一种隧道火灾区段临界长度确定方法、装置及可存储介质与流程

1.本发明涉及消防安全技术领域，更具体的说是涉及一种隧道火灾区段临界长度确定方法、装置及可存储介质。


背景技术：

2.目前，随着城市人口的不断增加，地面交通状况不佳，为缓解地面交通压力，城市隧道得到了飞速发展。然而，隧道是一个狭长受限空间，一旦发生火灾将给人们带来较大损失，统计结果表明：火灾中影响较大的因素是烟气，因此准确的掌握隧道烟气蔓延规律对制定排烟方案和现场指导人员疏散具有重要的意义。
3.但是，目前根据烟气在隧道内不同位置处的流动特性，可以将隧道火灾烟气蔓延区域划分为近火源区域、一维流动区域和湍流掺混区域。合理的数值计算区段长度范围应涵盖隧道火灾近火源区域和烟气一维流动区域，一方面目前关于上述三个区域范围长度尚未提出可靠的界定依据；另一方面目前隧道火灾烟气流动特性及其控制的研究方法主要包括全尺寸实体隧道火灾试验、缩尺寸隧道模型火灾试验和计算机数值模拟，实体试验由于前期准备工作周期长，人力、物力成本较高，不便于大规模推广应用。模型试验中的参数设置如墙体材料和厚度、环境温度等变量与真实隧道相比存在一定差异，试验结果的准确性容易受到干扰。
4.因此，如何提供一种能够解决上述问题的隧道火灾区段临界长度确定方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种隧道火灾区段临界长度确定方法、装置及可存储介质，方法简单，适用于不同断面结构尺寸隧道，便于工程设计人员直接根据网格尺寸获得所需隧道模型长度。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种隧道火灾区段临界长度确定方法，包括：
8.s1：确定待检测隧道的近火源区长度值以及湍流掺混区域长度值；
9.s2：获取待检测隧道内部的影响参数，建立近火源区长度与影响参数的模型，以及湍流掺混区域长度与影响参数的模型；
10.s3：对近火源区长度模型及湍流掺混区域长度模型进行非线性拟合，得到对应影响参数的取值，并建立无量纲的近火源区长度计算模型和湍流掺混区域长度计算模型；
11.s4：根据近火源区长度模型和湍流掺混区域长度模型，得到对应的一维流动区域长度模型；
12.s5：根据近火源区长度模型和一维流动区域长度模型得到数值区段临界长度，利用非线性拟合方法和网格尺寸计算方法对数值区段临界长度进行处理，得到对应的区段临界长度计算模型。
13.优选的，包括：所述步骤s1中近火源区长度的判定依据如下式所示：
14.δt＝|t
c-ts|
[0015][0016]
式中，tc为隧道拱顶中心线附近处烟气温度，ts为隧道拱顶侧壁附近处烟气温度，d(δt)/dx为隧道中心线和侧壁处沿程温差，当沿程温差小于0.2℃/m时，则标志着近火源区长度截止点，烟气开始进入一维流动状态。
[0017]
优选的，所述步骤s1中湍流掺混区域长度的判定依据如下式所示：
[0018][0019]
式中，δv为剪切速度，即烟气层和空气层的平均速度之差；g为重力加速度，取9.81m/s2；δt代表上层热烟气与下层冷空气层之间的平均温差；t为上层热烟气的平均温度；h为烟气层厚度。
[0020]
优选的，所述步骤s2中所述影响参数为：火源功率、空气温度、重力加速度、空气比热容、空气密度及隧道水力直径。
[0021]
优选的，所述步骤s2中近火源区长度ln和湍流掺混区域长度lc与所述影响因素的表达式为：
[0022][0023]
式中，q为火源功率，t0为空气温度，g为重力加速度，c
p
为空气比热容，ρ0为空气密度，h为隧道水力直径。
[0024]
优选的，所述步骤s3中无量纲的近火源区长度和湍流掺混区域长度计算模型的表达式为：
[0025][0026]
式中，q
*
为火源功率的无量纲表示，l
n*
为近火源区长度的无量纲表示，l
c*
为湍流掺混区域长度的无量纲表示，λ和μ为需拟合得出的关系系数，α和β为需拟合得出的关系幂指数。
[0027]
优选的，所述步骤s4中确定一维流动区域长度的表达式如下：
[0028]
l
n*
＝nl
c*
[0029]
l
o*
＝l
t-(n 1)l
c*
[0030]
式中，n为比例系数，l
n*
为近火源区长度的无量纲表示，l
c*
为湍流掺混区域长度的无量纲表示，l
o*
为一维流动区域长度的无量纲表示。
[0031]
优选的，所述步骤s5中根据近火源区域和一维流动区域长度得到不同工况下的数值区段临界长度，进而利用非线性拟合和网格尺寸计算公式推导出区段临界长度计算模型如下：
[0032]
ld＝c nd
*
[0033]
式中：ld为隧道火灾数值计算区段临界长度，d
*
为网格尺寸公式，c为需拟合得出的关系常数。
[0034]
进一步，本发明还提供一种确定隧道火灾区段临界长度确定装置，包括：
[0035]
第一计算模块，用于确定待检测隧道的近火源区长度值以及湍流掺混区域长度值；
[0036]
第二计算模块，用于获取待检测隧道内部的影响参数，建立近火源区长度与影响参数的模型，以及湍流掺混区域长度与影响参数的模型；
[0037]
第三计算模块，用于对近火源区长度模型及湍流掺混区域长度模型进行非线性拟合，得到对应影响参数的取值，并建立无量纲的近火源区长度计算模型和湍流掺混区域长度计算模型；
[0038]
第四计算模块，用于根据近火源区长度模型和湍流掺混区域长度模型，得到对应的一维流动区域长度模型；
[0039]
第五计算模块，用于根据近火源区长度模型和一维流动区域长度模型得到数值区段临界长度，利用非线性拟合方法和网格尺寸计算方法对数值区段临界长度进行处理，得到对应的区段临界长度计算模型。
[0040]
进一步，本发明还提供一种计算机可存储介质，所述计算机可存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的临界长度确定方法。
[0041]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种隧道火灾区段临界长度确定方法、装置及可存储介质，通过获取近火源区域、一维流动区域和湍流掺混区域长度的判定依据和计算方法，然后根据近火源区域和一维流动区域长度提出隧道火灾区段临界长度确定方法，方法简单，可根据隧道实际情况设置参数，适用于不同隧道断面和火源功率的隧道。方法科学有效，应用了π定理和量纲分析，更具理论基础；本方法在量纲关系推导过程中基本考虑了全部的影响因素，得到的结果更具创新性和指导意义。提出考虑无量纲隧道火灾近火源区域、一维流动区域长度计算公式，利用非线性拟合和网格尺寸计算公式推导出隧道火灾数值计算区段临界长度计算公式，便于工程设计人员直接根据网格尺寸获得所需隧道模型长度。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明提供的一种隧道火灾区段临界长度确定方法的流程图；
[0044]
图2为本发明实施例提供的不同位置处fr数值分布情况图；
[0045]
图3为本发明提供的一种隧道火灾区段临界长度确定装置的结构原理框图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
实施例1
[0048]
参见附图1所示，本发明实施例公开了一种隧道火灾区段临界长度确定方法，包括：
[0049]
s1：确定待检测隧道的近火源区长度值以及湍流掺混区域长度值；
[0050]
其中，步骤s1中，可以通过火灾动力学模拟软件(fire dynamics simulator)建立全尺寸隧道模型，采用数值方法求解一组描述热驱动的低速流动的navier－stokes方程(粘性流体方程)，得到隧道火灾中的烟气流动和热传递过程；针对近火源区：通过fds软件对火灾场景进行模拟，获得隧道中心线和隧道侧壁的温度，比较隧道同一断面处二者间的温差的沿程变化，当沿程温差小于0.2℃/m时，则标志着近火源区长度截止点，烟气开始进入一维流动状态；针对湍流掺混区域长度：根据隧道洞口附近fr数值变化情况，确定远火源区内一维流动区域和烟气湍流掺混区域的分界位置，近火源区长度值以及湍流掺混区域长度值是通过火灾动力学模拟软件模拟得到的值；
[0051]
s2：获取待检测隧道内部的影响参数，建立近火源区长度与影响参数的模型，以及湍流掺混区域长度与影响参数的模型；
[0052]
s3：对近火源区长度模型及湍流掺混区域长度模型进行非线性拟合，得到对应影响参数的取值，并建立无量纲的近火源区长度计算模型和湍流掺混区域长度计算模型；
[0053]
s4：根据近火源区长度模型和湍流掺混区域长度模型，得到对应的一维流动区域长度模型；
[0054]
s5：根据近火源区长度模型和一维流动区域长度模型得到数值区段临界长度，利用非线性拟合方法和网格尺寸计算方法对数值区段临界长度进行处理，得到对应的区段临界长度计算模型。
[0055]
在一个具体的实施例中，包括：步骤s1中近火源区长度的判定依据如下式所示：
[0056]
δt＝|t
c-ts|
[0057][0058]
式中，tc为隧道拱顶中心线附近处烟气温度，ts为隧道拱顶侧壁附近处烟气温度，d(δt)/dx为隧道中心线和侧壁处沿程温差，当沿程温差小于0.2℃/m时，则标志着近火源区长度截止点，烟气开始进入一维流动状态。
[0059]
在一个具体的实施例中，在待检测隧道洞口附近的湍流掺混区域，大量下层冷空气被卷吸进热烟气层中，造成隧道洞口附近出现掺混现象，进而使得原本保持一维流动状态的烟气层化特征变得紊乱，此时也标志着一维流动状态的结束，烟气层化特征可使用弗洛德数fr(froude number)来定量分析。
[0060]
步骤s1中湍流掺混区域长度的判定依据如下式所示：
[0061]
[0062]
式中，δv为剪切速度，即烟气层和空气层的平均速度之差；g为重力加速度，取9.81m/s2；δt代表上层热烟气与下层冷空气层之间的平均温差；t为上层热烟气的平均温度；h为烟气层厚度，具体的不同位置处fr数值分布情况图可参见附图2所示。
[0063]
在一个具体的实施例中，步骤s2中影响参数为：火源功率、空气温度、重力加速度、空气比热容、空气密度及隧道水力直径。
[0064]
在一个具体的实施例中，步骤s2中近火源区长度ln和湍流掺混区域长度lc与所述影响因素的表达式为：
[0065][0066]
式中，q为火源功率，t0为空气温度，g为重力加速度，c
p
为空气比热容，ρ0为空气密度，h为隧道水力直径。
[0067]
具体的，无量纲转换的具体表达式为：
[0068][0069][0070][0071]
式中：q为火源功率，t0为空气温度，g为重力加速度，c
p
为空气比热容，ρ0为空气密度，h为隧道水力直径。
[0072]
在一个具体的实施例中，步骤s3中无量纲的近火源区长度和湍流掺混区域长度计算模型的表达式为：
[0073][0074]
式中，q
*
为火源功率的无量纲表示，l
n*
为近火源区长度的无量纲表示，l
c*
为湍流掺混区域长度的无量纲表示，λ和μ为需拟合得出的关系系数，α和β为需拟合得出的关系幂指数。
[0075]
在一个具体的实施例中，步骤s4中确定一维流动区域长度的表达式如下：
[0076]
l
n*
＝nl
c*
[0077]
l
o*
＝l
t-(n 1)l
c*
[0078]
式中，n为比例系数，l
n*
为近火源区长度的无量纲表示，l
c*
为湍流掺混区域长度的无量纲表示，l
o*
为一维流动区域长度的无量纲表示。
[0079]
由于近火源区长度和湍流掺混区域长度对应的无量纲公式影响因素相同，因此二者之间存在一定的比例关系，则可通过两者的比例关系得出一维流动区域长度。
[0080]
在一个具体的实施例中，步骤s5中根据近火源区域和一维流动区域长度得到不同工况下的数值区段临界长度，进而利用非线性拟合和网格尺寸计算公式推导出区段临界长
度ld计算模型如下：
[0081]
ld＝c nd
*
[0082]
式中：ld为隧道火灾数值计算区段临界长度，d
*
为网格尺寸公式，c为需拟合得出的关系常数。
[0083]
具体的，近火源区长度和湍流掺混区域长度的关系比例与后续近火源区域和一维流动区域长度的比例是一致的。
[0084]
参见附图3所示，本发明实施例还提供一种确定隧道火灾区段临界长度确定装置，包括：
[0085]
第一计算模块，用于确定待检测隧道的近火源区长度值以及湍流掺混区域长度值；
[0086]
第二计算模块，用于获取待检测隧道内部的影响参数，建立近火源区长度与影响参数的模型，以及湍流掺混区域长度与影响参数的模型；
[0087]
第三计算模块，用于对近火源区长度模型及湍流掺混区域长度模型进行非线性拟合，得到对应影响参数的取值，并建立无量纲的近火源区长度计算模型和湍流掺混区域长度计算模型；
[0088]
第四计算模块，用于根据近火源区长度模型和湍流掺混区域长度模型，得到对应的一维流动区域长度模型；
[0089]
第五计算模块，用于根据近火源区长度模型和一维流动区域长度模型得到数值区段临界长度，利用非线性拟合方法和网格尺寸计算方法对数值区段临界长度进行处理，得到对应的区段临界长度计算模型。
[0090]
本发明实施例还提供一种计算机可存储介质，所述计算机可存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例中任一项所述的临界长度确定方法。
[0091]
实施例2
[0092]
本发明中，参考国内与国外若干公路隧道尺寸设计准则，选择6种矩形隧道断面作为代表性尺寸。火源位于隧道中心线中心点且紧贴地面，考虑不同类型车辆的火灾规模，根据nfpa-502-2014标准对典型车辆火源功率的规定，选取5种火源功率和三种火源尺寸进行研究。具体隧道结构参数和火源参数设置如表1所示，其余参数在实际模拟中均可通过传感器以及经验知识获得。
[0093]
表1 隧道参数设置
[0094][0095]
在上述条件的基础上，在所述模型中进行数值模拟，并依据上述两点判据确定隧道火灾数值计算区段临界长度数值，具体模拟结果见表2：
[0096]
表2 模拟结果
[0097][0098]
隧道火灾数值计算区段临界长度ld与网格尺寸计算公式d*呈线性增长关系，二者间的关系如下式所示，
[0099]
ld＝74 80d
*
[0100]
式中：l为隧道火灾数值计算区段临界长度，d*为网格尺寸公式。
[0101]
拟合相关系数r2＝0.94。可直接通过计算网格尺寸得出数值计算区段长度。
[0102]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0103]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。