自然換気トンネル火災時における燃焼効率推定モデルの開発

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K01292
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 田中 太 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (60401791)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: トンネル火災

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、トンネル長さ、換気条件、および煙流動形態を重要なパラメータとして、トンネル火災時における火源の燃焼効率を推定する実験式を提案することを目的としている。
平成29年度では、実大トンネルの1/20スケールとして設計された全長12m、高さ0.25m、アスペクト比1の模型トンネルの製作と改良を行った。本研究の目的が燃焼効率の測定であり、酸素消費法を使用することから、トンネル坑口以外の個所から空気が入り込むと計測データに大きな誤差が現れる。そのため、模型トンネルの構造を見直し、密閉性が高い構造になるように改良を行った。この模型トンネルでは、酸素消費法による発熱速度計測に加えて、火源下に設置された電子天秤による質量減少速度に基づく発熱速度計測が可能である。電子天秤と火源間の隙間については、水シールで密閉する工夫を行い、外部からの空気流入を防いだ。
模型実験においてはトンネル坑口に設置されたフードで燃焼ガスの収集を行い、酸素消費法による正味の発熱速度Qnetを推定した。燃焼効率χは、酸素消費法による正味の発熱速度Qnetと質量減少速度に基づく理論発熱速度Qwとの比から推定した。模型トンネルの長さを2mから12mまで変化させて燃焼効率を測定した。これは実大スケールで40mから240mのトンネルを調べたことに相当する。その結果としては、8mの長さまでは燃焼効率はほぼ一定となった。また、トンネル長さが10mを超えると、模型トンネル内部で煙降下が生じ、トンネル内において換気の閉じ込め現象が発生することから、火源が異常な燃焼状態になることが発見された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

模型トンネルの気密性向上に関する改良を実施し、これまでよりも高精度に酸素消費法による発熱速度計測が行えるようになった。電子天秤を使用する際に問題になる火源と天秤間の空気漏れも水シールの応用で解決できた。実験結果からは、当初の予想と異なり、定常燃焼時の燃焼効率はトンネル長さにあまり影響を受けないことが分かった。ただし、ある特定のトンネル長さを超えると、煙流動と火源の燃焼が相互に影響を及ぼしあい、異常な燃焼状態に遷移する現象が発見された。平成29年度の研究スケジュールに遅れはなく、新たな発見も得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

定常燃焼時において、トンネル天井に沿って流れる熱煙気流の一部は、壁面の吸熱により冷却される。トンネルが長いとき、この冷却された煙は浮力を保てず側壁面を伝って新鮮空気流に混入する。その結果、汚染された新鮮空気には、酸素濃度の低下と二酸化炭素濃度の増加が生じる。平成30年度は、このときの燃焼効率がどのように変化するかについて実験的に調べる。この研究内容は平成29年度の研究で発見された煙流動と火源の燃焼状態の相互依存性に関連していることが予想できる。

Causes of Carryover

次年度使用額として８８６円が生じた。この金額は単なる端数であり、無駄に消費せずに次年度の予算として有効活用する。