地铁火灾模型实验及基于CFD_技术的防排烟.pdf

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1、详细摘要地铁作为缓解现代城市交通紧张的有效工具，在世界许多大城市得到了广泛的应用。随着地下交通建设的快速发展，地铁火灾作为公共安全的重要内容越来越受到人们的重视，不断发生的重大地铁火灾事故给社会造成了巨大的损失。地铁系统是较为封闭的地下空间，火灾发生后防排烟比较困难，人员疏散路线较长，目前，人们对地铁火灾烟气流动规律还缺少足够的认识。同时，由于地铁火灾实验研究投入较大，实验的实施和组织都比较困难，国内外对地铁火灾实验研究开展比较少，缺少足够的实验数据积累。随着计算机技术飞速发展以及各种数学模型和算法不断完善，基于场模型的数值模拟技

2、术近些年受到越来越多的重视。所以，结合模型实验和数值模拟技术，研究地铁火灾烟气流动规律，动态分析火灾流场特性，开发新的防排烟控制技术成为具有重要现实意义的课题。论文在国家“十五”攻关公安部科研项目（编号为：2004BA803B04-1）的资助下，建立基于大涡模拟方法的地铁火灾数学模型，建立地铁车站火灾实验平台，开展基于CFD技术的站台火灾通风系统优化模式研究和性能化防火方法在地铁消防设计中的应用研究。（1）基于湍流模型大涡模拟方法建立描述地铁火灾烟气流动规律的物理数学模型分析不同湍流模型模拟火灾燃烧过程的应用特点，对地铁火灾燃烧过

3、程和流场特性进行假设和简化，研究大涡模拟方法模拟地铁站台火灾的可行性，建立基于大涡模拟方法的地铁站台火灾物理数学模型。建立相应的辐射模型和湍流燃烧模型，采用P-1热辐射模型对地铁火灾的辐射热交换进行数值模拟，比较碳黑模型对模拟结果的影响，选择非预混燃烧模型描述地铁火灾燃烧过程。（2）以量纲分析为理论基础建立地铁火灾模型实验相似准则和模型相似律根据地铁火灾特点，从火灾烟气运动控制方程着手，运用量纲分析方法，分析地铁火灾烟气运动的模型实验相似理论，推导模型实验相似准则，得到了模型与原型的模型相似律，并论证建立相似模型实验平台的可行性。

4、论文采取的模型实验分析方法不适用发生轰燃的火灾场景；必要相似条件主要有时间相似准则、运动相似准则、火源强度相似准则和围护结构热损失相似准则；适当选取模型比例，可保证流动处于雷诺数自模拟区；给定火源强度，已知送风和排风体积流量情况下，所求解的烟气温度、浓度、流速、压强、壁面温度的无量纲方程可以表示为空间坐标和时间的函数；忽略火焰辐射条件下，可推导地铁火灾热烟气运动的模型相似律。（3）地铁站台火灾模型实验平台的建立作为一门建立在实验基础上的学科，实验模拟在火灾烟气流动特性研究和物理数学模型可靠性验证中起到重要作用。论文与公安部四川消防

5、研究所合作，进行地铁火灾的相关模型实验研究，实验研究内容包括地铁火灾火源功率标定实验、单节车厢火灾燃烧特性实验和站台火灾相似模型实验。为了定义车站模型实验的火源功率以及研究油盘火源燃烧特性，论文在四川消防所的SBI实验室进行了不同油盘规格和不同燃油量的油盘火源功率标定实验。通过对实验结果的分析和计算可以得到如下结论：160mm×160mm、275mm×275mm和350mm×350mm油盘规格对应的稳定燃烧状态热释放速率分别为6.606KW、36.237KW和81.271KW；油盘面积与热释放速率之间不存在线性关系；通过实验结果计

6、算的燃烧因子与柴油的理论燃烧因子接近；确定实际模型火灾实验中站台火灾和列车火灾采用的油盘规格为300mm×300mm和350mm×350mm。对同比例尺的单节车厢火灾实验研究主要用于考察列车火灾燃烧特性、火源功率以及通过对热释放速率曲线的拟合得到列车火灾增长函数。通过实验分析可知，单节车厢稳定燃烧状态下热释放速率为2.75MW，采取最小二乘法对热释放速率增长曲线进行拟合，得到火源功率函数关系如下：2⎧0.082tkW(0≤≤t180)sQ=⎨⎩2755kW(t>180)s按几何尺寸1:5的比例建立国内最大的地铁站台火灾模型实验平台

7、，按照模型相似律的要求，对不同通风模式、不同火灾位置、不同火源功率的地铁车站火灾进行了实验模拟研究，实验一共进行12组。通过实验可以得到如下结论：站台火灾烟气分层明显，烟气层厚度具有与理论分析结果相似的规律；火灾位置的变化对防排烟效果产生重要影响；楼梯口风幕的设置大大改善了对站台火灾烟气流动方向的控制；屏蔽门对防排烟效果的影响要视情况而定。采用建立的物理数学模型对模型实验的火灾场景进行了数值模拟，并对模拟结果和实验结果进行比较。通过比较可知，数值模拟和实验结果反映了相同或相似的烟气流动规律。（4）模型实验和数值模拟相结合研究基于C

8、FD技术的站台火灾防排烟控制模式建立人员安全疏散的判定标准，在温度条件设定中，考虑了对流温度和辐射温度的影响；在浓度条件设定中，针对烟气分层在不同的区域有明显和不明显之分的特点，设定了烟气层的安全高度和烟气浓度的判定标准；在风流大小和方向的条件中，