公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速問題

本文運用fds軟件，對1000m單向單車道公路隧道火災(zāi)進行了模擬。通過20mw火災(zāi)時溫度場的發(fā)展、煙氣的蔓延、煙氣層高度的變化，對比分析了不同縱向風(fēng)速對火災(zāi)的控制效果。得出了在該模型條件下，縱向通風(fēng)風(fēng)速在2.7m/s時，排煙效果最為顯著。

總結(jié)國內(nèi)外隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)排煙下抑制煙氣回流臨界風(fēng)速的研究現(xiàn)狀和規(guī)范規(guī)定。通過fds數(shù)值模擬和縮尺寸模型試驗對臨界風(fēng)速與隧道坡度的關(guān)系進行對比分析,得出結(jié)果認(rèn)為,數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果基本符合;在同一個坡度下,縱向通風(fēng)速率與回流長度近似成線性關(guān)系;當(dāng)坡度為零時,抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速較大。

在長大公路隧道設(shè)計階段,必須對火災(zāi)工況下的通風(fēng)排煙方案進行設(shè)計。現(xiàn)結(jié)合工程實例,對隧道火災(zāi)工況下的通風(fēng)方案進行了計算分析,包括火災(zāi)規(guī)模的確定、需風(fēng)量/臨界風(fēng)速的確定以及壓力平衡的計算。最后得到了不同區(qū)域發(fā)生火災(zāi)需要開啟的射流風(fēng)機數(shù)量：當(dāng)下坡段發(fā)生火災(zāi)時,需開啟5臺射流風(fēng)機;當(dāng)在上坡段發(fā)生火災(zāi)時,需開啟11臺射流風(fēng)機。

基于我國在長大隧道火災(zāi)安全體系研究方面的需要,采用cfd方法對長大隧道縱向式通風(fēng)控制火災(zāi)煙流的問題進行了數(shù)值模擬計算,研究不同通風(fēng)條件對煙流的控制效果,得出了在滿足控制煙氣回流的基礎(chǔ)上排煙風(fēng)速的提高與所取得的降溫效果對比,以及風(fēng)流經(jīng)過火區(qū)后的蔓延增長變化,同時總結(jié)出煙流溫度分布特征及對隧道結(jié)構(gòu)不同部位的危害,可為隧道的防火與通風(fēng)方案的制定,以及災(zāi)后檢測評定工作提供相關(guān)的理論依據(jù)和參考。

本模型揭示了公路隧道火災(zāi)時期發(fā)生逆流時火源區(qū)域煙流流動規(guī)律,分析得出公式可以估算阻止火災(zāi)時期發(fā)生逆流時所需的\"臨界風(fēng)速\"。從本模型得知臨界風(fēng)速取決于隧道高度和火源熱釋放率的大小。通過和在原型試驗隧道火災(zāi)實驗數(shù)據(jù)的比較,本模型可以為防災(zāi)通風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

鐵路隧道橫通道臨界風(fēng)速是橫通道能否有效防煙的重要參數(shù).根據(jù)π定理和相似理論,對影響橫通道臨界風(fēng)速的相關(guān)因素進行量綱分析,推導(dǎo)出橫通道臨界風(fēng)速與隧道縱向風(fēng)速、火災(zāi)熱釋放率、橫通道防火門的高度及寬度、橫通道與隧道的夾角這5個影響參數(shù)的無量綱函數(shù)關(guān)系式;通過數(shù)值模擬并對模擬數(shù)據(jù)擬合,確定橫通道臨界風(fēng)速與這5個影響參數(shù)的關(guān)系.結(jié)果表明:當(dāng)無量綱隧道縱向風(fēng)速不大于0.114時,橫通道臨界風(fēng)速隨隧道縱向風(fēng)速的增大呈3/7次方的增長關(guān)系,當(dāng)隧道縱向風(fēng)速大于0.114時,橫通道臨界風(fēng)速隨隧道縱向風(fēng)速的增大呈-3/40次方的減小關(guān)系;橫通道臨界風(fēng)速與火源熱釋放率呈1/3次方的增長關(guān)系、與防火門高度近似呈6/5次方的增長關(guān)系、與防火門的門寬無關(guān)、與橫通道和隧道之間的夾角呈-3/8次方的減小關(guān)系.根據(jù)這些擬合結(jié)果確定無量綱函數(shù)關(guān)系式中各未知系數(shù)的取值,進而得到橫通道臨界風(fēng)速的無量綱計算公式.

為探討縱向通風(fēng)情況下坡度隧道火災(zāi)煙氣的溫度分布、回流長度等特性參數(shù),運用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件fds建立一個長為500m的公路隧道模型,對不同坡度、不同縱向通風(fēng)速率的20組火災(zāi)工況進行模擬研究,通過分析各工況的模擬結(jié)果,并結(jié)合前人在隧道火災(zāi)煙氣特性研究方面的成果,得到火災(zāi)情況下隧道內(nèi)煙氣的縱向溫度分布規(guī)律、隧道拱頂溫度變化規(guī)律、溫度偏移及煙氣回流長度變化規(guī)律等。

采用縮尺寸模型試驗方法,對不同坡度隧道火災(zāi)時拱頂附近煙氣最高溫度與通風(fēng)風(fēng)速、火源功率之間的關(guān)系進行了研究.試驗結(jié)果表明,坡度對隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)時拱頂附近煙氣溫度有較大影響,以縱向通風(fēng)方向為參考方向,隨著隧道坡度的增加,拱頂附近煙氣溫度呈下降趨勢.對比分析水平隧道縱向通風(fēng)下拱頂最高煙氣溫度的kurioka模型,引入坡度修正系數(shù),建立了修正后的拱頂煙氣最高溫度預(yù)測模型,可用于有坡度隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)時拱頂煙氣最高溫度預(yù)測.

縱向通風(fēng)對隧道火災(zāi)煙氣層結(jié)構(gòu)及豎井排煙的影響機制研究

公路隧道發(fā)生火災(zāi)時易造成嚴(yán)重后果,縱向通風(fēng)作為火場排煙降溫的常用措施會改變?nèi)紵幕鹪垂β始跋嚓P(guān)火災(zāi)參數(shù),影響公路隧道通風(fēng)排煙的設(shè)計.利用按照弗洛德相似性原理自行設(shè)計建造的公路隧道火災(zāi)煙氣輸運特性研究試驗臺,研究了不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下燃料火源功率、火焰形狀和煙氣層高度、距火源2m人眼高度處一氧化碳體積分?jǐn)?shù)、隧道橫截面豎向溫度及隧道縱向人眼高度處溫度的變化規(guī)律.結(jié)果表明,所研究的火災(zāi)參數(shù)與縱向通風(fēng)之間呈現(xiàn)非線性變化關(guān)系,火源功率在縱向通風(fēng)作用下出現(xiàn)“雙駝峰”現(xiàn)象,隨風(fēng)速增大,火源功率、火焰主體長度與亮度的變化規(guī)律相似,平均燃燒速度與一氧化碳體積分?jǐn)?shù)、溫度變化規(guī)律一致.

火災(zāi)集中排煙模式下,隧道兩端射流風(fēng)機需向隧道內(nèi)部補充新風(fēng),以使排煙區(qū)域向火源附近排煙口方向集中,縮小煙氣影響范圍。從煙氣控制效果出發(fā),提出排煙效率、煙氣蔓延范圍、能見度3個指標(biāo)作為判定合理機械補風(fēng)的依據(jù)。以某越江隧道工程集中排煙為例,采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件fds對-2.8%坡度隧道在不同排煙口開啟方案(上游3個、下游3個;上游2個、下游4個;上游1個、下游5個)、不同縱向補風(fēng)風(fēng)速(0、1、2、3m/s)下的12組火災(zāi)工況進行模擬計算。結(jié)果表明:縱向補風(fēng)風(fēng)速對集中排煙效果影響顯著,本隧道區(qū)段火災(zāi)集中排煙時的合理縱向補風(fēng)風(fēng)速為2m/s,小于縱向通風(fēng)時的臨界風(fēng)速值。

防止煙氣逆流的臨界風(fēng)速是隧道火災(zāi)通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計的主要指標(biāo)。國內(nèi)外對純煙氣逆流的臨界風(fēng)速研究較多,對阻塞明顯且夾帶火焰的煙氣逆流問題研究得則很少。通過模型試驗和數(shù)值模擬,對列車著火阻塞在隧道內(nèi)形成的夾帶火焰的煙氣逆流及其臨界風(fēng)速進行分析。考慮列車對隧道的阻塞比和火焰熱輻射作用的影響,利用能量方程推導(dǎo)出計算臨界風(fēng)速的新公式,并與oka-atkinson公式、wu-bakar公式等計算純煙氣逆流的臨界風(fēng)速公式進行比較。結(jié)果表明新公式更適用于夾帶火焰的煙氣逆流的情況。同時還發(fā)現(xiàn),列車中部著火和頭部著火情況下的臨界風(fēng)速相近,但與列車尾部著火的臨界風(fēng)速不同;隧道內(nèi)有列車著火和隧道內(nèi)著火但無列車情況下的臨界風(fēng)速也有所不同。

公路隧道排煙系統(tǒng)排煙風(fēng)口的流量分配特性對排煙系統(tǒng)排煙口的合理設(shè)置甚為重要。借助于cfd技術(shù)分析了縱向風(fēng)速和排煙風(fēng)量對于隧道排煙系統(tǒng)排煙風(fēng)口流量分配特性的影響。結(jié)果表明,排煙風(fēng)口的排煙能力依賴于縱向風(fēng)速和排煙風(fēng)量的合理匹配,排煙風(fēng)量應(yīng)綜合經(jīng)濟和技術(shù)兩方面的因素來確定。

半橫向通風(fēng)方式下公路隧道火災(zāi)數(shù)值模擬——采用流體力學(xué)模擬的方法，對半橫向通風(fēng)方式下公路隧道的火災(zāi)工況進行了數(shù)值模擬計算。通過對不同吊頂風(fēng)口距離和開啟個數(shù)的通風(fēng)方案下的速度場和溫度場分析。評估了各通風(fēng)方案所能達到的效果。比較各通風(fēng)方案的數(shù)據(jù)，進...

為了研究設(shè)有自然通風(fēng)口的公路隧道內(nèi)火災(zāi)行為,按隧道原型制作了比例模型。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析了火災(zāi)時隧道內(nèi)煙氣傳播的速度規(guī)律、局部溫度與沿程溫度的分布規(guī)律以及隧道火災(zāi)行為下人員逃生的要求;通過比例換算,推算出煙氣影響范圍、人員逃離速度和通風(fēng)口最近設(shè)計距離。

針對雙車道單向行駛高速公路隧道火災(zāi)提出三種排煙方案。利用fds軟件數(shù)值模擬火災(zāi)時各方案對煙氣遷移和溫度分布的影響,最后優(yōu)選火災(zāi)時的排煙方案。結(jié)果表明:三種方案均能起到很好的排煙效果。若不考慮成本及技術(shù)難度,組合排煙方式效果最佳;若考慮成本和技術(shù)難度,則設(shè)置排煙口排煙效果最佳。在實際隧道發(fā)生火災(zāi)時,應(yīng)綜合考慮決定選取哪一種方案。若選用組合排煙方式,筆者建議火災(zāi)時,火源上游僅開啟射流風(fēng)機,火源下游則應(yīng)同時開啟排煙口,這樣既節(jié)約成本,又能達到目的。

研究了多豎井城市公路隧道自然通風(fēng)條件下的火災(zāi)煙氣擴散規(guī)律．在某真實隧道內(nèi)實施了全尺寸燃燒試驗，試驗過程中頂棚下方煙氣溫度沿縱向朝出口快速衰減，火源附近存在明顯的煙氣分層現(xiàn)象，大量煙氣從豎井排出，下游排煙豎井個數(shù)多于上游．使用fds火災(zāi)軟件開展基于計算流體動力學(xué)的大渦模擬，火源區(qū)網(wǎng)格尺寸為0．083m．采用并行計算技術(shù)，模擬得到的頂棚下方煙氣溫度、煙氣前鋒、豎井進/排煙均與試驗數(shù)據(jù)吻合較好．進一步的數(shù)值模擬結(jié)果表明：降低環(huán)境溫度或豎井組間距有助于降低頂棚下方煙氣溫度，同時提高豎井出口的排煙質(zhì)量流量．本研究為該類隧道的設(shè)計與修建提供了理論與技術(shù)支持．

為滿足公路隧道通風(fēng)降噪的需要,提出了射流風(fēng)機推力影響因素及其選用要求。在計算隧道中總推力的前提下確定出射流風(fēng)機的推力。并確定所用風(fēng)機的數(shù)量。

中梁山右線特長公路隧道射流風(fēng)機縱向通風(fēng)

針對自然通風(fēng)的半敞開式城市隧道火災(zāi)時不能充分保障人員安全疏散的問題,文章運用firedynamicsimulation(fds)火災(zāi)模擬軟件及風(fēng)洞實驗臺對城市隧道火災(zāi)在自然通風(fēng)和混合式通風(fēng)兩種不同模式下的煙氣擴散情況進行了數(shù)值模擬和實驗研究。結(jié)果表明,半敞開式城市隧道自然通風(fēng)不能有效解決火災(zāi)的安全問題;而當(dāng)排煙系數(shù)在3.3左右時,混合式通風(fēng)能實現(xiàn)煙氣的有效控制,保證了人員及車輛的安全疏散。采用本文提出的排煙系數(shù)研究半敞開式城市隧道的混合通風(fēng)模型,可以為該類隧道的火災(zāi)安全防范提供一定的理論依據(jù)。

以西香段高速公路小高山隧道為例，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖論設(shè)計原則，設(shè)計了公路隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)；對隧道內(nèi)部的通風(fēng)阻力、風(fēng)機風(fēng)壓計算以及火災(zāi)煙流阻力計算進行了推導(dǎo)，得出了其計算公式；采用fds火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件進行通風(fēng)排煙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬分析，得出了不同通風(fēng)排煙網(wǎng)絡(luò)下的最大排煙速率以及最優(yōu)排煙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，針對小高山隧道排煙系統(tǒng)，當(dāng)起火源在隧道中央位置時，系統(tǒng)的最大排煙速率約為160m3／s。模擬結(jié)果表明若起火源位置在隧道深處遠離出入口位置時，宜采取雙向排煙模式，若起火源靠近隧道出入口，宜采取單向排煙模式。

為了弄清設(shè)有豎井的長大隧道發(fā)生火災(zāi)時隧道內(nèi)溫度及煙流的分布規(guī)律,在長大隧道發(fā)生火災(zāi)時能制定合理的隧道火災(zāi)救援方案,特進行秦嶺終南山公路隧道火災(zāi)試驗堅井通風(fēng)的研究,此次試驗按照流變規(guī)律模擬隧道火災(zāi)情況,進行三種火災(zāi)規(guī)模在三處位置的火災(zāi)實驗,通過實驗得出火災(zāi)時隧道內(nèi)溫度與火災(zāi)規(guī)模成正比,火災(zāi)火源點的最高溫度與豎井的高度成正比關(guān)系,火災(zāi)的持續(xù)時間與豎井的高度成反比關(guān)系,找出了豎井通風(fēng)情況下隧道火災(zāi)時溫度縱向分布的規(guī)律。為隧道火災(zāi)時救援方案的制定提供依據(jù)。