中文摘要：

在大量人员滞留的地铁车站，活塞风和机械通风形成的三维通风环境造成火灾扑救困难加剧。以往的研究集中于自然通风或纵向通风条件下细水雾的灭火效果。本课题以地铁车站三维通风环境为研究对象，首先建立地铁车站细水雾灭火实验的相似律。进行现场实测，分析列车进出车站时活塞风的速度场分布和压力分布，开发地铁活塞风实验模拟装置，搭建地铁车站细水雾灭火实验平台，进行缩尺寸模型实验。考虑通风对热辐射和对流换热的影响，建立三维通风环境中细水雾与火焰相互作用的能量方程及细水雾作用下火灾烟气输运的动力学模型。利用理论分析、现场实测、模型试验和数值模拟相结合的方法，揭示三维通风环境中细水雾输运的动力学规律及细水雾的场特性，分析细水雾对地铁车站火灾的抑制作用和作用机理，阐明地铁车站火灾烟气蔓延的动力学规律。建立活塞风影响下细水雾和机械排烟联动控制系统最优的启动控制和运行模式，为地铁车站细水雾灭火技术推广打下坚实的理论基础。

结论摘要：

在大量人员滞留的地铁车站，活塞风和机械通风形成的三维通风环境造成火灾扑救困难加剧。本课题以地铁车站三维通风环境为研究对象，利用现场实测、缩尺寸模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，揭示三维通风环境中细水雾输运的动力学规律及细水雾的场特性，分析细水雾对地铁车站火灾的抑制作用和作用机理，建立了活塞风影响下细水雾和机械排烟耦合系统最优的运行模式。首先利用二维PIV测试系统，测试分析不同压力细水雾雾场特性参数的分布规律，结果表明，细水雾压力越大，雾化锥角越小，雾通量越大；在喷头下方1m以内，主流速度下降梯度较大，主流速度明显大于周围雾滴速度；在喷头下方1m以外细水雾雾场覆盖区域近似为一个速度均匀的圆柱体。进一步地，测试分析池火相互作用下细水雾的场特性，以及不同主导灭火机理条件下细水雾的临界推力比。结果表明当推力比α>3.72时，酒精池火很难被扑灭；当1.1<α<3.72时，细水雾熄灭酒精池火的主导机理为燃料表面冷却；当α<1.1时，细水雾灭火的主导机理为火焰冷却。开发地铁活塞风实验模拟装置，进行不同通风环境中细水雾熄灭柴油池火的实验，系统分析了三维通风及细水雾耦合系统对火灾烟气的控制作用。结果表明，机械通风与细水雾耦合系统与火灾的相互作用过程可分为火焰强化、控制和熄灭三个阶段。细水雾施加的瞬间，其动力学作用造成火焰瞬时强化和烟气层下降，耦合系统的火焰冷却和气相冷却作用，可以瞬间扑灭池火。通风与细水雾耦合系统的持续作用，使得火焰被拉伸压缩，尺度明显缩小，此时池火得到控制并最终被熄灭，灭火的主导机理为表面冷却和衰减热辐射。在火灾初起成长阶段，同时开启细水雾和顶部排烟对于火灾的控制效果最优，并能够有效提高能见度。基于对通风与细水雾耦合作用灭火过程的尺度分析，应用火灾动力学模拟软件FDS进行了耦合系统灭火过程的数值模拟，通过与隧道实验平台实验结果的对比，结果表明，Froude数相似准则适用于三维通风与细水雾耦合系统的灭火过程。针对沈阳地铁二号线世纪大厦地铁站进行了活塞风的现场测试，利用火灾动力学模拟软件FDS，进行了活塞风影响下的世纪大厦地铁站台及车站隧道火灾烟气蔓延规律及细水雾灭火耦合系统运行工况的优化分析。结果表明，在活塞风影响下，火灾发生后120s以内同时开启10MPa，15L/min细水雾和机械排烟，可以有效控制火灾的蔓延，并且可以将CO浓度控制到最低值。