新型UTLT类隧道火灾烟气输运特性与优化控制研究

新型城市地下交通联系隧道（Urban Traffic Link Tunnel，以下简称UTLT）与常规隧道相比，具有独特的本体形状、使用功能及结构特点，存在更大的火灾事故风险，需要更高的消防安全目标。本项目以提高UTLT类隧道消防安全水平为目标，开展具有"UTLT类隧道特色"的消防安全研究工作。.通过理论分析、全尺寸试验以及数值模拟等方法，阐析火灾烟气层在UTLT隧道的动力学发展过程，建立UTLT类隧道烟气温度分布规律、烟气层蔓延及层化特性的理论预测模型；拓展纵向式通风临界风速理论，得到"UTLT环形主隧道临界风速"的经验预测模型；揭示隧道结构特点、不同防排烟方案对烟气输运过程的影响；寻求典型火灾场景下，烟气优化控制方案。研究成果将有助于掌握UTLT类隧道火灾烟气输运特性，有助于推进UTLT类隧道消防安全保障体系的建立，为UTLT类隧道防火设计规范的制定提供可靠的理论与技术支持。

UTLT隧道火灾的顶棚最高温度、顶棚火焰长度、烟气回流长度与限制风速、烟气控制方案及排烟效率对于掌握UTLT类隧道火灾烟气输运特性，推进UTLT类隧道消防安全保障体系的建立具有重要意义，并为UTLT类隧道防火设计规范的制定提供可靠的理论与技术支持。. 本项目通过FDS数值模拟计算，考虑了火源高度和隧道高宽比，引入新的当量直径的计算方法，建立了UTLT类隧道火灾最高温度预测模型。与实验值比较，结果表明，理论模型的预测值与实验测量值吻合较好。该模型可用于UTLT类隧道顶部防火保护的工程计算。通过FDS数值模拟计算，对不同当量直径及高宽比的UTLT类隧道，在不同的热释放速率及径向速度情况下，建立了在较高和较低的的径向速度下火焰长度预测模型。通过与其他学者的模型进行比较，分析了不同参量对上下游火焰长度的影响。该模型可用于UTLT类隧道发生火灾时不同工况下火焰长度的计算。通过量纲分析方法、FDS数值模拟计算，在不同当量直径及高宽比和不同的热释放速率及径向速度情况下，建立了UTLT类隧道火灾烟气回流预测模型。与实验值比较，结果表明，理论模型的预测值与实验测量值吻合较好。进而推导出了UTLT类隧道限制速度的预测模型。该模型可用于UTLT类隧道排烟设计的工程计算。通过对北京市与CBD UTLT相似的两条地下公路隧道进行的实体通风测试及数值仿真研究，认识了轴流风机在风口处设置百叶后对隧道内速度场分布的影响，以及射流风机与轴流风机综合作用下的速度场分布，并获得了轴流风机与射流风机模型建立以及边界条件的设置方法。该方法可直接用于CBD UTLT烟气控制的模拟研究或其它同类型隧道的通风、防排烟设计研究。将CBD UTLT隧道划分成9个排烟区段；并从9个区段中选取5个作为该隧道的典型火灾场景；对每一个火灾场景通过稳态及瞬态的模拟，并结合最优烟气控制方案的标准，得出对应的“合理”烟气控制方案。根据北京市某UTLT隧道中排烟口的设置特点，利用FDS建立三种不同类型的排烟口，对三种排烟口隧道内的烟气分布进行数值模拟，通过对比分析烟气温度、速度、能见度等参数指标，发现火灾模式下，在侧壁位置最高的排烟口的开启方式最佳，更有利于隧道内烟气快速集中地由排烟口排出，排烟效果更好。在侧壁位置最低的排烟口排烟效率最差。