纵向风作用下隧道火灾烟气分岔流动试验研究.pdfVIP

纵向风作用下隧道火灾烟气分岔流动试验研究 1,2 1 1 1 钟 委 ，端木维可 ，李华琳 ，梁天水 （1.郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001 2.建筑安全与环境国家重点实验室 中国建筑科学研究院，北京 100013 ） 摘要：采用小尺寸模型地铁隧道火灾试验，研究不同纵向风速和不同火源功率下隧道内的烟气层形态特征、 烟气温度分布，验证隧道火灾烟气分岔流动机理，分析分岔流动临界风速和临界 Richardson 数的变化规律， 采用数值模拟方法验证分岔流动临界风速和临界 Richardson 数的变化规律。结果表明：随着纵向风速的增 大，羽流撞击区上游的烟气回流逐渐减少，烟气层产生向上的凹陷，当烟气回流完全消失时将发生烟气分 岔流动现象；在较大纵向风速下，烟气分岔流动的发生将导致隧道中部烟气量减少，造成火源下游段隧道 中心形成低温区；分岔流动无量纲临界风速随无量纲火源热释放速率 1/3 次方呈线性增长规律；烟气分岔 流动临界 Richardson 数基本不受无量纲火源热释放速率变化的影响，可视为常数 0.095 。烟气分岔流动临 界风速和临界 Richardson 数变化规律与数值模拟结果吻合良好。 关键词：隧道火灾；小尺寸模型试验；纵向风；烟气层；烟气温度；分岔流动 中图分类号:U458. 1 文献标识码:A 若隧道内发生火灾事故，将造成大量的财产损失甚至人员伤亡[1-5] 。统计结果表明，火灾中超过 85 ％ 的人员伤亡都是由烟气造成的[6-8] 。隧道的纵向通风常被用于隧道火灾烟气的控制，即通过向隧道提供纵向 风来阻止火灾烟气逆流的产生，为人员疏散提供逃生环境[9-11] 。阻止火灾烟气逆流产生的最小纵向风速称 为临界风速，它是纵向通风方式的 1 个重要参数[12-13] 。但纵向风速也不宜过大，因为过大的纵向风速将会 [14] 影响烟气层的稳定性 。 很多学者已关注到这个问题。阳东等[15]通过小尺寸试验发现，较大纵向风速会加强烟气与冷空气的掺 混，导致热分层界面不再明显，烟颗粒层显著变厚，烟气层失稳。李开源[16]采用FDS（Fire Dynamics Simulator, 火灾动力学模拟软件）研究隧道火灾烟气层失稳后的流场情况后认为，当纵向风速过大时，下游烟气层不再是 一个整体，而是分成两部分沿着隧道侧壁流动，并将此现象定义为烟气分岔流动。钟委[17]采用数值模拟对 分岔现象机理进行了研究，发现烟气分岔流动的发生主要取决于惯性力和浮力的共同作用，纵向风会加剧 烟气与空气的掺混，减弱了顶棚射流撞击侧壁后反向流动的驱动力，从而破坏了烟气层的形成过程，导致 了分岔流动现象的产生。这些研究主要采用数值模拟的方式，相关试验研究尚未见报道。 Richardson 数(Ri)常被用于研究热烟气和冷空气分层稳定性，表示密度分布的稳定作用同因速度剪切引 起的失稳作用的比值。P.H.E.等人[18]研究了长走廊内热烟气与冷空气的分层特性，发现当 R 0.5 时，分层 i 结构才能得以维持。阳东等[19]通过小尺寸试验发现当 R ＞0.9 时，烟气层可以保持稳定结构，当 0.3R ≤0.9 i i 时，仍存在稳定的浮力羽流分层，但烟气层和冷空气层交界面开始出现涡旋；当R ≤0.3 时，烟气分层现象 i 将被破坏，但未进一步对烟气层整体性被破坏时的 R 进行研究。 i 因此，本文采用小尺寸模型地铁隧道火灾试验，通过对不同纵向风速和不同火源功率下隧道内的烟气 流动特征、烟气温度分布进行研究，验证隧道火灾烟