地下综合管廊天然气管道火灾模拟及消防对策研究

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随着我国城市化进程的加快,为了节约利用城市土地资源、提高城市工程管线使用效率、缓解城市的交通堵塞和改善城市的文明风貌和视觉景观,地下综合管廊在城市中应运而生。根据《城市综合管廊工程技术规范》GB50838-2015中规定天然气管线可以纳入地下综合管廊,但专门针对天然气管舱火灾规律尚未有相关文献,且现有规范中专门针对天然气管舱的探测器设置和灭火方式选择等设置均参考其他规范,其是否具有合理性有待进一步论证。本课题以西安市某地下综合管廊中的天然气管道作为研究对象,采用数值模拟的方法,对天然气发生火灾后在管舱中的烟气流动特性、温度场分布规律和气体泄漏后扩散规律进行了研究,在此基础上提出合理的消防对策措施,意在提出预防地下综合管廊天然气火灾的相关依据,确保天然气在管廊中输运的安全性,主要研究结论如下:(1)采用Fluent对天然气管舱中的火灾进行数值模拟,研究管舱中烟气温度和浓度的分布规律,结果表明,在天然气持续泄漏的情况下,200m长的封闭管舱中的空气仅能够维持火灾持续燃烧3分钟左右;天然气管舱内蔓延的烟气浓度和温度均出现“分区”现象,靠近火源处管舱顶部烟气温度均在2000K以上,对管舱结构造成破坏;随管舱末端烟气积聚,使末端的烟气温度略有升高,故天然气管舱的逃生口不应该设置在管舱两个端口处,建议将其设置在离末端5-8米处为宜;(2)利用高温对人体的伤害指标对管舱中危险区域进行划分,结果表明,管舱中的危险区域随火灾时间的增加而扩大,当火灾发生60s时,整个管舱均为危险区域,且已没有适合人体的安全区域;对天然气泄漏后的扩散规律分析知,泄漏压力相同时,气体扩散距离与时间呈正相关关系,即y=a+bx(x≥1),其曲线斜率表示气体在管舱中的扩散速度;利用可燃气体爆炸下限对管舱中泄漏气体危险区域进行划分,管舱的安全区域随泄漏时间的增大而缩小,危险区域随泄漏时间的增大而扩大,且管舱中的危险区域主要位于泄漏口下游方向;(3)基于天然气管舱中烟气流动特性和温度场分布规律,对消防措施进行分析研究,模拟结果表明,报警响应时间随着可燃气体泄漏压力的增大而减小,可燃气体报警探测器的响应浓度以爆炸下限的20%作为推荐值,事故状况下,管舱中应同时布置可燃气体探测器与感温探测器,共同监测管舱中发生的异常情况,干粉剂的灭火与降温效果优于细水雾,故在天然气管舱中选择干粉喷洒灭火装置更为合理。
摘要第3-5页
abstract第5-6页
1 绪论第12-26页
    1.1 研究背景第12-13页
    1.2 研究现状第13-22页
        1.2.1 狭长受限空间火灾研究进展第14-17页
        1.2.2 地下综合管廊火灾研究进展第17-21页
        1.2.3 直埋式天然气管道火灾研究进展第21页
        1.2.4 地下综合管廊相关规范第21-22页
    1.3 存在问题第22页
    1.4 研究内容第22-23页
    1.5 研究方法与技术路线第23-26页
        1.5.1 研究方法第23-24页
        1.5.2 技术路线第24-26页
2 燃烧数值模拟理论基础第26-32页
    2.1 控制方程第26-27页
        2.1.1 连续性方程第26页
        2.1.2 动量方程第26-27页
        2.1.3 能量方程第27页
    2.2 湍流模型第27-28页
    2.3 燃烧模型第28-29页
    2.4 离散相模型第29-30页
    2.5 计算收敛标准第30-32页
3 天然气管舱火灾烟气流动规律第32-48页
    3.1 综合管廊舱室内结构特征第32-33页
        3.1.1 断面尺寸设计要求第32-33页
        3.1.2 天然气管道入廊条件第33页
    3.2 天然气管舱模型建立第33-39页
        3.2.1 物理模型第33-34页
        3.2.2 模型简化第34页
        3.2.3 火源位置第34-35页
        3.2.4 边界条件第35-37页
        3.2.5 网格和时间步长无关性验证第37-39页
    3.3 结果与分析第39-47页
        3.3.1 天然气管舱火灾温度场分布第39-42页
        3.3.2 天然气管舱火灾浓度场分布第42-44页
        3.3.3 火灾烟气蔓延危险区域划分第44-47页
    3.4 本章小结第47-48页
4 天然气管舱气体泄漏扩散模拟分析第48-54页
    4.1 气体泄漏初期扩散过程第48-51页
        4.1.1 物理模型第48页
        4.1.2 模型简化第48-49页
        4.1.3 边界条件第49页
        4.1.4 结果分析第49-51页
    4.2 气体泄漏扩散危险区域划分第51-53页
    4.3 本章小结第53-54页
5 天然气管舱消防对策研究第54-60页
    5.1 可燃气体探测器设置第54-56页
    5.2 可燃气体探测器与感温探测器对比分析第56-57页
    5.3 干粉与细水雾灭火对比分析第57-59页
        5.3.1 物理模型第57页
        5.3.2 边界条件第57-58页
        5.3.3 模拟工况第58页
        5.3.4 结果与分析第58-59页
    5.4 本章小结第59-60页
6 结论与展望第60-62页
    6.1 结论第60页
    6.2 展望第60-62页
参考文献第62-68页
附录 研究生在读期间的研究成果第68-70页
致谢第70页
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