新型UTLT類隧道火災(zāi)煙氣輸運特性與優(yōu)化控制研究項目摘要

新型城市地下交通聯(lián)系隧道（Urban Traffic Link Tunnel，以下簡稱UTLT）與常規(guī)隧道相比，具有獨特的本體形狀、使用功能及結(jié)構(gòu)特點，存在更大的火災(zāi)事故風(fēng)險，需要更高的消防安全目標(biāo)。本項目以提高UTLT類隧道消防安全水平為目標(biāo)，開展具有UTLT類隧道特色的消防安全研究工作。.通過理論分析、全尺寸試驗以及數(shù)值模擬等方法，闡析火災(zāi)煙氣層在UTLT隧道的動力學(xué)發(fā)展過程，建立UTLT類隧道煙氣溫度分布規(guī)律、煙氣層蔓延及層化特性的理論預(yù)測模型；拓展縱向式通風(fēng)臨界風(fēng)速理論，得到UTLT環(huán)形主隧道臨界風(fēng)速的經(jīng)驗預(yù)測模型；揭示隧道結(jié)構(gòu)特點、不同防排煙方案對煙氣輸運過程的影響；尋求典型火災(zāi)場景下，煙氣優(yōu)化控制方案。研究成果將有助于掌握UTLT類隧道火災(zāi)煙氣輸運特性，有助于推進UTLT類隧道消防安全保障體系的建立，為UTLT類隧道防火設(shè)計規(guī)范的制定提供可靠的理論與技術(shù)支持。

UTLT隧道火災(zāi)的頂棚最高溫度、頂棚火焰長度、煙氣回流長度與限制風(fēng)速、煙氣控制方案及排煙效率對于掌握UTLT類隧道火災(zāi)煙氣輸運特性，推進UTLT類隧道消防安全保障體系的建立具有重要意義，并為UTLT類隧道防火設(shè)計規(guī)范的制定提供可靠的理論與技術(shù)支持。 本項目通過FDS數(shù)值模擬計算，考慮了火源高度和隧道高寬比，引入新的當(dāng)量直徑的計算方法，建立了UTLT類隧道火災(zāi)最高溫度預(yù)測模型。與實驗值比較，結(jié)果表明，理論模型的預(yù)測值與實驗測量值吻合較好。該模型可用于UTLT類隧道頂部防火保護的工程計算。通過FDS數(shù)值模擬計算，對不同當(dāng)量直徑及高寬比的UTLT類隧道，在不同的熱釋放速率及徑向速度情況下，建立了在較高和較低的的徑向速度下火焰長度預(yù)測模型。通過與其他學(xué)者的模型進行比較，分析了不同參量對上下游火焰長度的影響。該模型可用于UTLT類隧道發(fā)生火災(zāi)時不同工況下火焰長度的計算。通過量綱分析方法、FDS數(shù)值模擬計算，在不同當(dāng)量直徑及高寬比和不同的熱釋放速率及徑向速度情況下，建立了UTLT類隧道火災(zāi)煙氣回流預(yù)測模型。與實驗值比較，結(jié)果表明，理論模型的預(yù)測值與實驗測量值吻合較好。進而推導(dǎo)出了UTLT類隧道限制速度的預(yù)測模型。該模型可用于UTLT類隧道排煙設(shè)計的工程計算。通過對北京市與CBD UTLT相似的兩條地下公路隧道進行的實體通風(fēng)測試及數(shù)值仿真研究，認識了軸流風(fēng)機在風(fēng)口處設(shè)置百葉后對隧道內(nèi)速度場分布的影響，以及射流風(fēng)機與軸流風(fēng)機綜合作用下的速度場分布，并獲得了軸流風(fēng)機與射流風(fēng)機模型建立以及邊界條件的設(shè)置方法。該方法可直接用于CBD UTLT煙氣控制的模擬研究或其它同類型隧道的通風(fēng)、防排煙設(shè)計研究。將CBD UTLT隧道劃分成9個排煙區(qū)段；并從9個區(qū)段中選取5個作為該隧道的典型火災(zāi)場景；對每一個火災(zāi)場景通過穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的模擬，并結(jié)合最優(yōu)煙氣控制方案的標(biāo)準，得出對應(yīng)的“合理”煙氣控制方案。根據(jù)北京市某UTLT隧道中排煙口的設(shè)置特點，利用FDS建立三種不同類型的排煙口，對三種排煙口隧道內(nèi)的煙氣分布進行數(shù)值模擬，通過對比分析煙氣溫度、速度、能見度等參數(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)模式下，在側(cè)壁位置最高的排煙口的開啟方式最佳，更有利于隧道內(nèi)煙氣快速集中地由排煙口排出，排煙效果更好。在側(cè)壁位置最低的排煙口排煙效率最差。 2100433B

城市軌道交通因其運量大、速度快、節(jié)能和環(huán)保等特點，已成為現(xiàn)代城市公共交通系統(tǒng)的骨干。近年來隨著長大區(qū)間隧道的出現(xiàn)，其火災(zāi)煙氣輸運規(guī)律，受到高度關(guān)注。本項目基于理論分析結(jié)合小尺寸實驗和數(shù)值模擬結(jié)果，深入研究了長大區(qū)間隧道煙氣輸運規(guī)律。開展的主要研究包括：1）針對長大區(qū)間隧道中出現(xiàn)的單洞雙向加中隔墻的非對稱斷面隧道，開展了非對稱斷面隧道火災(zāi)煙氣輸運規(guī)律研究；2）針對目前大量關(guān)注火源下游的溫度分布忽視火源上游溫度分布的情況，開展了長大地鐵區(qū)間隧道縱向通風(fēng)下火源上下游頂棚溫度分布研究；3）針對長大區(qū)間隧道縱向通風(fēng)下火源下游的煙氣出現(xiàn)的分層沉降現(xiàn)象，開展了下游煙氣分層規(guī)律及煙氣層高度計算方法研究； 4）對于無中間豎井長大區(qū)間隧道設(shè)置射流風(fēng)機接力排煙的情況，開展了火災(zāi)情況下控制煙氣的最佳風(fēng)機間距設(shè)置研究；5）針對無中間豎井長大區(qū)間隧道會出現(xiàn)多列列車追蹤運行的特殊情況，開展了多車運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)變化規(guī)律及其影響因素研究；6）針對隧道火災(zāi)中的煙氣控制問題，開展了新型擋煙方式——空氣幕，在隧道火災(zāi)中擋煙可行性研究；7）對于山地城市中新出現(xiàn)的一端封堵的特殊隧道，開展了發(fā)生火災(zāi)情況下的溫度分布研究；8）對于連接長大區(qū)間隧道的深埋車站，開展了站臺發(fā)生火災(zāi)煙氣流動規(guī)律和煙氣控制研究。上述系列的研究為優(yōu)化長大區(qū)間隧道煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計和和運行管理提供了理論撐。 2100433B

城市軌道交通因其運量大、速度快、節(jié)能和環(huán)保等特點，已成為現(xiàn)代城市公共交通系統(tǒng)的骨干。近年來隨著長大區(qū)間隧道的出現(xiàn)，其火災(zāi)煙氣輸運規(guī)律，受到高度關(guān)注。目前有關(guān)長大隧道煙氣輸運規(guī)律的研究主要針對長大公路、鐵路隧道，而對長大區(qū)間隧道煙氣輸運規(guī)律缺乏系統(tǒng)深入的研究。本項目在理論分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建典型長大區(qū)間隧道物理模型和數(shù)學(xué)模型，搭建反映隧道長度和沿程阻力特征的小尺寸實驗平臺，建立適用于長大區(qū)間隧道的場網(wǎng)-耦合計算模型。通過小尺寸實驗和數(shù)值模擬，研究長大區(qū)間隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度場、速度場、壓力場的分布，獲得隧道長度、火源條件、通風(fēng)條件多因素影響下的長大區(qū)間隧道煙氣輸運規(guī)律，為優(yōu)化長大區(qū)間隧道煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計和和運行管理提供理論支撐。

設(shè)置救援站是確保特長鐵路隧道火災(zāi)時人員安全疏散與緊急救援的關(guān)鍵措施，而對火災(zāi)時救援站內(nèi)煙氣流動特性及控制規(guī)律的研究則是實現(xiàn)順利救援的必要前提。本項目基于火災(zāi)燃燒理論、流動傳熱理論、模型試驗方法及相似理論、流動傳熱及燃燒數(shù)值計算和網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)理論，通過量綱分析建立了特長隧道救援站火災(zāi)模型試驗方法、救援站火災(zāi)煙氣流動數(shù)值計算方法及縮尺比為1/20、采用丙烷作為火源的火災(zāi)模型試驗臺；然后采用模型試驗和數(shù)值計算，對特長鐵路隧道內(nèi)救援站火災(zāi)煙氣流動特性及控制規(guī)律進行了試驗和計算分析，研究了不同火災(zāi)強度和通風(fēng)風(fēng)速下救援站煙氣擴散規(guī)律及橫通道煙氣控制方法；最后根據(jù)不同救援站模式及通風(fēng)方案下特長隧道內(nèi)救援站煙氣流動及控制規(guī)律計算結(jié)果，研究救援站模式確定方法及相應(yīng)的最優(yōu)火災(zāi)通風(fēng)方案。本項目的研究成果不僅可以完善我國高速鐵路特長隧道通風(fēng)及火災(zāi)研究理論，同時也可為特長鐵路隧道通風(fēng)規(guī)范的完善提供理論支持和技術(shù)參考。 2100433B