摘 要

城市隧道开发进入快速发展阶段，以隧道为代表的建筑不断涌现，其给火灾安全防治带来了新的严峻挑战。在隧道集中排烟火灾通风方案排烟效果中，排烟效率是一个重要指标。为分析排烟效率的变化特性以及得到最终的优化方案，本文通过FDS软件构造一个隧道模型， 借助 CFD 技术, 对模拟隧道进行火灾烟气控制的模拟分析,通过改变风速的大小，进行一系列的数据处理，得出其对排烟效率的影响。最终为隧道防排烟策略选择及设计优化提供理论指导。结果表明, 随着排烟速率的增大，集中排烟效果会变好，但是排烟速率大到一定程度时会导致集中排烟效果降低。

关键词：FDS数值分析，隧道排烟，集中排烟，隧道模型

Abstract

The development of urban tunnel has entered a stage of rapid development. The construction represented by tunnels is constantly emerging, which brings new severe challenges to fire safety control. Smoke exhaust efficiency is an important index in the smoke exhaust effect of the central ventilation system. In order to analyze the change characteristics of the efficiency of smoke exhaust and get the final optimization scheme, this paper constructs a tunnel model through FDS software and uses CFD technology to simulate the fire smoke control of the simulated tunnel. By changing the size of the wind speed, a series of data processing is carried out to get the effect on the efficiency of smoke exhaust. Finally, it provides theoretical guidance for tunnel smoke control strategy selection and design optimization. The results show that with the increase of exhaust gas rate, the effect of centralized smoke exhaust will get better. However, when the rate of smoke exhaust reaches a certain level, the effect of centralized smoke exhaust will be reduced.

Key Words：FDS numerical analysis, tunnel smoke exhausting, centralized smoke exhausting, tunnel model

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1 隧道火灾安全现状 1

1.1.2隧道火灾原因及特点 2

1.1.3 研究目的与意义 3

1.2国内外隧道火灾研究现状 3

1.2.1 隧道火灾的研究方法 3

1.2.2国外研究现状 3

1.2.3国内研究现状 4

1.2.3发展趋势及存在的问题 5

第二章 烟气控制技术 6

2.1 隧道火灾动力学理论 6

2.2隧道火灾烟气流动过程的微分方程 6

第三章 FDS简介及基本理论 8

3.1 FDS简介 8

3.2 FDS特点 8

3.3 FDS应用流程 9

第四章 隧道火灾的FDS仿真模拟 10

4.1全尺寸试验隧道 10

4.2试验工况设计 10

4.3模型设置 11

4.4模拟结果及分析 13

第五章 结论及展望 18

5.1 结论 18

5.2研究展望 18

参考文献 19

致 谢 20

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1 隧道火灾安全现状

我国自建国以来，特别重视隧道和地下工程的发展，为其发展投入了很多资源，由此使得我国隧道及地下工程的发展速度变得非常快。建国初，我国的隧道工程百废待兴，刚刚起步，改革开放过后，我国的公路隧道发展步入了快车道，到20世纪末底，我国已建成的隧道有很多，其中1000米以上的隧道就超过了10个。二十一世纪是隧道工程蓬勃发展的时代，同时地下空间的建设也进入了高速发展期，因为改革开放的实行，我的的经济实力以及综合国力不断提升，同时我国加大对高新技术的研究和使用，现如今，我国的隧道及地下工程技术在世界上已处于举足轻重的地位，在特长隧道建设等诸多领域已处于世界前列。随着隧道工程建设的日新月异，同时新技术的不断应用,隧道工程为我们的日常出行带来了很大便利,但是由于车辆的不断增加，运输流量也逐年增长、危险品数量及运输也逐年增多、隧道的数量及长度也今非昔比、车辆行驶速度加快,使得隧道安全事故不断发生，火灾更是接连不断,火灾事故更是逐年上涨。

国内外近年来发生的部分重大隧道火灾事故如下：

法国勃朗峰隧道火灾：1999年3月，一辆卡车于勃朗峰隧道内失火殃及前后车辆引起大火，大火燃烧了将近50小时，造成了40余人死亡及2亿美元的经济损失。

英国海峡隧道大火：1996年，一列火车在穿越隧道时起火，大火焚烧了9节车厢，直接及间接经济损失达3亿美元，所幸未造成人员伤亡。

法国-意大利T2公路弗雷瑞斯隧道火灾：2005年，一辆卡车柴油泄漏，导致了4辆卡车烧毁，3辆消防车受到伤害，隧道严重损害。该事故使死2人，伤21人。

瑞士A13公路维马拉隧道：2006年，车辆在隧道内发生追尾事故，造成了1辆公交车和2辆轿车被毁，导致6人死亡，6人受伤。

秦岭终南山隧道火灾：2009年，货车载运货物燃烧引起火灾。

由此可知,当前我国隧道的火灾安全形势极为严峻。

1.1.2隧道火灾原因及特点

隧道火灾的原因主要可以归结为以下四个方面

一、车辆自燃或车辆设备的故障引起的自燃、车辆上的货物因突发情况导致自燃。

二、车辆撞击、脱轨等交通事故而引起的火灾，由于隧道特殊空间环境，一般隧道都比较狭长，呈长筒状，司机的视野范围不宽阔，易导致事故发生。

三、人为因素而导致的火灾，不同于原因二，此人为因素为个人或群体故意纵火从而导致火灾事故发生。

四、隧道自身的原因，如设计建造时不严谨导致原因二的出现或隧道内的线路和设备的老化都可能导致事故的发生。

当隧道发生火灾时,其火灾特点主要表现如下

隧道气流速度大 ,火势蔓延快

当发生火灾时，由于隧道内部相对封闭，当气体流速过快时，过快的气流会加速火势的蔓延，从而使温度升高，温度升高会使火势的蔓延速度加快，导致恶性循环。

通道狭长 ,大量烟气难以排出 ,人员疏散困难

发生火灾时，烟气的大量产生，使得隧道内的能见度变得很低，人群的疏散变得特别困难，如果隧道内的照明系统发生故障，会使得人群疏散更为困难，同时由于人群的随意走动可能会造成严重的踩踏事故，易造成二次伤害。

c. 由于特殊火灾行为的影响, 易加速火焰传播速度

当隧道纵向的坡度较大,一旦起火,很容易形成烟囱效应。当高处发生火灾时，由于气体流速快，火势会迅速向低处蔓延，此时空气中的气流温度会很高，当其接触到低处的易燃物品时，会迅速引燃该物品，最终实现火焰的“跳跃”。

d. 火灾扑救困难 ,具体表现在以下几个方面

① 气流的方向难以掌控，由于火势会随着气流的流向移动，但是气流没有确定的流向，所以对火灾的扑救影响很大;

②当消防员从下风口进入隧道灭火时，风向的限制，使得烟气会不停的向下风口蔓延，最终影响消防员的救援;

③由于隧道的地形比地面复杂得多，消防员救火的难度要比地面救援高得多，困难更大;

④当电源未切断前，如果消防员进行喷水救火，很有可能会出现触电事故;

⑤隧道内较封闭，故信号不好，救援时不好统一行动，难以统一指挥 。

e. 火灾损失大

隧道火灾往往伴随着巨大的人员伤亡和直接财产损失，同时会使隧道内的设施产生暂时或永久性损坏，不好维修，同时会使这一条线路暂时不能运行，由此造成的间接经济损失不可估量。

1.1.3 研究目的与意义

当隧道火灾发生时，高温、火焰及有毒气体和烟气都会对人群造成严重的危害，其中最主要的危害是有毒烟气，如何使有毒烟气对人群的危害降到最低是现在研究必须要面对的一个问题。所以当发生火灾时，如何保障人群能够迅速逃离以及消防员迅速开展救援就是一个很大的挑战。

在隧道的设计施工时，设计施工人员就要保证该隧道如果发生火灾，其排烟系统应该能有足够的有效性，所以如何设计这种排烟系统就是现在研究需要面对的。通过对排烟方式优化研究，以期对隧道安全性做出保障，从而当发生隧道火灾时能及时开展救援工作，减少有毒有害气体的含量，以及让人群迅速撤离。

1.2国内外隧道火灾研究现状

1.2.1 隧道火灾的研究方法

隧道火灾的研究是一个涉及工程热物理、安全工程、材料科学以及科学管理等多学科大跨度的交叉领域。同时其发生和发展具有两个特性：确定性和随机性。确定性是指任何火灾的产生和发展都有其客观规律，都分为三个阶段，即：初期增长阶段，充分发展阶段及衰退阶段。随机性是指不同的火灾其产生和发展原因不一样，没有任何的根据，受各种外界条件的影响，在个体上难以做出准确的判断，但是在宏观大数据上可以找出其规律。

所以隧道火灾的研究就要根据这两个特性进行研究，在个体火灾上由于其具备确定性，可以通过模拟计算来对其三个阶段进行一系列的模拟，找出其规律。同时也要在宏观上收集各种火灾的资料，了解每种火灾的发生概率及其造成的后果的严重程度。以期对火灾进行预防以及当火灾发生时做出迅速的处理。

1.2.2国外研究现状

进入21世纪，由于隧道和地下工程技术的日趋成熟，隧道也修建的越来越多，但是由此带来的安全问题也日趋严重。国际上很多实验室和研究所都在隧道火灾问题上做了很多相关研究，取得了很多成果。其中著名的有国际隧道协会 ITA、国际道路协会 PIARC、瑞典 SP Fire、挪威 SINTEF/NBL 以及瑞士 VSH、中国科技大学火灾科学国家重点实验室等组织机构。早期欧洲研究隧道火灾都在实验室或者废弃的隧道中进行实验，通过真实的场景，人为的布设火灾，通过真实的场景来进行研究。这种方法在当时具有积极的作用，但是其具有以下几个缺点：实验本身的成本过高，实验具有一定的危险性，人员繁琐不好调配，时间长等。但随着科技的不断发展，模拟计算方式的日趋成熟，越来越多的实验人员开始使用模拟软件进行隧道火灾的模拟。欧洲方面,初期是以国家为单位独立研究,现在已发展成为欧洲研究共同体,多个国家共同研究。如,上世纪年代初,由波恩联邦运输部委托进行,多个国家参与的一次综合性调研,此次调研以上世纪七十年代至八十年代间世界范围内的典型城市隧道火灾为对象,深入分析并制定出相应对策,用以提高城市隧道的防火防灾安全。此次调研的顺利进行及取得的丰硕成果,推动了欧洲后续多国联合隧道火灾的研究项目的发展,如尤里卡计划、隧道安全以及隧道结构的耐久性和可靠性研究、现有隧道中火灾安全改进方法研究计划等项目。上世纪八十年代以来,日本、瑞士和奥地利等国家在隧道火灾的危害性及消防对策方面也加大了研究力度。由于世界范围内特长公路隧道的不断增加,目前,日本和欧洲几个国家正在对特长公路隧道的安全和防灾问题进行共同研究。长期以来,实验研究一直是隧道火灾领域不可忽视的重要研究手段之一。较国内而言,国外开展的隧道火灾试验研究较早,大部分在实验室或废弃不用的隧道中进行。例如,世界上最早进行的隧道火灾实验是年在奥芬耐格隧道进行的,此次实验调查了不同通风条件下隧道火灾的发生发展情况及高温烟流在隧道内的运动规律上世纪年代,英国火灾研究所在废弃的格拉斯哥公路隧道内进行了次火灾试验,主要针对隧道火灾时产生的大量烟雾进行厚度和扩散情况的研究年,德国在地铁隧道内进行了火灾试验研究,得出不同工况下温度与火灾持续时间的关系上世纪九十年代,由西欧九国组成的联合研究小组在德国、芬兰和挪威的隧道内进行多次试验,探究了隧道火灾时温度、烟气流量及烟气浓度等多个因素对隧道内能见度的影响。跨入新世纪后,欧洲日本等国进一步加大了对隧道火灾试验的研究力度。

1.2.3国内研究现状

我国在隧道火灾这方面的研究较发达国家相对较晚，从80年代开始才步入正轨。但是由于我国隧道的发展极为迅速，迅速发展带来的安全问题与较少的研究是我国隧道研究方面的一个矛盾。1989年,广州铁路局科研所、铁科院西南所在四川华鉴山矿务局的消防护大队训练巷道进行了断面模拟试验,探寻长大隧道的消防措施年月,由西南交通大学、北方交通大学等多个单位参加,中国铁路西南科学研究院引领,在四川宜宾芙蓉矿务局消防救护大队进行了铁路消防模拟的断面试验,对油罐列车火灾时的高温烟流发生发展规律等多个问题进行探究年,重庆交通科研设计院原交通部重庆公路科学研究所围绕大溪一湖雾岭隧道,在国内首次就公路隧道火灾的位置影响进行深入探究一年间,西南交通大学通过米缩小尺寸的火灾模型试验研究,深入系统的分析了不同火灾规模、通风方式、火灾位置等条件下隧道内不同区域的温度、压力及烟雾的传播分布规律。到了21世纪，我国开始加紧隧道火灾这方面的研究，通过大量的模拟计算，数据分析以及场景分析，对隧道火灾进行全方面的研究，同时越来越多的相关人才和研究人员积极投身与这方面的研究当中，我国的隧道火灾研究慢慢步入正轨，正朝着前方迈出一个一个坚实的步伐。而目前FDS软件便是一个常用的模拟软件。

（1）曾巧玲、赵成刚和梅志荣应用了一种分析火灾时隧道三维瞬态温度场的半解析有限元法,它在一维方向上采用了三角级数,另两维方向则采用了常规的插值函数,将三维问题转化为二维数值计算问题,并与试验结果进行了比较分析,为了解隧道内外火灾温度场分布和传递规律奠定了一定的基础,其计算方法和成果对我国隧道火灾后衬砌结构的评估具有指导意义。

（2）舒宁、徐建闽采用软件对公路隧道的火灾通风进行仿真,研究火灾时烟气在隧道内的流动状况。模拟中火源简化为中心温度为的高温点,未考虑火灾的动态特性。

（3）香港理工大学的教授利用场模拟软件模拟研究了纵向通风情况下隧道内火灾的烟气控制,其指出在纵向通风下不仅会增加排烟系统的排烟量,而且由于纵向通风风流为火源提供了充足的氧气,从而可以使火灾的热释放速率随之增加。

（4）西南交通大学的于丽、王明年和郭春软件对秦岭特长公路隧道火灾温度场进行数值模拟,分析研究其纵、横断面的温度分布情况,数值模拟提供了较详细的数据和变化特征,为秦岭特长公路隧道的防灾救援提供了技术依据,也对认识其它长大公路隧道火灾灾变机理有一定的参考作用。

(5)西南交通大学的张发勇、冯炼等人利用方法数值模拟研究了秦岭终南山特长公路隧道火灾的烟气控制情况,比较了分析了不同纵向通风方案下气流流动和火灾下游的温度分布,评估了各种通风方案所能达到的效果。

(6)北京工业大学的王日升利用对美狐林隧道内发生火灾时的烟气流动进行了三维瞬态模拟计算,研究了烟气在隧道内的分层扩散现象,以及不同火源情况下的临界风速的确定,进而研究了烟气的流动情况和疏散放案。

1.2.3发展趋势及存在的问题

目前,国内外对隧道火灾研究的重要性和必要性已达成共识,从国内外的研究现状来看,各国也开展了较多的研究工作,并在如火灾规模的确定,火灾荷载温度对结构的损害,火灾通风风速对火灾燃烧影响的模拟,隧道火灾烟气控制,隧道火灾的消防安全设计等方面取得了一定的成果,当前,国内的隧道火灾研究项目主要集中在火灾的燃烧过程和烟雾的扩散规律研究,火灾模式下的通风控制技术研究,火灾时的交通疏导方案和火灾救援方案研究,火灾报警与救援设备开发等几个方面,确实,这些研究都在很大程度上提高了我国公路隧道的火灾通风与防灾水平,但大都处于起步阶段,还未能形成系统,在交通隧道防火研究中还有大量的课题需要深入开展。

第二章 烟气控制技术

2.1 隧道火灾动力学理论

隧道火灾发生时，纵向风速为零的条件下，烟羽流动按顶棚射流规律流动，烟羽在竖直空间有明显的分层，上部为烟羽层，下部为清晰层。当有纵向风速时，烟羽流动对称性破坏，当纵向风速达到一定临界点时，烟气将朝一个方向流动，利用这一原理，可以实现气流控制烟气，临界风速与火源的热释放率有关。当纵向风速时小于临界风速时，烟羽流出现回流现象，烟气控制失败。隧道正常运营通风计算是以空气动力学基本理论为基础,常用的有恒定流理论和非恒定流理论,一般情况下,在隧道通风工程中,气流的密度变化可以忽略不计,也即为常量,流体的速度也不随时间而变化,此时隧道中气流适用恒定流动的伯努利方程。与此相反,当由于某种原因导致隧道内的空气流动速度随时间而变化,此时则适用于非恒定流动伯努利方程。为了便于研究,通风设计中一般对隧道内流体做了如下假定视流体为连续介质视流体为不可压缩体视流体运动在宏观上为稳定流视流体遵守能量守恒定律,即伯努利定理。与所有流体一样,隧道内的流体流动受物理守恒定律的支配,即质量守恒定律,动量守恒定律,能量守恒定律和组分质量守恒定律。

2.2隧道火灾烟气流动过程的微分方程

（1）烟气流微分方程

在隧道火灾烟气流动的微分控制方程建立基于以下假设：

①火灾中的火源近似有限体积热源；

②火灾研究的是燃烧区以外的火羽流的发展情况，因此不考虑燃烧中化学反应的

细节以及由化学反应引起的烟气成分变化；

③ 火 灾 烟 气 运 动 是 浮 升 力 驱 动 下 的 流 动 ， 满 足 Bousinessq 假设，即只在重力项中考虑密度的变化；

④火灾烟气为不可压缩流体，且与空气热物理性质一致；

⑤固体壁面传热为一维非稳态传热。

火灾过程烟气流动的一维微分控制方程为：

质量守恒方程：

=0

式中，为密度； t 为时间； u 为速度。

动量守恒方程：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：