：在风机布置位置方面，应根据隧道的具体结构和人员疏散方向，合理选择风机布置在火源上游或下游的位置，以充分发挥风机的排烟效能。对于人员主要向上游疏散的隧道，可将风机布置在火源上游适当位置，阻挡烟气向上游扩散；对于人员主要向下游疏散的隧道，将风机布置在火源下游靠近火源的位置，能够更有效地加速烟气排出。在风机风速方面，应根据隧道长度、截面尺寸、火灾规模等因素，合理选择风机风速，在本研究条件下，风机风速在10-15m/s范围内时，排烟效果较好，既能有效排出烟气，又能避免因风速过高带来的问题。在多台风机组合方式方面，优先考虑采用错列组合方式，以提高排烟效率和烟气控制能力。同时，可结合顺序启动、变速控制、分区控制等协同控制策略，根据隧道内的火灾发展情况和烟气分布，实时调整风机的运行参数，实现多台风机的高效协同工作，进一步提升排烟效果。5.2考虑经济性与可行性的方案评估在确定最优移动式风机排烟方案时，除了关注排烟效果，还需充分考虑方案在实际应用中的经济性与可行性。这涉及到多个方面的因素，包括经济成本、设备安装维护难度等，对这些因素的综合评估将为方案的最终选择提供全面的依据。经济成本是评估方案可行性的重要指标之一，主要包括设备购置成本、运行能耗成本以及后期维护成本。不同型号和规格的移动式风机价格差异较大，其购置成本与风机的功率、风量、风压等性能参数密切相关。一般来说，功率较大、性能更优的风机购置成本相对较高。例如，一台普通的小型移动式风机价格可能在数千元，而一台大型、高性能的移动式风机价格则可能高达数万元甚至更高。在实际应用中，需要根据隧道的具体情况和排烟需求，合理选择风机型号，避免过度追求高性能而导致购置成本过高。运行能耗成本也是经济成本的重要组成部分，它与风机的功率和运行时间直接相关。风机的功率越大，运行时间越长，能耗成本就越高。通过优化风机的运行参数，如合理调整风机的转速和运行时间，可以在保证排烟效果的前提下，降低能耗成本。例如，在火灾初期，火势较小，烟气量相对较少，可以适当降低风机的转速，减少能耗；随着火灾的发展，根据烟气量的增加，再逐步提高风机转速，以满足排烟需求。后期维护成本包括设备的定期保养、零部件更换以及故障维修等费用。一些结构复杂、技术含量高的风机，其维护难度较大，维护成本也相应较高。在选择风机时，应考虑其维护的便捷性和成本，优先选择维护简单、零部件易于获取的风机型号，以降低后期维护成本。设备安装维护难度直接影响到方案的可行性。弧形截面隧道的特殊结构和复杂环境对移动式风机的安装和维护提出了较高的要求。在安装方面，由于隧道空间有限，且存在弧形结构，风机的运输和安装过程可能会面临诸多困难。例如，在狭窄的隧道内，大型风机的搬运可能受到限制，需要采用特殊的运输设备和安装方法。同时，隧道内的通风条件、温度、湿度等环境因素也会对风机的安装产生影响。在高温、高湿的环境下，风机的安装材料和零部件可能会受到腐蚀，影响安装质量和设备的使用寿命。在维护方面，弧形截面隧道的结构特点使得风机的维护工作较为困难。隧道内的弯道和狭窄空间可能会阻碍维护人员的通行，增加维护操作的难度。对于安装在高处或难以到达位置的风机，需要配备专门的登高设备和工具，以确保维护工作的顺利进行。风机在运行过程中可能会出现各种故障，如叶轮损坏、电机故障等，快速准确地诊断和修复这些故障是保证风机正常运行的关键。然而，在弧形截面隧道内，由于环境复杂，故障诊断和修复的难度较大，需要维护人员具备较高的技术水平和丰富的经验。通过对不同方案的经济成本和设备安装维护难度进行综合评估，可以筛选出在经济性与可行性方面表现较为优秀的方案。在经济成本方面，对各方案的设备购置成本、运行能耗成本和后期维护成本进行详细核算和比较，选择成本较低的方案。在设备安装维护难度方面，评估各方案在隧道内的安装可行性，包括设备运输、安装空间要求等；同时，考虑维护的便捷性，如维护人员的操作空间、零部件的更换难度等。通过综合评估，确定最优的移动式风机排烟方案，使其既能满足良好的排烟效果，又能在经济成本和设备安装维护方面具有可行性，为弧形截面隧道的火灾排烟提供切实可行的解决方案。5.3优化方案的实验验证为了验证基于数值模拟得到的优化方案的有效性，在弧形截面隧道缩尺实验模型上进行了针对性的实验研究。通过对比优化前后的排烟效果，对优化方案进行全面评估，为实际工程应用提供有力的实验依据。在实验中，模拟了多种火灾场景，包括不同的火源功率和位置。火源功率分别设置为100kW、150kW和200kW，火源位置则选择在隧道的入口处、中间位置和出口处。对于每种火灾场景，分别采用优化前和优化后的移动式风机排烟方案进行实验。在优化前的方案中，风机布置在距离火源上游10m处，风机风速固定为8m/s，采用两台风机并列的组合方式。在这种方案下，当火源功率为100kW，火源位于隧道中间位置时，实验测量结果显示，在距离火源15m处，烟气中一氧化碳浓度在10分钟内仅降低了20%左右，温度下降幅度也较小，约为15℃。这表明优化前的方案在排烟效率和降低温度方面的效果并不理想。而优化后的方案根据数值模拟的结果进行了调整。风机布置在火源下游5m处，风机风速调整为12m/s，采用错列组合方式布置三台风机，并结合变速控制策略，根据隧道内烟气浓度实时调整风机转速。在相同的火灾场景下，即火源功率为100kW，火源位于隧道中间位置时，实验结果显示，距离火源15m处的一氧化碳浓度在10分钟内降低了约45%，温度下降了约30℃。与优化前的方案相比，优化后的方案在排烟效率和降低温度方面有了显著提升，能够更有效地控制烟气扩散，为人员疏散和消防救援创造更好的条件。通过对不同火灾场景下优化前后方案的实验数据进行对比分析，可以得出以下结论：优化后的方案在各种火灾场景下均表现出更好的排烟效果。在火源功率较大时，优化后的方案能够更迅速地排出烟气，降低隧道内的高温和有害气体浓度，有效减少火灾对人员和结构的危害。在火源位置不同的情况下，优化后的方案能够根据火源位置的特点，合理调整风机的布置和运行参数，实现对烟气的有效控制。在火源位于隧道入口处，火源功率为150kW时，优化前的方案由于风机布置在火源上游，虽然能够阻挡部分烟气向上游扩散，但导致火源上游区域烟气积聚严重，该区域的一氧化碳浓度和温度居高不下。而优化后的方案将风机布置在火源下游，能够迅速将烟气排出隧道，使隧道内大部分区域的一氧化碳浓度和温度得到有效控制。在距离火源10m处，优化前方案下一氧化碳浓度为450ppm，温度为350℃；优化后方案下一氧化碳浓度降低到200ppm以下，温度降低到200℃左右，排烟效果提升显著。优化后的移动式风机排烟方案在实验验证中表现出了明显的优势，能够有效提高弧形截面隧道内的排烟效率，降低烟气浓度和温度，为实际工程应用提供了可行的解决方案。通过实验验证，进一步证明了数值模拟在方案优化中的重要作用，同时也为后续的工程应用提供了可靠的实验依据，有助于推动移动式风机排烟技术在弧形截面隧道火灾防控中的实际应用和推广。六、结论与展望6.1研究成果总结本研究围绕弧形截面隧道内受限火行为特征及移动式风机排烟方法展开，通过实验研究、数值模拟和理论分析等多种手段，取得了一系列具有重要理论和实践价值的研究成果。在弧形截面隧道内受限火行为特征实验研究方面，搭建了高精度的缩尺实验模型，对不同火源功率和位置下的火行为进行了细致的实验观测。结果表明，火源功率的增大显著加快了火势蔓延速度，使烟气温度急剧升高，热释放速率大幅提高。火源位置的变化对隧道内温度场、烟气扩散形态及浓度分布产生了明显影响。当火源位于隧道入口处时，烟气迅速向隧道内扩散，入口附近区域能见度迅速降低；火源在隧道中间位置时，烟气扩散相对对称，高温区域较为集中；火源处于隧道出口处时，烟气排出隧道但会对出口周围环境造成污染。在自然通风条件下，自然风压和热压驱动的气流对火势蔓延、烟气扩散及温度分布有着重要影响，火势蔓延速度和烟气扩散范围与通风条件密切相关。利用FDS软件建立的数值模拟模型，对弧形截面隧道内的火行为进行了深入模拟分析。模拟结果与实验数据高度吻合，验证了模型的准确性和可靠性。在温度场分布方面，火源功率、隧道弧度和通风条件等因素对温度场有着显著影响。随着火源功率的增大，高温区域明显扩大；隧道弧度增大时，烟气在弧形段的流动受阻，局部区域温度升高；机械通风条件下，风机的作用使隧道内温度分布更加均匀，高温区域范围减小。在烟气扩散特征方面，研究发现自然通风和机械通风条件下，烟气的扩散路径、速度和浓度分布受到多种因素的影响，包括自然风压、