狹長地下空間火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)物理模型及尺度準(zhǔn)則研究.pdf

1、地下空間的開發(fā)利用是城市發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物,而狹長地下空間是其常見的一種建筑類型,包括地下交通隧道、地下通道等多種形式。統(tǒng)計(jì)表明,高溫、有毒煙氣是火災(zāi)事故中致死的主要原因,而狹長地下空間結(jié)構(gòu)的特殊性,使得火災(zāi)煙氣很難及時(shí)排出。因此,前人的研究多關(guān)注縱向臨界風(fēng)速、排煙有效性等和煙氣控制相關(guān)的方面。煙氣在狹長地下空間的運(yùn)動(dòng)特征,包括近場和遠(yuǎn)場的溫度分布、速度分布的研究是一個(gè)基礎(chǔ)性的研究課題,建立物理模型描述煙氣運(yùn)動(dòng)在狹長地下空間的運(yùn)動(dòng)過程

2、,有助于加深對各其影響因素的認(rèn)識。弗洛德模型是火災(zāi)中常用的尺度模型,當(dāng)應(yīng)用于狹長地下空間的煙氣運(yùn)動(dòng)時(shí),應(yīng)考慮各影響因素的相對重要性選擇尺度準(zhǔn)則。因此,本論文主要圍繞狹長地下空間中煙氣運(yùn)動(dòng)的物理過程以及尺度模型,采用理論分析、模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展研究。
　　首先,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,將煙氣在狹長地下空間運(yùn)動(dòng)分為五個(gè)子區(qū)域。前兩個(gè)區(qū)域采用前人已有模型,分別為羽流模型、頂棚撞擊。第三、四區(qū)域?qū)η叭艘延心Ｐ瓦M(jìn)行簡化,分別

3、用頂棚徑向射流方程和水躍方程進(jìn)行描述。
　　重點(diǎn)建立了第五個(gè)區(qū)域的控制方程,首次提出了用絕熱因子量化壁面升溫對煙氣縱向溫度衰減結(jié)果的影響。通過RK方法給出了控制方程的數(shù)值解,并在此基礎(chǔ)上提出了一種簡化形式解。結(jié)果發(fā)現(xiàn),溫度、速度均按指數(shù)函數(shù)形式衰減,溫度衰減指數(shù)由三個(gè)子因子相乘得到,分別是絕熱因子、St數(shù)和煙流相對厚度,速度的衰減因子約為溫度衰減因子的1/2次方。當(dāng)距離火源距離x≤20H時(shí),簡化解和RK方法解結(jié)果接近。
　　

4、為了驗(yàn)證理論模型,本文搭建了0.5m×0.5m×5.0m的小尺寸模擬實(shí)驗(yàn)臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在近火源場,頂棚撞擊區(qū)的最高溫度高于理論預(yù)測,而且頂棚徑向射流中的質(zhì)量卷吸會受到側(cè)壁影響,低于Turner卷吸模型的預(yù)測值。
　　對于遠(yuǎn)火源場,實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),溫度斷面分布接近高斯型,溫度分布峰值位于距頂棚約0.1H的位置,而溫度分布的半寬約等于煙流厚度,由狹長空間的寬高比決定,煙流厚度和理論預(yù)測值吻合很好;溫度和速度的縱向衰減和理論預(yù)測吻合很

5、好;理論分析揭示了溫度分布具有時(shí)間無關(guān)性,被小尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。
　　建立了狹長地下空間煙氣運(yùn)動(dòng)的尺度模型,發(fā)現(xiàn)需要滿足的尺度準(zhǔn)則根據(jù)重要度排序依次為(從強(qiáng)到弱):火災(zāi)熱釋放速率、縱向通風(fēng)、壁面阻力/對流熱損失、輻射熱損失(煙氣溫度高則重要性變強(qiáng))、傳導(dǎo)熱損失、湍流。
　　FDS數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了尺度模型的正確性。結(jié)果還發(fā)現(xiàn),對于速度場計(jì)算,相比于縱向通風(fēng),壁面阻力的影響可以忽略,應(yīng)首要保持縱向通風(fēng)和浮力速度按照尺度模型變