对细水雾的灭火效果数值模拟系统,不同的参数曲线的纵向通风隧道火灾

文摘

一旦长曲线隧道发生火灾时,冷烟流和热空气的混合导致动荡由于曲率的影响。这种现象会导致更大的热压力差在火灾源和温度场大大超过连续的隧道。纵向流动的空气沿墙失去很多速度曲线隧道由于大规模壁摩擦。在相同的灭火条件下,连续曲线隧道,隧道纵向通风有不同的要求。因素,如隧道曲率,纵向通风操作时间,和通风速度都是为了调查评估纵向通风的影响参数对细水雾的灭火效果曲线隧道。细水雾的灭火效果耦合曲线的纵向通风隧道通过数值模拟,研究了通风操作时间的推荐值和曲线隧道通风速度水雾系统的参与。结果表明,(1)细水雾的灭火效果随曲率的增加在纵向通风和(2)防火效果最好时,水雾在弯曲和纵向通风隧道通风速度应该大于2米/秒。

1。介绍

山隧道往往表现为穿越深谷和高山。为了避免遍历克服不利的地质和地形高程差异大,更多的曲线隧道已经出现。曲率从1/254到1/3000不等。隧道火灾是最危险的灾难以来操作期间大量的热,有毒烟雾产生的火,这严重影响安全的乘客和衬砌结构的稳定性。此外,烟雾扩散曲线隧道技术是相当不同的连续的隧道由于曲率之间的相互作用和离心力。

弯曲的隧道,大量的研究已经进行的限制和控制吸烟。钟等。1)进行了全面的试验研究烟气的发展倾向大弯曲隧道自然通风的地下空间在三个不同的消防力量。实验测量了垂直烟雾温度上升,靠近火的火羽流的流动特性,和最高烟气温度的变化在增长,稳定和衰减阶段的火灾。卢et al。2]研究了曲率对烟雾扩散的影响通过使用软件FDS在弯曲隧道火灾,对于理解之间的相关性影响的范围和程度的隧道曲率。李和谢3)建立了一个全面的基于计算流体动力学曲线隧道模型理论和火湍流数值模拟理论通过使用数值模拟方法。隧道的消防和通风条件全面曲线研究了CFD模拟软件。经纪人卡利恩et al。4]提出了CFD模型模拟弯曲双向公路隧道火灾的影响,关注隧道火灾位置的影响,隧道几何,飞机纵向通风的球迷,和存在的交通流在隧道火灾。虽然有很多研究弯曲隧道,研究细水雾灭火的弯曲隧道仍是空白。Zhang et al。5]用FDS 5.5.3的长度的数值研究烟层和临界通风速度的一系列弯曲地铁隧道转弯半径为300到1000米的放热率5和10兆瓦。王(6]研究了临界通风速度的数值模拟结果和火烟运动在不同横向位置的弯曲隧道,也给了层的长度三个横向发射阵地。刘(7)全面测试描述迫使desmoking条件下细水雾灭火系统。排烟有强烈影响水雾导致时无法扑灭的火灾通风率增加到120.0米³/分钟。本研究采用计算机建模来验证水雾系统室空间和确定水雾系统可以优化。

然而,只有抓住烟雾扩散定律在弯曲隧道来指导工程实践是不够的。随着隧道烟气控制的深入,水雾灭火系统已逐渐成为辅助隧道消防措施。因此,大量的研究已经进行了基于水雾系统。布兰查德et al。8)集中在火中级隧道并进行了实验和数值模拟。在他们的研究中,水喷雾直接喷在火上源控制火,打开纵向通风系统和探索隧道内温度变化的规律。结果表明,细水雾中发挥着重要作用的吸收热量,而且大部分的热量吸收水滴。唐et al。9)纵向临界速度进行了实验研究。实验结果表明,隧道的临界速度降低后激活的水基灭火系统。李等人。10)描述和分析实验使用水雾段(窗帘)防止烟和热传递在中尺度隧道。实验结果表明,细水雾的激活部分通常可以减少温度内天花板下的储备。水雾部分的屏蔽效果更好喷嘴时更加活跃和水压力较高。加罗语等。11)的影响研究雾除了作为反对流向一个小规模的液体(庚烷)池火结构,确认辐射衰减不能确认为灭火的主要机制。梁等。12)之间的相互作用进行了数值研究横向通风和水雾窗帘在大型隧道。结果表明,水幕和横向通风系统可以有效地限制火灾和烟雾,和环境限制地区适用于疏散。崔和刘13)提出,没有削弱细水雾的灭火效果,适当的机械通风系统可以有效降低烟气浓度,热辐射强度、强度和总热通量。它也可以增加O的浓度₂并减少CO体积分数。在某种程度上,机械通风系统的联合行动和水雾将帮助确保人员安全用火。陈等人。14)发现,当雾喷嘴之间的间隔和火灾扩大,灭火时间之间的关系曲线和通风速度显示了一个“V”的人物。

然而,上述研究的研究对象主要是直的隧道。越来越少的耦合研究弯曲隧道。过量空气降低灭火效率,但适当的通风可以稍微提高火燃烧,进一步加强水雾冷却的效果。可燃物的不完全燃烧会产生一氧化碳和烟雾,形成一层厚,浓密的烟雾。热烟气层由细滴几乎渗透,但可以降低烟尘浓度的稀释空气和燃料的完全燃烧。这种效应使水滴实现火灾。与此同时,对流传热和辐射衰减引起的新鲜空气在减少辐射热发挥他们的积极作用反馈可燃物的烟。当水雾系统和通风系统在隧道,同时使用一个复杂的水雾,火,和通风耦合形成,主要影响灭火。有许多情况下,同时使用两种系统,通风系统纵向通风。具体工程的结果如表所示1(15,16),包括Jinjiazhuang隧道。纵向通风通常会对细水雾灭火有负面影响,主要体现在两个方面:(1)纵向通风系统将改变原来的水滴的运动轨迹而消除高温和有毒烟雾,导致水滴偏离火来源,这可能会导致小粒径的水雾未能达到火焰的根源,如图1。灭火的效果是减少由于机械排气增加火羽流的浮力和影响的动量,水雾到达火焰的根源。(2)公路隧道纵向通风将带来大量的新鲜空气,这将带来足够的氧气在隧道火灾源甚至起到助燃的作用。这是不利于隧道灭火。这些负面影响不仅直接出现在隧道,也适用于曲线隧道。

目前的研究主要集中在探索在线性公路隧道纵向通风的影响在水雾灭火17- - - - - -19]。因此,根据Jinjiazhuang隧道的实际大小和FDS数值模拟的方法,研究了纵向通风和水雾系统之间的交互,设计合理的开放时间,不同曲率下纵向通风风速。而且,相应的建议值。结果可以为隧道提供参考设计师在隧道消防防排烟的设计。

2。数值模拟

2.1。采用FDS

火灾动力学仿真软件(FDS)是一种常用的火灾模拟工具,它可以综合考虑火灾烟流的各种流程。FDS也可以实现两相流的耦合模拟,吸烟,和颗粒。采用大涡模拟湍流模型在这个FDS数值计算。FDS的主要控制方程(20.)如下:质量守恒定律: 动量守恒: 能量守恒: 保护物种:

喷雾特性是由一组参数,包括流体热特性、液滴大小分布、喷雾特性。在FDS喷雾模型中,拉格朗日粒子用于表示水滴。液滴尺寸分布是由对数正态分布和泊松分布:

汽相的质量和能量转移公式或滴如下:

2.2。数值模型

基于Jinjiazhuang隧道的实际尺寸,建立了数值模型,和曲率是1/860,1/500,而直。数值模型的大小是300 m×13米×8.7米(长×宽×高)。水雾喷嘴的高度是5米,和相邻喷嘴之间的距离是3米。水雾灭火区域的总长度是50米。喷嘴是10 m / s的速度,流量是15 L / min。喷嘴工作压力是12 MPa,水雾液滴的直径是300 。火源石油盆地是一个充满了庚烷、火灾源面积是0.36米²火的大小是30兆瓦,火源位于50米远离隧道的入口。

模拟环境温度是20°C,进口和出口的边界条件设置为“开放。“入口边界条件改为“供应”代表在隧道纵向通风。

90年代水雾系统被激活后点火,可见性和温度测量浓度点排列在人眼的高度从地面(2.0米)和拱顶的高度。每1秒的可见性和温度记录。图2显示的位置测量数值模拟所讨论的要点。此外,为了监测的流量和温度场,在不同高度水平切片(中等身材z= 2.0米,略低于天花板z= 4.9米)和纵向切片在不同距离火源(10 m, 20米、30米、50米和100米的火源)定义。

考虑到曲率半径,纵向通风的速度,纵向通风的开放时间,和其他因素,21个工作条件设计,如表所示2。计算条件1是用于研究细水雾灭火的作用下多因素耦合。验证的准确性FDS、计算条件21是根据实验设计的小型隧道纵向排烟和高压细水雾21]。

2.3。敏感性研究网格的大小

在FDS火灾模拟,网格的大小决定了仿真结果的准确性。随着网格数量的增加,计算结果更准确,但计算时间也在不断增加。因此,网格的大小通常是由火灾特征直径D火的来源。建议当网格大小作为火灾特征直径的1/10,模拟结果是准确的。D计算公式(22)如下:

热释放率的关键因素是直接影响火灾特点。30 MW火力,D的价值约为3.66 m。这意味着网格大小为0.36米或更少应该提供可靠的结果。获得适当的网格尺寸,网格敏感性分析进行的先前的研究[17]。的网格尺寸0.2米,0.25米,0.5米是选择在当前工作。

图3显示了隧道纵向截面的温度分布接近火源不同网格大小的。0.5网格大小有一个更快的温度上升,因为火灾源的位置比其他网格。厚网眼有厚层烟,网格尺寸0.2米和0.25米的结果几乎是一样的。因此,网格大小FDS计算在这项研究中使用0.25米。

3所示。结果和讨论

3.1。验证工作

验证的正确性FDS计算,一个小规模的隧道纵向排烟和高压水雾耦合实验模型,Zhang et al。21选择数值模拟。模型尺寸(长×宽×高)是6 m×1.5 m×2 m,和一个小柴油池火(250毫米×200毫米)作为研究对象。油池所在地直属水雾喷嘴。的选择计算验证。在这个计算条件下,水雾喷头的工作压力是15 MPa。实际的流量是19 L / min,液滴直径是≤200 。打开风扇,确保纵向通风风速达到1 m / s。纵向通风和水雾打开90年代后被点燃的油池。直接测量点的高度500毫米以上火灾源和1500毫米的高度从地面设置测量火焰温度场。

FDS的比较计算结果和模型试验结果如图4。FDS模拟结果和实验结果的趋势一般协议。测点的温度不断增加水雾之前打开。它在短时间内激活后的水雾,然后减少。误差控制在15%以内,满足误差要求(23]。因此,通过FDS结果可信。

3.2。纵向通风的影响在水雾系统不同曲率下

细水雾具有更稳定的形式没有机械通风,发挥更好的作用在阻止烟雾和显著降低温度。然而,水滴的运动将大大干扰开放纵向通风。水滴落到下游道路在很长一段距离,减少烟绝缘和冷却的效果。一般来说,气流更可能被打扰一个小粒度的作用下强制通风。干扰导致液滴的速度不稳定,减少液滴的势头,对灭火有不利影响。

图5显示了一个隧道的拱顶温度变化曲线的曲率不同纵向通风速度下1/500和1/860。与不同曲率下通风速度的增加,温度的变化趋势是一致的。在同样的曲率,纵向通风速度越高,温度越低的隧道。最高温度为261°C在拱顶的高度,和最低的温度是20°C。当纵向通风速度是2 m / s,高温危险区域(区域温度高于60°C在人眼高度)附近的火来源是最短的。隧道的上游是保持在一个正常的温度20°C,随着纵向通风速度增加到3 - 4米/秒。100米内下游火来源,由于烟气温度波动的干扰,冷热空气的对流。与纵向通风速度的增加,波动越来越激烈。

隧道的温度变化曲线的曲率在不同高度的纵向风速1/500人类的眼睛是图所示5 (b)。火焰的温度在上游来源基本上是保持在安全极限,达到100°C源附近的火。与通风速度的增加,烟流的干扰越来越严重,在人眼的高度和温度在50米的下游火灾源不断波动。当纵向通风速度是2 m / s,高温危险区域是最短的。温度波动趋于稳定后50米的下游火来源,只和温度波动之间100米后35 - 45°。

3.3。不同曲率下通风系统的操作时间

3.3.1。温度变化在不同的弯曲度

公路隧道火灾的烟雾产生一个非常高的温度。衬,高温将导致混凝土衬砌结构破裂,这将影响衬砌结构的安全。人,火焰的热辐射导致烧伤。因此,有必要开展研究的温度变化在眼睛的高度和拱顶的高度耦合下的隧道火灾,水雾,纵向通风。

(1)温度变化在拱顶的高度。温度分布研究探索耦合的影响隧道纵向通风和细水雾的不同的弯曲度。图6显示的温度变化时各种曲率的隧道拱顶纵向通风打开在60年代,90年代和120年代,没有纵向通风。烟气温度波动极大地靠近火源。随着曲率增加,电阻和温度在相同的高度增加。纵向通风后打开在不同模拟条件下,气温下降明显,如图6。提前与轴流风机操作时间,冷却时间缩短。纵向通风始于60年代,90年代和120年代,和所需的时间,拱顶以上火灾源的温度稳定在大约60°C是150年代,130年代和140年代,分别。

120年代降温效果的情况下纵向通风条件优于没有纵向通风,这表明,打开纵向通风对减少温度有显著影响隧道。如图6,当纵向通风和水雾打开同时,隧道的温度相对较低,基本上维持35°C以下。比较不同的操作时间的计算模拟,这并不是说隧道中的温度下降更快的早些时候打开通风。隧道的纵向温度分布与纵向通风的影响程度的水雾。纵向通风时打开过早,温度下降不明显是因为下游水雾液滴的距离。热烟不能及时消除的延迟开放纵向通风。从最初的水雾更高的流量和较低的纵向风速、纵向通风对水雾的影响非常小,因此灭火效果明显,如图7。相反,纵向通风允许烟流不断使液滴进入火焰区,减少烟气的热量辐射。

(2)温度变化在人类眼睛的高度。每个隧道横截面的温度分布图当曲率是1/860如图8。如图8,高温区域的范围主要集中在下游100米的来源,有明显的温度分层。最高温度是55°C的隧道,和温度低于2米是接近正常温度。火灾的热烟气速度上游来源是相对缓慢的纵向通风的阻力。然后,上游烟流回下游部分。在这个过程中,烟雾逐渐失去浮力和水槽的下方隧道,引起火灾的下游部分的横截面温度源达到约50°C。早期的纵向通风,温度降低越快的下游火灾源。

3.3.2。不同曲率下冷却效果

根据NFPA-15,喷水应当被认为是有效的任何一个或组合的下列目标:(1)火灾的灭火;(2)控制的燃烧;(3)接触保护;(4)预防火灾。数据9(一个)- - - - - -9 (c)显示火源热释放率的变化曲线在不同模拟条件。图9 (d)显示了消防所需的时间在不同的通风操作时间。

通过比较分析,发现,风扇的开始时间之前,灭火时间短,效果明显。直下的风机的启动时间和曲线隧道有不同影响灭火所需的时间。在曲线隧道消防时间随曲率的增加。曲率1/500隧道,控制火减少所需的时间从220年代到190年代与推进开放120年代到90年代的纵向通风。这是因为墙抵抗吸烟的隧道曲率增加而增加。火灾的热释放率来源将会增加手术后在短时间内通风的模拟条件,表明纵向通风加速影响石油和火灾的热释放率。

3.4。不同曲率下通风系统的速度

大规模生产的火灾烟雾,烟雾中含有大量的有毒、有害气体和灰尘,导致受害者经验中毒的生理现象。蔓延高温烟掩盖了人们的视线,大大减少了疏散的速度。相关研究表明,隧道的火灾风险的关键条件如下:(1)2.0米的身高,特点是人眼的隧道,烟气温度不超过60°C(2)的高度2.0米,人眼的能见度小于10米

3.4.1。温度变化在人类眼睛的高度

图10展示了速度场的人眼在不同曲率半径下的隧道。如图10有一小部分火灾烟气逆流上游的来源。热烟和冷空气的混合形成漩涡。由于液体的粘度和增加隧道弯曲壁摩擦,形成较大的速度梯度在墙上面,和速度的中心隧道约3米/秒。同时,受到热烟雾的影响,隧道是冷热空气强烈对流,导致不均匀的速度分布在一定范围内下游火灾源。下游的遥远,墙附近的速度降低,中心速度增加到约3.5 m / s由于曲率的影响。

与直隧道相比,侧壁的烟气速度降低结果的影响曲线隧道侧壁,中心和烟速度较高。

图(11日)是一个温度场在人眼的高度不同曲率下隧道。连续的高温区域隧道位于50 m下游的火源,而曲线隧道火灾的高温区域主要集中在下游100米的来源。隧道的一侧温度高于另一侧弯曲方向的曲线隧道。影响隧道壁阻力,隧道曲线的曲率越大,温度越高。

如图11 (b),比较人眼的高度的温度分布在不同的曲率,可以看出,曲率越大,烟气回流长度越短。温度更接近100后下游的来源。隧道大曲率的温度高于小曲率。

3.4.2。能见度变化在人类眼睛的高度

可见性成反比碳颗粒的浓度在一个火灾场景。公司和煤烟颗粒都与不完全燃烧产生的。烟气扩散的过程中,CO的浓度和烟尘粒子将被稀释到一个稳定的程度。

如图12上游的火,没有烟源在200年代,能见度是30 m。早期的纵向通风可以显著提高火灾区域的可见性,减少不利影响细水雾的可见性。能见度下降到10 m在20 m靠近火源,曲率越大,越低可见性。由于下游烟气的分层,煤烟颗粒相对较小,可见性增加到30米的距离20米从火中源。能见度的变化在不同曲率下人眼高度表明,曲率越大,越低可见性。

4所示。结论

火的好处的环境控制和水雾冷却曲线隧道火灾是显而易见的,现在分析与基于Jinjiazhuang隧道纵向通风。大量的数值模拟进行了考虑曲率因素,纵向通风系统的操作时间,纵向通风速度。细水雾的灭火作用耦合纵向通风在不同因素进行了定量分析。研究的结论可以总结如下:(1)曲率耦合纵向通风速度的仿真结果表明,曲率越大,温度越高能见度越低,这是不利于人员的安全疏散。在同样的曲率,纵向通风速度越高,温度越低的隧道。但高温危险区域附近的发射源短通风2米/秒的速度。因此,建议纵向通风速度应该是2 m / s时,水雾。(2)通过比较分析曲率耦合纵向通风操作时间,可以得出结论,曲率越大,越需要消防时间。在同样的曲率,建议同时开放的纵向通风和水雾在90年代。(3)Jinjiazhuang隧道与曲线的仿真结果表明,纵向通风推荐值应该是1/860超过2 m / s对烟气冷却和人疏散。建议纵向通风和水雾系统同时运作,以防火灾。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是经济上的资助支持河北省高速公路燕庄建设办公室(批准号yc - 201903)。

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