倾斜有曲率隧道火灾的数值模拟研究

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随着交通事业的不断发展,公路隧道的构造形式也越来越多样化,倾斜有曲率隧道的出现克服了地势高差、地形不良等地质条件的影响,更加方便了人们的交通出行。在公路隧道高速发展的同时,也存在隧道火灾的风险。近年来,国内外发生过多起重大的隧道火灾事件,给人们生命和财产造成了巨大的损失。而倾斜有曲率隧道构造特殊,一旦发生火灾,在坡度和曲率双重因素的影响下,火灾烟气蔓延的速度、方向和温度比一般的直线隧道更加复杂,加大了隧道火灾的救援和人员逃生的难度。因此,对倾斜有曲率隧道火灾的研究具有重大意义。
  本文首先介绍了隧道建设的发展、隧道火灾的危害和国内外对隧道火灾的研究现状,讲述了隧道火灾烟气蔓延的过程及烟气控制的方法;然后采用FLUENT数值模拟软件,研究了坡度隧道和曲线隧道火灾烟气蔓延规律,分析了坡度、曲率对隧道火灾烟气蔓延的影响;最后建立了倾斜有曲率隧道的三维模型,模拟了不同火源功率下倾斜有曲率隧道火灾,分析了坡度和曲率对火灾烟气蔓延的共同影响结果,考虑了纵向风对倾斜有曲率隧道火灾烟气的控制作用,模拟得到了不同火源功率下的临界风速值。主要的研究内容和成果如下:
  (1)坡度隧道发生火灾时,隧道下坡方向烟气蔓延的速度和温度随坡度增大而降低,隧道上坡方向烟气蔓延速度和烟气温度随坡度的增大而升高。在坡度0~3%范围内,隧道拱顶最高温度随坡度增大而减小,隧道坡度3~5%之间存在一个临界坡度值,临界坡度值以下拱顶最高温度随坡度增加而减小,临界坡度值以上拱顶最高温度随着坡度增大而增大。
  (2)曲线隧道发生火灾时,隧道曲率的存在会使得烟气的蔓延受阻,在近火火源处,隧道拱顶温度随着隧道曲率的增加而减小。
  (3)研究倾斜有曲率隧道发生不同火源功率的火灾。结果表明:火源功率越大,烟气的蔓延速度越快、温度越高;在隧道坡度和曲率共同作用下,隧道上坡方向烟气的温度高于隧道下坡方向,隧道外侧的温度高于隧道内侧的温度。
  (4)考虑纵向风对倾斜有曲率隧道火灾的影响。研究表明:风速越大,隧道内烟气的温度越低,逆风方向烟气的回流越小;火源功率为5、10、20MW的临界风速值分别为2.2、2.7、3.0m/s。
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