论文总字数：25038字

摘 要

公路隧道内一旦发生火灾，将造成重大事故。隧道内火灾烟气的控制对火灾防治有重要意义。因此本文拟对自然通风公路隧道火灾及其烟气流动进行数值模拟研究，为隧道火灾的防治提供快速准确的方法。

论文介绍了公路隧道火灾原因和烟气发展的特点，综述了国内外对隧道火灾模拟技术的研究现状及发展，并介绍了隧道通风以及数值模拟技术的相关理论。然后以简化的矩形断面隧道为对象，利用FDS数值模拟技术研究了自然通风隧道发生火灾时，隧道内烟气的蔓延规律，温度的变化情况，并探讨了隧道临界风速的问题。

通过以上研究分析，论文给出了隧道的临界风速，为3m/s。用不同风速对隧道火灾进行通风模拟，对比分析结果表明，通风风速对烟气浓度和温度均有很大影响，随着通风速度的增大，火区下游烟流温度和浓度都相应减小，而临界风速可以控制烟气回流的产生，从而减少人员的伤亡和物资的损失。利用FDS模拟方法模拟隧道火灾是适用的，建立的隧道火灾数学模型是正确的，也证明了用FDS模拟软件对隧道火灾烟气流动进行模拟研究与计算是进行火灾防治快速准确决策的有效手段。

关键词：公路隧道 自然通风 临界风速 数值模拟 FDS

Research on natural ventilation of tunnel fire

ABSTRACT

Fire in the highway tunnel will cause enormous losses. The control of smoke in the tunnel fire will take great place in the fire protection and prevent. Numerical simulation of smoke flow and tunnel fire is discussed in this paper. Provides the fast accurate policy-making method for tunnel fire preventing and controlling.

This paper introduces the cause of the fire in the highway tunnel and the characteristics of the development of smoke, and summarizes the simulation technology for tunnel fire research status and development in the world, and introduces the theory of numerical simulation and tunnel ventilation technology. Then, taking the simplified tunnel of rectangular cross-section for the project, the spread law of smoke during a tunnel fire and the changes of temperature were studied using the FDS numerical simulation technology, on the basic of which, the issue of critical velocity was explored.

By means of analyzing, the paper offers the critical velocity in the tunnel fire, which is 3m/s. Ventilation control was took with different critical ventilation velocity to a tunnel fire. Compared the results the paper found that the velocity of ventilation is very important to the temperature and the concentration of flue gas. With the aggrandizement of ventilate velocity, the temperature and concentration of the smoke in the downstream is decreased. The ventilation with the velocity of critical velocity prevent the smoke’s roll back, thereby, it can reduce casualties and cut down the loss. The FDS numerical simulation technology of tunnel fire is suitable for simulate tunnel fire and the mathematics model is applicability. It also proves that use the simulation software in the research of tunnel fire smoke flow is the efficient way, it can give the quick and nice decision to prevent and cure the tunnel fire.

Keywords: road tunnel natural ventilation critical velocity numerical simulation FDS

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 隧道火灾的原因 2

1.3.1 车辆自身的机械设备故障引发火灾 2

1.3.2 车辆交通事故引发火灾 2

1.3.3 车辆装载货物起火引发火灾 2

1.3.4 人为因素引发火灾 2

1.3.5 隧道内设备老化及故障引发火灾 2

1.3.6 其他原因引发火灾 3

1.4 隧道火灾烟气发展特点 3

1.5 国内外研究发展及现状 4

1.5.1 国外研究 5

1.5.2 国内研究 5

1.5.3 总结 6

1.6 本文研究的主要内容 6

1.6.1 研究内容 6

1.6.2 研究方法 7

1.6.3 章节安排 7

第二章 隧道自然通风理论和数值模拟基础 8

2.1 自然通风理论 8

2.1.1 隧道自然通风简介 8

2.1.2 隧道自然通风分类 8

2.2 数值模拟基础 9

2.2.1 质量守恒方程 9

2.2.2 动量守恒方程 10

2.2.3 能量守恒方程 10

2.2.4 组分守恒方程 10

2.3 通风计算基本假设与原理 10

2.3.1 稳定流假设 10

2.3.2 连续介质假设 11

2.3.3 不可压缩假设 11

2.3.4 遵守能量守恒定律 12

2.4 火灾动力学软件FDS介绍 12

第三章 火灾场景设计 13

3.1 工程概况 13

3.2 物理模型 13

3.2.1 几何模型 13

3.2.2 火源功率 14

3.2.3 边界条件和初始条件 16

第四章 自然通风隧道火灾时烟气运动研究 18

4.1 临界风速的研究 18

4.2 烟气浓度的研究 21

4.2.1 环境风速对烟气浓度的影响 21

4.2.2 火源功率对烟气浓度的影响 23

4.2.3 竖井高度对烟气浓度的影响 24

4.3 环境温度的研究 26

4.3.1 环境风速对温度的影响 26

4.3.2 火源功率对温度的影响 30

4.3.3 竖井高度对温度的影响 32

4.4 可见度的研究 33

4.4.1环境风速对可见度的影响 33

4.4.2火源功率对可见度的影响 35

4.4.3竖井高度对可见度的影响 36

第五章 结论与展望 37

5.1 结论 37

5.2 下一步工作展望 37

参考文献 39

第一章 绪论

1.1 研究背景

城市地下空间的综合开发是解决城市人口、资源、环境三大难题的重大措施，合理的开发和利用地下空间对于缓解城市人口拥挤、城市用地紧张、节约耕地保护自然环境起到了积极的作用，而城市交通系统的地下化，是良好利用地下空间的一个重要内容^[1]。所以近年来，随着交通运输业的高速发展，隧道交通也在高速发展。目前，我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家^[2]。

据不完全统计，目前我国公路通车里程已超过160万公里，高等级公路已从沿海地区向西南、西北山岭区延伸，公路隧道建筑规模越来越大，一大批长隧道和特长隧道相继建成。目前建成的公路隧道总数已超过1000座，长千米以上的有40多座，3000米以上的特长隧道13座，1500米以上的3车道公路隧道5座，盾构隧道2座，沉埋隧道2座；连拱隧道也越来越多，长度达到700米左右^[3]。

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