【摘要】：在世界各國(guó),越來越多的隧道已經(jīng)或正在被建造,這對(duì)緩解城市的交通壓力和促進(jìn)貨物的運(yùn)輸都發(fā)揮了巨大的作用。但是由于隧道狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),一旦隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故,便有可能造成群死群傷的后果,因此,隧道火災(zāi)一直以來都是各國(guó)交通部門關(guān)注的重大問題之一。前人對(duì)隧道火災(zāi)動(dòng)力學(xué)和控制技術(shù)的研究大部分是基于縱向通風(fēng)、自然通風(fēng)等良好通風(fēng)條件下開展的,而有關(guān)隧道兩端開口處于不同程度封閉或封堵狀態(tài)下的隧道火災(zāi)研究十分少見。典型的受限出口邊界下隧道(或狹長(zhǎng)腔室)火災(zāi)場(chǎng)景有地鐵列車車廂火災(zāi)、兩端防火門關(guān)閉后的建筑走廊火災(zāi)、地下管廊火災(zāi)、煤礦巷道火災(zāi)、在建隧道火災(zāi)、出口被封堵后的隧道火災(zāi)等�；趥鹘y(tǒng)隧道的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)理論可能不再適用于受限出口邊界下的隧道火災(zāi)。對(duì)該類型隧道火災(zāi)的研究對(duì)于進(jìn)一步充分理解受限出口邊界下隧道火災(zāi)的特點(diǎn)、發(fā)展火災(zāi)控制技術(shù)等都具有重要的意義。因此,本論文以揭示受限出口邊界下隧道火災(zāi)火行為和煙氣輸運(yùn)規(guī)律為目標(biāo),采用縮尺寸實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法,從以下幾個(gè)方面開展研究:一.利用收集的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)雜邊界下(通風(fēng)+隧道)池火燃料單位面積質(zhì)量損失速率(m")的尺寸效應(yīng)開展研究,作為隧道火災(zāi)相似性理論的進(jìn)一步拓展,為后續(xù)縮尺寸實(shí)驗(yàn)的開展和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了一定的依據(jù)和參考。研究結(jié)果表明當(dāng)小尺寸池火(直徑D1 m,尤其是在D0.2 m時(shí))出現(xiàn)在開敞環(huán)境時(shí),通風(fēng)會(huì)顯著提高油池燃料的傳導(dǎo)和對(duì)流熱反饋(主導(dǎo)),燃料m"會(huì)隨著風(fēng)速的增加而顯著增加(可高達(dá)數(shù)倍)。但當(dāng)小尺寸池火出現(xiàn)在隧道內(nèi)時(shí),如果油池表面非�？拷淼理斉�(如H2f/D3),來自頂棚的輻射是主要的熱反饋模式,燃料m"明顯高于對(duì)應(yīng)的開敞自由燃燒測(cè)試結(jié)果(可高達(dá)數(shù)倍)。此時(shí)通風(fēng)會(huì)因頂棚輻射水平的下降而降低燃料m",但隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加,燃料m"會(huì)因傳導(dǎo)和對(duì)流熱反饋的增加而增加。通風(fēng)對(duì)燃料m"的影響均隨著油池直徑的增加而減小,當(dāng)油池直徑超過1 m后,來自火焰自身的熱輻射是最主要的熱反饋模式,燃料m"隨風(fēng)速通常在±30%的范圍內(nèi)波動(dòng)。二.利用模型尺寸隧道對(duì)完全封閉條件下的隧道火災(zāi)(火源功率較小的小火)火焰形態(tài)和頂棚下方最高煙氣溫升規(guī)律開展研究。研究結(jié)果表明當(dāng)火源遠(yuǎn)離隧道的縱向中間位置時(shí),火焰兩側(cè)流場(chǎng)不對(duì)稱,火焰會(huì)向隧道近壁端傾斜,傾斜角度隨著火源遠(yuǎn)離隧道中間距離的增加而增加。在區(qū)域Ⅰ(0≤d'≤0.64)內(nèi),最高煙氣溫升隨無量綱火源距離(d')的增加而下降(火焰傾斜效應(yīng)主導(dǎo)),在區(qū)域Ⅱ(0.64d'1)內(nèi),最高煙氣溫升隨無量綱火源距離的增加而增加(煙氣熱積聚效應(yīng)主導(dǎo))。基于火焰傾斜的物理機(jī)制,提出了等效通風(fēng)速度的概念,建立了適用于區(qū)域Ⅰ的頂棚下方最高煙氣溫升預(yù)測(cè)模型。在該模型的基礎(chǔ)上,通過引入熱積聚效應(yīng)修正因子,獲得了適用于區(qū)域Ⅱ的最高煙氣溫升預(yù)測(cè)模型。量綱分析結(jié)果表明歸一化的最高煙氣溫升在區(qū)域Ⅰ內(nèi)隨無量綱火源距離呈指數(shù)衰減規(guī)律。三.利用模型尺寸隧道對(duì)封堵率和封堵時(shí)刻對(duì)隧道火災(zāi)(火源功率較大的大火)發(fā)展的耦合控制規(guī)律開展研究。研究結(jié)果表明封堵隧道出口可以降低燃料的質(zhì)量損失速率和隧道頂棚溫度,無論是對(duì)于完全封堵還是不完全封堵,均是封堵時(shí)刻越早,火災(zāi)控制效果越好。對(duì)于不完全的隧道封堵,當(dāng)封堵出現(xiàn)在火災(zāi)的猛烈燃燒階段時(shí),其不僅不會(huì)限制火災(zāi)強(qiáng)度的增長(zhǎng),還會(huì)在隧道出口處誘導(dǎo)產(chǎn)生超過1000 ppm的CO有毒氣體和強(qiáng)烈的頂棚射流火焰,這將對(duì)隧道出口處的救援工作產(chǎn)生威脅。此外,在不完全的封堵后,從隧道出口流出的火災(zāi)煙氣并不會(huì)在慣性力的作用下繼續(xù)向前蔓延一段距離,而是在外界補(bǔ)給空氣和封堵物遮擋的共同作用下立即沿豎向上升,這也是在救援過程中需要注意的特殊現(xiàn)象。四.利用模型尺寸和中尺寸隧道對(duì)通風(fēng)控制隧道火災(zāi)出現(xiàn)的臨界條件和燃料規(guī)律開展研究。研究結(jié)果表明在受限出口邊界下,火災(zāi)燃燒產(chǎn)物在隧道內(nèi)不斷積聚,污染了燃燒環(huán)境并稀釋了火焰附近的O2濃度,加快了通風(fēng)控制隧道火災(zāi)的出現(xiàn),因此,出現(xiàn)通風(fēng)控制隧道火災(zāi)的臨界燃料/通風(fēng)當(dāng)量比在0.53-0.6之間,低于理論值1。對(duì)于早期為通風(fēng)控制的隧道火災(zāi),隨著火焰附近O2體積分?jǐn)?shù)的下降,燃料質(zhì)量損失速率也會(huì)降低,此時(shí)有限的通風(fēng)率會(huì)接近于對(duì)燃料蒸汽完全燃燒的需求,即通風(fēng)控制隧道火災(zāi)從早期的不充分燃燒轉(zhuǎn)化為充分燃燒(從燃料/通風(fēng)計(jì)量比變化的角度講,可以認(rèn)為早期為通風(fēng)控制的隧道火災(zāi)最終轉(zhuǎn)化為燃料控制的隧道火災(zāi)),因此,整個(gè)燃燒過程中并沒有出現(xiàn)呈倍數(shù)顯著增加的CO產(chǎn)率。五.利用模型尺寸在建隧道對(duì)通風(fēng)控制隧道火災(zāi)中火焰發(fā)生自熄的臨界條件和影響因素開展研究。研究結(jié)果表明當(dāng)火災(zāi)出現(xiàn)在水平隧道時(shí),火焰發(fā)生自熄的臨界條件和燃料種類有關(guān),丙烷氣體火源和浸漬過正庚烷的纖維板火源火焰發(fā)生自熄的臨界燃料/通風(fēng)當(dāng)量比分別在0.28-1.38和1.11-3.6范圍內(nèi)。此外,火焰發(fā)生自熄時(shí)的臨界O2體積分?jǐn)?shù)在12-15%之間。在水平隧道內(nèi),煙氣的分層結(jié)構(gòu)在撞擊到隧道端墻后會(huì)被破壞,進(jìn)而在隧道的整個(gè)橫截面內(nèi)沿縱向蔓延,煙氣蔓延速度正比于機(jī)械通風(fēng)率。當(dāng)火災(zāi)出現(xiàn)在傾斜隧道的低端封閉面時(shí),即使是在通風(fēng)率為0 m3/s時(shí),火焰也沒有發(fā)生自熄�；馂�(zāi)煙氣蔓延速度高于對(duì)應(yīng)的水平隧道結(jié)果,這是由傾斜隧道在縱向方向上具有浮力分量這一特點(diǎn)造成的。另外,火焰后方并不會(huì)形成燃燒產(chǎn)物的再循環(huán),這兩個(gè)特點(diǎn)增加了流出傾斜隧道出口煙氣的溫度,反過來促進(jìn)了隧道的自然通風(fēng)水平,進(jìn)而提高了火焰附近的02體積分?jǐn)?shù)。
【圖文】：

快將乘客們包圍起來。由于車廂的門和窗無法打開，同時(shí)四周一片漆黑，不易逡逑逃生，最終導(dǎo)致很多人直接葬身在火海和有毒煙氣之中。事故最終共造成５５８逡逑人死亡、２６９人受傷［１１］。圖１．２展示了阿塞拜疆巴庫地鐵隧道火災(zāi)的災(zāi)后場(chǎng)景。逡逑ＥＫ逡逑圖１．２阿塞拜疆巴庫地鐵隧道火災(zāi)逡逑（３）鐵路隧道逡逑鐵路隧道在寬度上也相對(duì)狹窄，屬于瘦高型的隧道。鐵路列車一方面具有逡逑輸送乘客的功能，這一點(diǎn)類似于地鐵列車。而鐵路列車的另一個(gè)功能是運(yùn)輸貨逡逑物，其可能同時(shí)攜帶十幾節(jié)車廂的可燃材料貨物甚至幾十節(jié)的油罐。一旦可燃逡逑貨物甚至油品泄露遇明火引發(fā)火災(zāi)，其火災(zāi)具有過火面積大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、燃逡逑燒強(qiáng)度高等特點(diǎn)，同時(shí)伴有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此，逡逑用于輸運(yùn)貨物的重載鐵路隧道火災(zāi)同樣值得高度關(guān)注。一起典型的重載鐵路隧逡逑道火災(zāi)案例是１９９０年發(fā)生在中國(guó)四川的梨子園隧道火災(zāi)。當(dāng)時(shí)由４６節(jié)航空汽逡逑油槽車和９節(jié)貨車編組的０２０１次列車行至四川萬源縣境內(nèi)的梨子園隧道內(nèi)后發(fā)逡逑生火災(zāi)和爆炸，事故共造成４人死亡、１４人受傷、１８節(jié)油槽車和５節(jié)貨車遭到逡逑不同程度損壞，使襄渝鐵路停運(yùn)２４天。事故原因是油罐閥門泄露導(dǎo)致汽油和逡逑油氣外溢

快將乘客們包圍起來。由于車廂的門和窗無法打開，同時(shí)四周一片漆黑，不易逡逑逃生，最終導(dǎo)致很多人直接葬身在火海和有毒煙氣之中。事故最終共造成５５８逡逑人死亡、２６９人受傷［１１］。圖１．２展示了阿塞拜疆巴庫地鐵隧道火災(zāi)的災(zāi)后場(chǎng)景。逡逑ＥＫ逡逑圖１．２阿塞拜疆巴庫地鐵隧道火災(zāi)逡逑（３）鐵路隧道逡逑鐵路隧道在寬度上也相對(duì)狹窄，，屬于瘦高型的隧道。鐵路列車一方面具有逡逑輸送乘客的功能，這一點(diǎn)類似于地鐵列車。而鐵路列車的另一個(gè)功能是運(yùn)輸貨逡逑物，其可能同時(shí)攜帶十幾節(jié)車廂的可燃材料貨物甚至幾十節(jié)的油罐。一旦可燃逡逑貨物甚至油品泄露遇明火引發(fā)火災(zāi)，其火災(zāi)具有過火面積大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、燃逡逑燒強(qiáng)度高等特點(diǎn)，同時(shí)伴有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此，逡逑用于輸運(yùn)貨物的重載鐵路隧道火災(zāi)同樣值得高度關(guān)注。一起典型的重載鐵路隧逡逑道火災(zāi)案例是１９９０年發(fā)生在中國(guó)四川的梨子園隧道火災(zāi)。當(dāng)時(shí)由４６節(jié)航空汽逡逑油槽車和９節(jié)貨車編組的０２０１次列車行至四川萬源縣境內(nèi)的梨子園隧道內(nèi)后發(fā)逡逑生火災(zāi)和爆炸，事故共造成４人死亡、１４人受傷、１８節(jié)油槽車和５節(jié)貨車遭到逡逑不同程度損壞，使襄渝鐵路停運(yùn)２４天。事故原因是油罐閥門泄露導(dǎo)致汽油和逡逑油氣外溢
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U458.1

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9 成維川;龔成鈺;周汝;權(quán)眾林;諸_持

本文編號(hào)：2622903