点式排烟模式下地铁隧道火灾烟气特性与控制方法研究

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随着我国地铁建设的快速发展,越来越多超过3公里的长区间隧道建成使用,由于地铁列车发车间隔短,长区间隧道内会出现多车追踪的现象。列车在区间隧道内发生火灾时,为了避免纵向通风排烟对追踪列车运行造成影响,点式排烟模式是一种有效的排烟方案。然而,目前点式排烟系统在地铁隧道中的应用尚缺乏相关的标准,也没有相应的设计方法。因此,本文采用模型实验、三维数值计算和理论分析相结合的方法,对点式排烟模式下地铁区间隧道火灾烟气温度特性和风口排烟特性进行了系统的研究。通过模型实验研究了火灾热释放率、排烟量、风口间距和纵向火源位置对顶壁下方最高温度和火源段烟气纵向温度分布的影响。实验结果表明,排烟量和纵向火源位置不会影响顶壁下方最高温度和火源段烟气纵向温度分布;风口间距对火源段烟气纵向温度分布没有影响;采用无量纲烟气温升揭示了火灾热释放率和烟气纵向温度分布的内在联系,即烟气在一维流动阶段,无量纲烟气温升与无量纲火灾热释放率无关。在对上述火灾烟气温度特性影响因素分析的基础上,采用理论分析的方法,分别建立了顶壁下方最高温度和火源段顶壁烟气纵向温度分布的理论计算模型;为了便于工程应用,给出了由实验数据驱动的火源段顶壁烟气纵向温度分布简化计算关系式。采用模型实验的方法对风口“吸穿”现象进行了研究。实验结果表明,“吸穿”发生时临界排烟量随火灾热释放率、风口面积和宽长比的增加而增加;当全尺寸风口面积大于4 m~2时,风口下方烟气流动类似于一般建筑火灾中的溢出羽流,与“吸穿”现象不同。基于模型实验和三维数值计算,分析了火灾热释放率、风口间距、风口面积、风口的宽长比和纵向火源位置对完全排烟临界排烟量的影响。实验和数值计算的结果表明,完全排烟临界排烟量随火灾热释放率的增加而增加,随风口间距、风口面积和风口的宽长比的增加而减小,随火源逐渐偏离隧道中心而增加。在对风口下方烟气受力分析的基础上,采用Froude准则数(排风惯性力和由烟气热压引起的水平惯性力的比值)判断“吸穿”现象发生与否和完全排烟的临界状态,并在将相关影响因素无量纲化,分别建立了“吸穿”发生的临界判据和完全排烟临界排烟量的半经验计算模型。最后,根据火灾烟气特性的研究成果和理论计算模型,得到了适用于地铁区间隧道火灾的点式排烟系统应用方法。
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