不同排烟条件下通道内火灾烟气的输运特性研究

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1、中国科学技术大学硕士学位论文不同排烟条件下通道内火灾烟气的输运特性研究作者姓名：蒋亚强学科专业：安全技术及工程导师姓名：霍然教授完成时间：二○○九年五月十日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationforMaster’sdegreeTheCharacteristicsofFireSmokeTransportinChannelsunderDifferentVentilationConditionsAuthor’sName：YaqiangJIANGSpeciality：S

2、afetyTechnologyandEngineeringSupervisor：Prof.RanHUOFinishedtime:10May,2009中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被

3、查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：___________年月日摘要摘要通道是从交通隧道、地铁站台通道、地下商业街等建筑抽象出来的一种典型建筑形式。随着城市建设和隧道工程的快速发展，国内外均建成了大量的通道形式结构。然而，近些年来，在通道中发生了多起群死群伤的灾难性火灾事故，引起很多研究者对通道内消防安全的高度关注。资料表明，火灾时通道内的不全燃烧程度很高，从而会产生大量的高温有毒烟气，而这正是导致人员死亡的主要因素

4、。因此，研究不同排烟条件下通道内火灾的烟气的输运特性具有重要意义。本论文首先通过理论分析、模型实验研究了烟气自由蔓延时，通道内CO浓度随时间的增长特性，并利用实验数据对CO浓度和烟气层温度在水平方向上的分布规律进行了对比分析；然后，通过模型实验和数值模拟，对横向机械排烟情况下烟气在水平和竖直方向上的输运特性开展了研究，并对实际工程中排烟优化设计提出了建议。论文的具体研究内容包括以下几个方面：前人在研究CO浓度的空间分布时，大多都是利用浓度稳态数值或者是浓度峰值，而忽略了对空间中CO浓度随时间增长的定量研究。本论文虑到CO沿通道向

5、远火源位置的输运过程中一些特殊现象，将通道内的烟气层任意划分为若干个水平区段，通过理论分析得到了任意区段内CO浓度随时间增长的理论模型，发现通道中CO浓度随时间符合幂指数增长，并在通道模型中开展实验验证了其合理性。根据实验结果还发现，CO浓度和温度在通道纵向上的分布存在较大差异。烟气层温度分布在通道纵向总体上都呈下降趋势，而CO浓度则在较高的位置上沿通道纵向表现为衰减趋势、在低位置上沿通道纵向呈增长趋势，从而导致了低位置处远火源区域的CO浓度高于近火源区域。从纵向典型位置处的烟气层化形态、烟气水平流速以及最高温升等方面入手，针对

6、机械排烟速率对烟气水平输运特性的影响开展了实验研究。采用激光片光增亮技术，实时捕获了烟气层化形态随排烟速率的变化情况。当排烟速率较小时，烟气能够维持很好的层化；随着排烟速率逐渐增大，烟气层与空气之间的掺混加剧，并且通道端部开口近处的掺混程度强于远处。使用Froude数很好的解释了烟气层掺混加剧以及不同水平位置处掺混强度出现差异的原因。同时还发现，随着排烟速率的增大，烟气的水平流速和最高温升都随之呈幂指数衰减规律。烟气层吸穿是烟气在竖向输运过程中的一个特殊现象，并且会导致机械排I摘要烟系统性能的降低。本文采用计算流体动力学程序对烟

7、气层吸穿随排烟速率增大的演化过程开展了模拟研究，定量分析了排烟口下方烟气层温度和厚度随排烟速率的变化特征。结果显示，烟气层吸穿速率存在过渡区和完全吸穿区；通道端部开口附近的烟气层厚度变化反映了机械排烟效率随着烟气层吸穿程度的增加而降低。本文最后通过引入排烟系统输出量（VSO）的概念，并基于实验数据，定量的分析了烟气层吸穿对排烟系统性能的影响，并为工程中的排烟优化提出了建议。结果表明，由于存在烟气层吸穿现象，排烟系统输出量的数值始终较小，两种火源功率（10.4kW和7.8kW）情况下的排烟系统输出量峰值分别约为36.0%和17.5

8、%，即经排烟口排出气体的绝大部分都是空气；随着排烟速率的增加，两种火源功率下的系统输出量均出现先增长，然后逐渐下降直至达到稳定数值，分别约为12.5%和7.5%。关键词：通道火灾通道模型CO浓度机械排烟速率烟气层化烟气流速烟气层吸穿数值模拟IIABSTRACTA