城市地下空间复杂边界条件下火灾动力学行为研究

Aiming at the great fire prevention demand of urban underground space, typically for the subway and underground transportation hub, the ignition mechanism and fire spread behavior of combustibles, together with the fire smoke transport in urban underground space, will be investigated. The effects of environment temperature and humidity on the pyrolysis and ignition of typical combustibles in urban underground space will be studied in detail. We will establish the ignition model for the combustibles and reveal the fire generation mechanism in urban underground space. The influence of ventilation airflow and complex structure on the fire spread will be explored, and then the fire spread theoretical model in urban underground space will be developed. We will demonstrate the action mechanism of train blocking effect and ventilation exhaust systems on the fire smoke transport for typical key areas, and develop the predictive models of fire smoke transport in urban underground space with multi driving force coupling. It is expected to achieve a breakthrough on the fire dynamic behavior characteristics understanding and prediction method for complex structure and flow boundary conditions in underground space. These achievements will provide the theoretical basis and data support for the scientific planning and management of fire prevention in urban underground space.

本项目面向以地铁和地下交通枢纽为代表的城市地下空间火灾防治的重大需求，对典型可燃物的热解与着火机制、火蔓延行为以及烟气输运规律进行研究。研究温度、湿度等环境因素对典型可燃物热解、着火的影响机制，发展城市地下空间可燃物着火模型，揭示城市地下空间火灾孕育发生机制；研究通风气流、复杂结构等边界条件对可燃物火蔓延的影响规律，建立城市地下空间可燃物火蔓延理论模型；研究列车阻塞效应、通风排烟系统等对关键区域火灾烟气输运的作用机制，发展适用于多驱动力耦合作用下城市地下空间火灾烟气输运的预测模型。研究成果有望在城市地下空间复杂结构与气流边界条件下火灾动力学行为特征认识与预测方法方面实现突破，从而为城市地下空间火灾防治的科学规划与管理等提供理论依据和数据支撑。

本项目主要研究城市地下空间的火灾发生、发展及演化规律，通过实验研究、理论分析和数值模拟等手段，完成了以下研究工作：（1）在城市地下空间典型可燃物热解点燃过程方面，研究了城市地下空间典型商用阻燃三元乙丙橡胶材料的热解点燃机理，揭示了城市地下空间灭火过程中液滴对燃料表面冲击的作用机制，阐释了池火直径和水平开口大小对城市地下受限空间火焰脉动频率的影响规律；（2）在城市地下狭长隧道空间火灾行为方面，研究了燃料特性对隧道顶棚射流速度场分布及温度场分布的影响机制，建立了狭长封闭隧道内不同纵向火源位置的最高烟气温度的预测模型，揭示了纵向通风速率对地铁隧道中燃烧火焰形态特征的影响机制；（3）在城市地下空间风作用下火灾行为方面，研究了风速作用下气体射流火的火焰形态特征变化规律，建立了耦合卷吸、浮力、横向风拖曳力的池火火焰频率表达式；（4）在城市地下狭长隧道竖井排烟模式方面，研究了新型竖井排烟的排烟机理和排烟特性，揭示了火源位置对竖井排烟特性的影响，提出了一种耦合挡板的竖井排烟方法，建立了竖井口烟气质量流率的预测模型；（5）在列车阻塞条件下隧道火灾烟气蔓延行为方面，基于温度衰减法和火源分割法分别建立了列车阻塞时的隧道烟气逆流长度预测模型，发展了倾斜隧道阻塞条件下烟气逆流长度和临界风速预测模型。本项目按照预定的计划完成了相关的基础研究工作，发表SCI论文60篇，其中本领域高影响区期刊论文27篇，出站博士后1名，培养博士研究生6名，硕士研究生8名，授权发明专利5项，授权实用新型专利4项，达到了预期目标，圆满地完成了研究任务。