[发明专利]一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法

说明书

本发明是一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，属于沥青路面安全技术领域，解决目前只能从宏观层次研究火灾工况下沥青路面的燃烧性能、没有从微观层次研究沥青路面传热传质性能、难以更深入揭示沥青路面燃烧性能的问题。本发明首先建立隧道和沥青路面几何模型，导入COMSOL软件，设置控制性方程组，定义沥青路面为多孔介质层；确定计算区域，进行网格划分，定义材料属性和边界条件；计算沥青路面温度场与压力场分布、多组分挥发物密度与速度场分布、各挥发物成份质量分数分布；最后，经可视化处理，绘出所需计算各参数变化图，改变工况参数，分析沥青路面结构传热传质性能，揭示沥青路面燃烧性能，对提高沥青路面火灾安全性具有重要意义。

技术领域

本发明是一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，属于沥青路面安全技术领域。

背景技术

随着我国公路交通运输业的快速发展和城镇化水平提高，隧道作为公路和城市立体交通的重要组成部分也得到了发展，我国隧道有向长大化方向发展的趋势。与隧道外普通路段相比，隧道相对封闭管状结构、空间较小、出入口少。有研究表明，由于隧道内渠化交通严格、车速快等因素导致隧道内交通事故率远大于洞外路段，引发的火灾事故率显著增长，发生火灾时，热和烟气不能及时排除，热量聚集，内部温度上升快，燃烧速率快。在火灾工况下沥青路面参与燃烧，并释放大量热和有毒烟气，燃烧过程中会分解出氢气、一氧化碳、烷烃、苯等易燃气体，加剧了沥青热解和燃烧，造成更大的危害。据研究发现，由于在火灾中吸入烟尘和有毒气体而造成的死亡率为85％。

沥青路面作为一种多孔介质材料，在火灾工况下会发生明显的传热传质行为。多孔介质是一类具有固体骨架的多相空间，宏观上均匀分布在孔隙空间的固体物质。孔隙可以是互不连通的，也可以是相互连通的，但其一般都充满着一种或几种流体，如空气、水等。多孔介质按照特性可分为：(1)毛细多孔体：黏土、纤维性建筑材料等；(2)分散介质：砂土和颗粒堆积层等；(3)分散流变体：流化床、变骨架多孔体等。根据湿分含量的多少及其空间分布又可分为：(1)孔隙空间充满液体的湿饱和多孔介质；(2)湿分以液体和蒸汽形式存在于孔隙空间中的非饱和多孔介质；(3)湿分以纯蒸汽的形式存在于孔隙空间的干饱和多孔介质。

在揭示各相物质内部及相互间的质量、能量传递规律方面可以采用了理论分析、数值模拟、实验研究等各种研究手段。理论研究方法可分为分子水平、微观水平和宏观水平三类，其中宏观水平的研究方法较为常用。这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动，所涉及的数学方程多且难于求解。微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质，研究对象是流体质点或微元体，但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件，而对此的定量描述既困难又不准确。

宏观水平的研究方法也持连续介质的观点，取包含研究点在内的一个很小区域(远小于整个流体区域，但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV)，在REV上对流体参数和固体参数实行体积平均，获得假想介质在REV上的平均参数，进而分析其中的传热和流动过程。由于宏观方法所依据的物理模型与客观的微观运动情况有一定偏差，所以其研究结果往往不能与实测结果完全吻合。在多孔介质的热质迁移的理论研究的过程中，通常对多孔介质的几何参量难以做出准确的描述，因此学者们引入了“容积平均”的概念，将多孔介质假设为一种宏观尺度上的虚拟连续介质。

多孔介质内的传热过程主要包括：(1)固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程；(2)流体(液体、气体或两者均有)的导热和对流换热过程；(3)流体与固体颗粒之间的对流换热过程；(4)固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。热量既可以通过固体骨架的导热，又可借助流体的导热和对流传递。