横流、多汇耦合作用下隧道火灾烟气迁移与控制机理研究

本课题以前期研究为基础，采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，系统地开展横流、多汇耦合作用下隧道火灾热烟气迁移规律及控制参数优化设计研究，为集中排烟隧道结构防火、逃生救援设计、排烟效率评价提供了重要的理论依据。建立横流作用下热烟羽受限扩散物理模型，对近火源隧道衬砌表面热参数进行理论预测。搭建缩尺模型实验台，实测得到大尺度排风口烟阻塞临界烟层厚度、空气卷吸率随风口Fr数、长宽比、烟层厚度比的无量纲实验关联式。实测整理顶板下方烟气温升、火焰长度、风口上下游烟气扩散距离、热烟层沉降速度随火灾强度、横流风速、排烟量的无量纲实验关联式，及火源位置修正系数。借助经实验验证CFD模拟预测近火源衬砌表面热参数，多风口排烟分配特性，热烟气分层、沉降及水平扩散特性，完成耦合风扰作用下烟气迁移影响因素分析，进一步丰富理论模型、实验研究成果，整理得到适于工程应用的排烟系统优化控制参数无量纲准则关联式。

本课题以前期研究为基础，采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，系统地开展横流、多汇耦合作用下隧道火灾热烟气迁移规律及控制参数优化设计研究，为集中排烟隧道结构防火、逃生救援设计、排烟效率评价提供了重要的理论依据。提出半经验隧道火灾燃烧参数预测模型，横流作用下热烟羽偏转预测模型，对近火源顶板下方烟气热参数进行理论预测。顶板下方烟气最大温升、偏移距离预测值，与已有实验数据相比，具有较好一致性，验证理论模型可靠性。借助CFD模拟，预测火源羽流轴线温升、偏转轨迹随横流风速、火灾强度变化规律，指出横流作用下偏转火焰可分为连续火焰区、间歇火焰区、浮力羽流区，引入风速修正，整理得到分区轴线温升无量纲准则关联式。提出一种新的火源设计构想：基于燃烧化学反应方程式、经典火灾燃烧实验数据，计算得到不同火灾强度燃烧参数，将火源模化为强热源诱导的高温浮射流。根据密度修正弗诺德准则设计热态火灾实验，搭建1/14几何缩尺、1/8温差缩尺、0.145速度缩尺的复合排烟实验台。实测隧道内热烟气温度场、速度场并完成CFD模拟的实验验证。整理得到顶板下方烟气温升水平衰减规律，风口上下游烟气扩散距离、温度垂直衰减系数随横流风速、排烟量的变化关系。根据等温弗诺德准则，搭建风口烟阻塞实验模型实验台，实测风口下方烟气温度、烟层厚度，整理得到大尺度排风口烟阻塞临界烟层厚度随随风口Fr数、长宽比的无量纲实验关联式。实测风口下方、烟道CO2浓度，整理得到风口空气卷吸率随烟层厚度比的无量纲实验关联式。实测火源顶板下方烟气温升水平衰减规律，整理得到顶板下方最大烟气温升随火灾强度、横流风速、排烟量的无量纲实验关联式。实测近火源局部总热流、辐射热流量，整理得到辐射系数随距火源距离的变化规律。结合某长大隧道设计参数，借助CFD模拟，预测风口风量分配、排风温度、效率、水平扩散距离等量的变化。引入风口烟气水平、垂直衰减系数，定量比较隧道内热烟气温度、浓度衰减相对速率关系，以及随火源位置、耦合风扰组合的变化规律。基于烟控参数寻优目标，计算得到不同火灾热释放速率、隧道坡度、坡向、风口间距变化下优化烟控参数，整理得到适用于工程应用的无量纲准则关联式。