非稳态耦合气流作用下地铁隧道火灾点式排烟的烟气迁移特性研究

Because of the train tracking running in the long subway tunnel, it must be sure that the hot smoke can’t reach the tracking train when the fire occurs on the tracked train. At present, the point extraction ventilation is the best way to control the smoke, while the conventional longitudinal ventilation can not meet the smoke control requirements in the long subway tunnel fires. However, the point extraction ventilation in the subway tunnel is still a trail in the practical application, with very few studies focusing on. In this work, the smoke characteristics in the tunnel fires with point extraction ventilation will be investigated using theoretical analysis, reduced-scale experiments and numerical simulations. The smoke propagation pattern without the influence of piston wind will be studied to illustrate the dual effect of air exhaust at the opening on the smoke diffusion. The coupling effect of air exhaust at the opening and the unsteady piston wind on the smoke diffusion will be analyzed. The characteristics of smoke diffusions under the effects of some influencing factors will be researched to explore the relevance between the smoke diffusion and the unsteady wind. Based on the above mentioned research and the theories of air flow, heat transfer and fire dynamics, the semi-empirical model for predicting the smoke diffusions in tunnel fires with point extraction ventilation will be developed. The data from the experiments and numerical simulations will be used to validate and optimize the prediction model. This research will enrich the theory of tunnel fires, and provide the theory for the practical application of the point extraction ventilation system in subway tunnel fires.

长大地铁隧道内存在多车追踪的现象，当前方列车发生火灾时，必须确保火灾烟气无法扩散至追踪列车。传统的纵向通风方式难以直接满足上述烟气控制要求，点式排烟是目前极具潜力的技术措施。针对地铁隧道火灾点式排烟系统尚处于工程尝试阶段，无法达到通用理性设计的现状，本课题拟采用理论分析、模型试验和数值计算相结合的方法，研究地铁隧道点式排烟的烟气迁移特性。具体包括：研究无活塞风影响时的隧道烟气扩散规律，阐明风口排风对隧道烟气蔓延的双重作用机制；分析风口排风与非稳态活塞风对烟气迁移的耦合作用，研究烟气迁移的基本特性及其影响因素，探索烟气迁移与非稳态耦合气流之间的内在关联；在上述研究的基础上，应用流动、传热、火灾动力学理论，建立隧道火灾点式排烟的半经验预测模型，采用模型试验与数值模拟数据对预测模型进行验证和优化。本课题的研究成果可以完善隧道火灾的相关理论体系，并为长大地铁隧道火灾点式排烟系统的工程应用提供依据。

随着我国近十年来地铁的迅猛发展，越来越多超过3公里的长区间隧道建成运行。区间隧道采用点式排烟模式是一种新的地铁火灾排烟方式，它不仅可以将烟气控制在一定的范围内并及时排出隧道，还可以维持烟气和新鲜空气良好的分层。.本项目采用理论分析、模型试验和三维数值计算相结合的方法，对点式排烟模式下地铁区间隧道的火灾烟气温度特性和风口下方的排烟特性进行了系统、深入地研究。.本项目通过吸穿现象和完全排烟的研究，揭示了排烟风口排风对隧道烟气蔓延的作用机制。基于模型试验研究了火灾热释放率、排烟量、风口间距、纵向火源位置和缩尺比对火源段（排烟风口之间的区域）烟气温度分布的影响。通过定义无量纲烟气温升，揭示了顶壁烟气温度与火灾热释放率之间的联系。采用试验的方法，研究了吸穿现象，分析了火灾热释放率、风口的宽长比和风口面积对它的影响。研究了完全排烟临界排烟量的概念，即将烟气控制在两个风口之间的最小排烟量。它既能确保风口下游处于无烟的环境，从而最大限度地保障人员疏散；同时还可以减少风机设备容量。分析了火灾热释放率、风口间距、风口面积、风口的宽长比和纵向火源位置对它的影响。根据传热学、流体力学和火灾动力学的基础理论，建立了计算强羽流引起的顶壁下方最高温度和顶壁烟气纵向衰减的理论计算模型。通过对风口下方烟气进行受力分析，发现排烟惯性力与由烟气热压产生的水平惯性力的相对大小，即Froude数，决定了“吸穿”发生和完全排烟与否。因此，基于临界Froude数，将相关影响因素进行无量纲化，分别了建立了一个考虑了风口设计参数的“吸穿”发生的临界判据和完全排烟的临界排烟量的半经验计算模型。.本项目的研究成果可以完善隧道火灾的相关理论并对点式排烟技术的工程应用提供参考，具有重要的理论价值和工程意义。