一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法及应用。所述最高温度预测方法包括：根据隧道坡度确定火灾场景模拟基础设定参数；改变火源位置与变坡点之间的距离，通过火灾动力学模拟软件进行数值模拟计算，获得不同条件下隧道内顶板最高温度值；根据数值模拟实验所得出的最高温度值，确定所述“V”形坡隧道内顶板最高温度变化相关参数及模拟基础参数对隧道温度变化的影响因子；根据所述相关参数及影响因子，构建“V”形坡隧道内顶板最高温度预测模型。本发明专利技术适用于不同火源功率、不同火源位置下，不同坡度的V形坡隧道火灾发生时隧道纵向中心线的顶板最高温度预测。时隧道纵向中心线的顶板最高温度预测。时隧道纵向中心线的顶板最高温度预测。

【技术实现步骤摘要】
一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法及应用


[0001]本专利技术涉及隧道火灾防排烟
，具体涉及一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法及应用。

技术介绍

[0002]由于隧道的狭长封闭结构导致隧道内温度快速上升。据事故数据统计表明，烟气是建筑火灾中对人类生命安全威胁最大的因素，而隧道拱顶下方烟气层的温度会影响到钢筋混凝土的力学性能，当隧道温度达到400℃以上，混凝土抗压强度显著下降，混凝土衬砌结构发生开裂、脱落等现象，不仅阻碍救援行动，还会破坏隧道整体结构，带来更严重的事故后果。
[0003]现有研究表明，V形隧道内火灾热释放速率、火源位置及纵向通风等因素对隧道火灾最大烟气温度均有影响。
[0004]然而对于隧道内交通事故引发的火灾事故，前人的研究多集中在水平隧道或单坡隧道，对双坡耦合隧道的研究是有限的。同时，由于火源位置的变化会导致双坡耦合隧道内产生“烟气竞争”效应，导致隧道内的温度分布规律发生变化。且与单坡隧道相比V形隧道内火源位置变化对隧道火灾烟气运动状况有一定影响，前人提出的最高温度计算公式并不完全适用于V字形隧道。因而，双坡耦合作用下的“V”形坡隧道火灾最高温度预测模型还需进行进一步的研究，“V”形坡隧道火灾最高温度的准确预测能为预防事故损害提供科学依据。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法，旨在搭建双坡耦合作用下的“V”形坡隧道火灾最高温度预测模型。
[0006]为实现上述目的，本专利技术通过技术方案来实现：一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法，包括以下具体步骤：
[0007]步骤1，“V”形坡隧道内顶板最高温度影响因素的量纲分析：
[0008]V形坡隧道内发生火灾时，影响隧道中心线上最大温升ΔT
max
的影响因素包括，恒定影响因素：隧道内纵向风速V
t
、隧道高度H、火源所在坡度隧道长度L、环境温度T0、环境空气密度ρ0、空气比定压热容C
p
和重力加速度g，偶发影响因素：火源功率Q、火源与V形坡变坡点的距离l、隧道左侧坡度θ1及右侧坡度θ2，V形坡隧道左右两侧坡度相同，即|θ1|＝|θ2|＝θ
*
，则关系式如下：
[0009]ΔT
max
＝f(V
t
，H，L，Q，T0，ρ0，C
p
，g，l，θ
*
)
ꢀꢀ
(6)
[0010]从式(6)的11个量中选取V
t
、H、L、T
o
、ρ0为基本物理量，根据π定理，可以变为：
[0011]f(π1，π2，π3，π4，π5，π6)＝0
ꢀꢀ
(7)
[0012]通过量纲分析求解得到以下6个无量纲项：
[0013][0014]式(9)可以化为：
[0015]ΔT
max
/T0＝f(Q
*
，l/L，θ
*
)
ꢀꢀ
(11)
[0016]式(11)包括无量纲影响因素：无量纲隧道内最大温升ΔT
max
/T0、无量纲火源功率Q
*
、无量纲火源位置l/L、隧道坡度θ
*
，隧道内最高温度T
max
＝ΔT
max
+T0；
[0017]步骤2，确定模拟火灾场景的基础设定参数，基础设定参数是与经步骤1的量纲分析得到的无量纲项相关的偶发影响因素：隧道坡度θ
*
、火源位置l和火源功率Q；
[0018]步骤3，以步骤2选取的偶发影响因素作为变量使用FDS软件设置多种隧道模型的燃烧工况，并给FDS软件设置网格尺寸；
[0019]所述隧道模型是“V”形隧道，“V”形隧道为两端隧道对称布置并且自然通风的隧道，采用混凝土材质，隧道模型还包括参数：隧道模型总长L，隧道横断面宽度、高度H，燃烧工况是不同偶发影响因素组合后的多种工况，所述隧道坡度θ
*
表示隧道的水平方向变化距离与其垂直方向变化距离的比值，隧道坡度θ
*
的范围设定为5％
‑
15％，所述火源位置l表示隧道中心线上稳态火源与变坡点之间的距离，火源位置l与“V”型坡单侧隧道长度L的比值l/L为无量纲参数，所述火源功率Q的范围设定为5
‑
10MW；
[0020]步骤4，在步骤3设置的各种燃烧工况中，选取不同火源功率和各隧道坡度θ
*
的组合，每种组合中改变火源与变坡点之间的距离l，通过火灾动力学模拟软件FDS进行各燃烧工况的隧道中心线上温度T的数据模拟计算，提取出各燃烧模型中燃烧过程为准稳态时隧道中心线上最大温度T
max
，将各燃烧工况中得到的隧道中心线上最大温度T
max
转换为步骤1得到的无量纲隧道内最大温升ΔT
max*
，
[0021]获得不同火源功率条件下各隧道坡度θ对应的无量纲隧道内最大温升ΔT
max*
与l/L的关系曲线，根据该关系曲线的形态，可知该曲线对应指数函数模型，得到拟合方程：其中A和B是拟合系数；
[0022]步骤5，根据步骤4获得的拟合系数A和B的数据集，根据所述基础设定参数与拟合系数A和B的关系曲线，得到拟合系数A与隧道坡度θ
*
和火源功率Q的关系，和拟合系数B与隧道坡度θ
*
的关系：
[0023]A＝f(Q
*
，θ
*
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0024]B＝f(θ
*
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)；
[0025]由已知的水平隧道中隧道顶板最高温度与火源功率关系，拟合各种隧道坡度θ
*
下，拟合系数A与火源功率Q之间的相关性，并使用幂函数公式进行数据拟合，得到多条拟合曲线，每条拟合曲线均由下式表达
[0026]A＝a
·
Q
*b
ꢀꢀ
(17)；
[0027]将幂指数b取为不同隧道坡度θ
*
时各拟合曲线幂指数的平均值b
’
，修正式(17)，由式(15)和式(17)的修正式可得A
·
Q
*
‑
b
‘
＝f(θ
*
)
ꢀꢀ
(19)；
[0028]按式(19)拟合各隧道坡度θ
*
与修正后的A值之间的关系曲线，得到A
·
Q
*
‑
b
’
＝d
·
θ
*c
(20)，d、c为常数；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于“V”形坡隧道内顶板最高温度预测的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1，“V”形坡隧道内顶板最高温度影响因素的量纲分析：V形坡隧道内发生火灾时，影响隧道中心线上最大温升ΔT
max
的影响因素包括，恒定影响因素：隧道内纵向风速V
t
、隧道高度H、火源所在坡度隧道长度L、环境温度T0、环境空气密度ρ0、空气比定压热容C
p
和重力加速度g，偶发影响因素：火源功率Q、火源与V形坡变坡点的距离l、隧道左侧坡度θ1及右侧坡度θ2，V形坡隧道左右两侧坡度相同，即|θ1|＝|θ2|＝θ
*
，则关系式如下：ΔT
max
＝f(V
t
，H，L，Q，T0，ρ0，C
p
，g，l，θ
*
)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)从式(6)的11个量中选取V
t
、H、L、T0、ρ0为基本物理量，根据π定理，可以变为：f(π1，π2，π3，π4，π5，π6)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)通过量纲分析求解得到以下6个无量纲项：式(9)可以化为：ΔT
max
/T0＝f(Q
*
，l/L，θ
*
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式(11)包括无量纲影响因素：无量纲隧道内最大温升ΔT
max
/T0、无量纲火源功率Q
*
、无量纲火源位置l/L、隧道坡度θ
*
，隧道内最高温度T
max
＝ΔT
max
+T0；步骤2，确定模拟火灾场景的基础设定参数，基础设定参数是与经步骤1的量纲分析得到的无量纲项相关的偶发影响因素：隧道坡度θ
*
、火源位置l和火源功率Q；步骤3，以步骤2选取的偶发影响因素作为变量使用FDS软件设置多种隧道模型的燃烧工况，并给FDS软件设置网格尺寸；所述隧道模型是“V”形隧道，“V”形隧道为两端隧道对称布置并且自然通风的隧道，采用混凝土材质，隧道模型还包括参数：隧道模型总长L，隧道横断面宽度、高度H，燃烧工况是不同偶发影响因素组合后的多种工况，所述隧道坡度θ
*
表示隧道的水平方向变化距离与其垂直方向变化距离的比值，隧道坡度θ
*
的范围设定为5％
‑
15％，所述火源位置l表示隧道中心线上稳态火源与变坡点之间的距离，火源位置l与“V”型坡单侧隧道长度L的比值l/L为无量纲参数，所述火源功率Q的范围设定为5
‑
10MW；步骤4，在步骤3设置的各种燃烧工况中，选取不同火源功率和各隧道坡度θ
*
的组合，每种组合中改变火源与变坡点之间的距离l，通过火灾动力学模拟软件FDS进行各燃烧工况的隧道中心线上温度T的数据模拟计算，提取出各燃烧模型中燃烧过程为准稳态时隧道中心线上最大温度T
max
，将各燃烧工况中得到的隧道中心线上最大温度T
max
转换为步骤1得到的
无量纲隧道内最大温升ΔT
max*
，获得不同火源功率条件下各隧道坡度θ对应的无量纲隧道内最大温升ΔT
max*
与l/L的关系曲线，根据该关系曲线的形态，可知该曲线对应指数函数模型，得到拟合方程：其中A和B是拟合系数；步骤5，根据步骤4获得的拟合系数A和B的数据集，根据所述基础设定参数与拟合系数A和B的关系曲线，得到拟合系数A与隧道坡度θ
*
和火源功率Q的关系，和拟合系数B与隧道坡度θ
*
的关系：A＝f(Q
*
，θ
*
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜学鹏，于思维，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：