【摘要】：為滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通運(yùn)力提升的迫切需求,以及緩解日益嚴(yán)峻的日常交通壓力,越來越多的公路隧道不斷涌現(xiàn)并被投入使用。由于隧道的狹長結(jié)構(gòu)特點(diǎn),一旦發(fā)生火災(zāi),高溫有毒有害煙氣會沿著頂棚向隧道兩端蔓延�；馂�(zāi)產(chǎn)生的煙氣若無法及時(shí)排出,煙氣會在隧道頂棚積聚,導(dǎo)致隧道煙氣濃度及煙氣層厚度的增加,嚴(yán)重影響火災(zāi)救援及疏散逃生。因此,需要在隧道內(nèi)加裝一定的防排煙系統(tǒng)。公路隧道常用的防排煙系統(tǒng)主要有兩種,一種是采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)的機(jī)械排煙系統(tǒng),一種是采用頂部開口或垂直豎井的自然排煙系統(tǒng)。機(jī)械排煙系統(tǒng)由于安裝及維護(hù)成本高,且啟動后會造成火源下風(fēng)向煙氣層紊亂,加重火源下風(fēng)向的受災(zāi)群眾救援逃生難度等問題廣受詬病。因此,排煙性能穩(wěn)定、建造成本低且不需要后續(xù)維護(hù)的自然排煙豎井受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而,豎井型自然排煙系統(tǒng)也有其劣勢,排煙過程中伴隨出現(xiàn)的吸穿現(xiàn)象和邊界層分離現(xiàn)象,導(dǎo)致豎井型自然排煙系統(tǒng)性能較低,嚴(yán)重抑制了豎井型自然排煙系統(tǒng)的發(fā)展。因此,發(fā)展可提高傳統(tǒng)豎井排煙性能的新型豎井排煙方法、揭示其影響機(jī)制并提出推薦設(shè)計(jì)方法,無疑具有較高的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。基于此,本文提出了一種板-豎井耦合的自然排煙方法(Board-coupled shaft,BCS),研究揭示了火源功率、通風(fēng)條件、薄板尺寸、薄板安裝位置及火源位置等對其排煙性能的影響機(jī)制,并給出了相應(yīng)的推薦設(shè)計(jì)參數(shù)。開展的主要研究上作包括:一、搭建了 1:15縮尺度隧道模擬實(shí)驗(yàn)臺,并在此試驗(yàn)臺上開展了火災(zāi)煙氣在隧道頂棚蔓延特性的研究。通過文獻(xiàn)調(diào)研,前人在研究頂棚煙氣運(yùn)動特性時(shí)采用的燃料種類繁雜,但前人并未考慮燃料燃燒特性對煙氣運(yùn)動特性的影響。此外,在之前的實(shí)驗(yàn)分析及模型建立中均采用頂棚高度作為特征高度,未考慮到隧道等受限空間與非受限空間因結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的排煙補(bǔ)風(fēng)模式上的差異。木文通過縮尺度隧道模型試驗(yàn),研究了燃料種類對隧道頂棚煙氣溫度和速度分布的影響。研究結(jié)果表明:隧道頂棚煙氣溫度分布受燃料種類影響較小,而隧道頂棚煙氣速度分布受燃料種類影響較大。最后,基于前人研究基礎(chǔ),建立了基于甲醇火和柴油火的無量綱頂棚煙氣速度預(yù)測模型。二、開展了 FireDynamicSimulator(FDS)全尺度隨道數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),研究了傳統(tǒng)豎井的排煙模式和排煙特性。通過改變火源熱釋放速率及縱向風(fēng)風(fēng)速,研究了火源熱釋放速率及縱向風(fēng)對傳統(tǒng)豎井排煙性能的影響。結(jié)果表明:隨著火源功率的增加,傳統(tǒng)豎井排煙性能得到提升,但排煙效率幾乎不變;此外,當(dāng)隧道內(nèi)有縱向通風(fēng)時(shí),豎井吸穿現(xiàn)象會得到抑制,但同時(shí)邊界層分離現(xiàn)象也會得到強(qiáng)化。隨著縱向風(fēng)風(fēng)速的增加,傳統(tǒng)豎井排煙能力整體呈現(xiàn)下降趨勢;但當(dāng)縱向風(fēng)速較小時(shí),縱向風(fēng)有助于傳統(tǒng)豎井排煙。三、開展了FDS全尺度隧道數(shù)值模擬,研究了 BCS的排煙模式和排煙特性。針對傳統(tǒng)豎井排煙過程中影響其排煙性能的吸穿現(xiàn)象和邊界層分離現(xiàn)象,本文通過在豎井下方一定距離處安裝一塊大小適宜的薄板,抑制或消除了吸穿現(xiàn)象對豎井排煙的影響,提高了豎井排煙性能。此外,本文研究了火源功率和隧道縱向風(fēng)風(fēng)速對BCS排煙性能及豎井內(nèi)部流場分布情況的影響,模擬結(jié)果驗(yàn)證了 BCS的可行性和優(yōu)越性。此外,研究發(fā)現(xiàn),BCS排煙性能隨著火源功率的增大而提升,且薄板位置(hD)對BCS排煙性能影響較大。在本文測試的工況中,當(dāng)hD=0.45m時(shí),BCS排出CO的量約為傳統(tǒng)豎井的1.55-1.61倍。除此之外,當(dāng)隧道內(nèi)有縱向風(fēng)時(shí),BCS排煙能力隨著縱向風(fēng)增加而減小。四、通過開展縮尺度隧道模型實(shí)驗(yàn)研究了薄板尺寸,薄板安裝高度以及火源與豎井相對位置對BCS排煙的影響。并在激光片光的輔助下,采集了不同條件下傳統(tǒng)豎井和BCS排煙時(shí)豎井及隧道內(nèi)部的流場圖像。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,揭示了薄板尺寸以及薄板安裝位置對BCS排煙性能的影響。此外,基于相關(guān)理論分析,得出了 BCS排煙機(jī)理及模式。研究結(jié)果表明:BCS排煙過程受煙囪效應(yīng)和堵塞效應(yīng)共同控制,因此在使用BCS時(shí),需要對薄板尺寸、厚度及安裝位置進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇。此外,研究結(jié)果表明:隨著火源與豎井之間的距離增大,BCS的排煙性能逐漸降低。因此,在對BCS進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝時(shí)需考慮兩相鄰豎井的有效距離。最后,基于相關(guān)假設(shè)與分析,建立了一般條件下預(yù)測豎井無量綱體積流量的解析模型。基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),構(gòu)建了預(yù)測特定隧道BCS排煙的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br>【圖文】：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑類火災(zāi)事故中８５％的人員煙氣［Ｉ］。因此，研究隧道火災(zāi)的煙氣輸運(yùn)規(guī)律及意義。逡逑成因逡逑發(fā)因素很多，引發(fā)火災(zāi)的原因也多種多樣，且具一般來說可以分為以下幾類：逡逑，這也是隨道火災(zāi)事故頻發(fā)最主要的原因。當(dāng)車一定條件下會引燃車內(nèi)載有的可燃物或易燃易爆美國紐約的霍竺隧道火災(zāi)（１９４９邋），福建盤陀山隧道火災(zāi)（２０１４），這些災(zāi)難事故都是由于隧道內(nèi)。高溫天氣，車輛長時(shí)間行駛后，因散熱不充分，路過熱，此時(shí)若電路系統(tǒng)發(fā)生漏電或其他狀況，。逡逑

、ｕＴｕ．，＿ｌ「ｌ豎井自然排煙逡逑■邋N自狄排煙邐邐邐邐逡逑￣隧道兩端自然排煙逡逑圖丨．２各類隧道通風(fēng)排煙方式逡逑．邋１縱向通風(fēng)排煙逡逑縱向排煙系統(tǒng)中，射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)勁風(fēng)力被用來控制煙氣流動，并毒有害煙氣。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在礦井巷道內(nèi)擁有很久的歷史，然而，，世界上第一座現(xiàn)代意義上擁有機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的鐵路隧道才在英國（Ｅｄｇｅ邋ｈｉｌｌ邋Ｕｍｎｅｌ），當(dāng)初安裝的初衷是排出由于蒸汽機(jī)燃燒產(chǎn)生的煙氣［３縱向通風(fēng)排煙主要有以下幾種：逡逑１）點(diǎn)射式縱向排煙系統(tǒng)。這種通風(fēng)排煙系統(tǒng)需在隧道入口上方設(shè)置一井，通過Ｓａｃｃａｒｄｏ噴嘴將高速氣流射入隧道。點(diǎn)射式縱向通風(fēng)排煙系地組織縱向氣流進(jìn)行通風(fēng)排煙，然而，，單獨(dú)的Ｓａｃｃａｒｄｏ噴嘴能產(chǎn)生的限的，因此只適用于短程隧道。當(dāng)然，如果點(diǎn)射式縱向通風(fēng)系統(tǒng)與射系統(tǒng)合用時(shí)，也可用在遠(yuǎn)程隧道中，如圖１．３。逡逑Ｓａｃｃａｒｄｏ邋噴嘴逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U458

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本文編號：2596064