熱壓與風(fēng)機動力共同作用下多分支隧道內(nèi)排煙氣流的多解性

陽 東，趙成梅

(重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心；三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室1，重慶 400045)

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熱壓與風(fēng)機動力共同作用下多分支隧道內(nèi)排煙氣流的多解性

陽 東，趙成梅

(重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心；三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室1，重慶 400045)

多分支隧道的排煙與補風(fēng)路徑較多，熱壓與風(fēng)機動力的競爭可能造成其通風(fēng)排煙模式具有多解性。針對某一多分支隧道的防排煙工況，利用理論分析建立了各種氣流模式的控制方程，通過數(shù)學(xué)方法獲得了理論解。結(jié)果證明，在按照預(yù)期設(shè)計選定通風(fēng)排煙模式與風(fēng)機以后，多分支隧道內(nèi)的排煙氣流仍然可能存在多種狀態(tài)，風(fēng)機的運行工況點也會隨之漂移，導(dǎo)致排煙方向可能與設(shè)計預(yù)期完全相反。研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變風(fēng)機選型能起到抑制排煙氣流出現(xiàn)多解的作用。

多分支隧道；通風(fēng)；風(fēng)機性能曲線；火災(zāi)防控；多解性

為了改善城市交通擁堵問題，城市地下空間被廣泛利用，隨之出現(xiàn)了多種形式的地下交通隧道，如地下快速通道、城市地下交通聯(lián)系隧道與地鐵區(qū)間隧道等。由于功能的需要，新建與擬建的城市交通隧道呈現(xiàn)出體系龐大與分支較多的特點[1-2]；同時，這些交通隧道往往存在多條匝道與地面連接，匝道的首尾具有高差，容易產(chǎn)生熱壓。該類多分支隧道的結(jié)構(gòu)特點給其火災(zāi)時的防排煙氣流組織造成了難度。

隧道的防排煙問題一直是國內(nèi)外研究的熱點[3]，其中縱向排煙被認(rèn)為是兼顧排煙效率與經(jīng)濟性的措施[4-6]。近年來，相關(guān)學(xué)者對以城市地下交通聯(lián)系隧道為代表的多分支隧道投入了更多的關(guān)注。如，華高英[7]針對北京CBD地下交通聯(lián)系隧道進行了不同火災(zāi)場景的煙氣控制模擬研究，姜學(xué)鵬等[8]研究了蘇州火車站地下交通聯(lián)系隧道的防排煙模式。上述研究表明，采用風(fēng)機進行分段補風(fēng)與排煙的模式可以較好地解決多分支隧道的防排煙氣流組織。但值得注意的是，隧道中風(fēng)機動力與熱壓的競爭會使流動狀態(tài)出現(xiàn)多樣性，從而造成氣流路徑的不確定性。前人已經(jīng)對風(fēng)壓與熱壓相互競爭下的建筑通風(fēng)氣流模式進行了一定的研究。Li等[9]、Gladstone等[10]指出，熱壓和風(fēng)壓的競爭導(dǎo)致自然通風(fēng)系統(tǒng)存在3個可能的理論解。Heiselberg等[11]對單室自然通風(fēng)進行了實驗和CFD模擬，證明了多個穩(wěn)定狀態(tài)的存在性。Gong等[12]研究了兩個水平連接的建筑中由于相互競爭的浮力引起的煙氣流動，發(fā)現(xiàn)浮力的競爭也會導(dǎo)致多種流動模式。Chenvidyakarn等[13]對雙豎井誘導(dǎo)的置換通風(fēng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)兩個豎井高度不同時可能產(chǎn)生3種氣流狀態(tài)。該方面的研究還有王曉東等[14]、陽麗娜[15]等的工作。對于多分支隧道，氣流可選擇的路徑更多，因此其通風(fēng)與排煙的氣流組織可能具有更大的不確定性。特別是在軸流風(fēng)機運行時，風(fēng)機的風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系須滿足風(fēng)機特性曲線，這使得實際運行工況點可能沿著風(fēng)機特性曲線漂移，客觀上也造成了氣流不確定性的增強。

排煙氣流的不確定性可能造成實際排煙方向與設(shè)計的人員疏散路徑發(fā)生交叉，進而引起人員傷亡和財產(chǎn)損失的擴大。為了減輕或杜絕多分支隧道氣流的不確定性造成的危害，獲取可靠的通風(fēng)排煙手段，需要利用定量方法對氣流組織模式及流量分配情況進行計算。筆者結(jié)合具體多分支隧道，利用理論分析的方法，研究了風(fēng)機動力與熱壓競爭時排煙氣流路徑的多解性，并對其抑制措施進行了探討。

1 隧道結(jié)構(gòu)及其通風(fēng)、排煙模式的選擇

1.1 多分支隧道結(jié)構(gòu)

圖1為某多分支隧道結(jié)構(gòu)示意圖。隧道截面尺寸為8 m(寬)×4.35 m(高)。分支1、分支2和分支3的坡度均為4°。分支1是入口連接隧道，長115 m，首尾高差是8.02 m；分支2 是出口連接隧道，總長102 m，首尾高差是7.12 m；分支3由一段48 m主隧道和長125 m的出口連接隧道組成，總長173 m，其中出口連接隧道的首尾高差是8.72 m。分支5表示分支1底部與排風(fēng)口的距離，其長度為20.5 m。分支4為與風(fēng)機房連接的排風(fēng)管道，排風(fēng)由軸流風(fēng)機驅(qū)動。

圖1 某多分支隧道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of a multi-branch tunnel

1.2 通風(fēng)排煙模式的選擇

火災(zāi)規(guī)模限定為5 MW，其對應(yīng)一輛小型車輛的最大燃燒功率[16]?；馂?zāi)發(fā)生在分支1的底部(如圖1所示)。美國NFPA92B提出了受限空間中火災(zāi)產(chǎn)煙量的計算方法[17]。

M=0.071E1/3z5/3+0.001 8Ez>z1

(1)

M=0.032E3/5zz≤z1

(2)

z1=0.166E2/5

(3)

式中:M為煙氣的質(zhì)量流率，kg/s；E為火源對流熱釋放速率，kW；根據(jù)PIARC的結(jié)果[18]，認(rèn)為對流熱釋放速率約為火源總熱釋放速率的70%；z為煙氣層高度，m；z1為平均火焰高度，m。

由此，可確定煙氣的體積流率

(4)

(5)

式中:Ve為體積產(chǎn)煙量，m3/s；ρ0為空氣密度，取1.2kg/m3；Ts為煙氣層平均溫度，K；cp為空氣比熱容，取1.01kJ/(kg·k)；T0為環(huán)境溫度，取293K。

將空氣和煙氣均視為理想氣體，則有

ρaTa=ρiTi

(6)

式中：ρa和Ta分別為空氣密度與室外溫度；ρi和Ti分別為各分支內(nèi)的氣體密度和溫度。

由式(1)與式(4)、(5)可得：Ve=29.3m3/s。為避免排煙方向(即圖2中箭頭所示方向)與車流方向(車流的入口與出口見圖2)相逆，理想的排煙與補風(fēng)路徑如圖2所示，即分支1、2、3補風(fēng)，煙氣由軸流風(fēng)機房(即分支4)排出。為保證煙氣不進入分支1，需滿足兩個條件：分支1的補風(fēng)量Q1不小于產(chǎn)煙量Ve；分支5的補風(fēng)速度達到臨界風(fēng)速。根據(jù)Wu等[19]提出臨界風(fēng)速預(yù)測方法，取Q1=29.3m3/s時可同時滿足上述約束條件。因此，以其為基準(zhǔn)計算各分支的風(fēng)量及所需風(fēng)機全壓Pw。在該排煙/補風(fēng)模式下，多分支隧道內(nèi)的氣流分配受如下方程組控制

圖2 預(yù)期排煙、補風(fēng)路徑示意圖Fig.2 The schematic diagram of the anticipated route of smoke extraction and air supply

(7)

(8)

(9)

E=ρ5Q5cp(T5-Ta)

(10)

ρa(Q1+Q2)=ρ5Q5

(11)

E=ρ4Q4cp(T4-Ta)

(12)

ρa(Q1+Q2+Q3)=ρ4Q4

(13)

ρaTa=ρ5T5=ρ4T4

(14)式中：Qi(i=1，2，…，5)為各分支的氣體流量，m3/s；Pw為軸流風(fēng)機的全壓，Pa；E為火源的對流熱釋放速率，kW；cp為空氣的定壓比熱容，取1.01kJ/(kg·K)，si(i=1，2，…，5)為各分支的體積流量阻抗，kg/m7。

各分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)及阻力情況如表1所示，阻力系數(shù)的選取參考文獻[20]。隧道壁面的沿程阻力系數(shù)取0.02；主風(fēng)道(含風(fēng)井)壁面的沿程阻力系數(shù)取0.022；隧道入口損失系數(shù)取0.6；出口損失系數(shù)取1.0。

表1 各分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)及阻力情況

聯(lián)立式(7)～(14)，利用非線性方程組的迭代求解算法，可得：Q2=25.709 6，Q3=38.842 1，Q4=103.731 8，Q5=64.889 7，Pw=133.427 6 Pa。根據(jù)所需風(fēng)機總流量Q4與風(fēng)機全壓Pw，選取兩臺大流量高溫消防排煙軸流風(fēng)機NXT-17No18A/24進行并聯(lián)排煙。單臺風(fēng)機的性能參數(shù)如表2所示，并聯(lián)后的特性曲線可表示為二次函數(shù)[21]：

p=-0.138 98Q2+14.858Q+288.55

(15)

風(fēng)機特性曲線與該多分支隧道的阻抗特性曲線如圖3所示。其中，A點為設(shè)計的防排煙模式所對應(yīng)的風(fēng)機工況點。

2 氣流組織模式的多解性分析

值得注意的是，上文所述的防排煙模式(情形1)及其所對應(yīng)的工況點A僅為風(fēng)機開啟后隧道流場達到的穩(wěn)定狀態(tài)之一，代表煙氣在發(fā)展過程中未能進入到具有高差的隧道分支(如分支1、2)的情形。但是，煙氣在發(fā)展過程中有可能進入到具有高差的隧道分支，引起熱壓與風(fēng)機風(fēng)壓的競爭，進而造成流場穩(wěn)定狀態(tài)的其他可能性。經(jīng)分析，分支4的軸流風(fēng)機開啟后，除了設(shè)計的防排煙模式(情形1)外，還可能出現(xiàn)另外5種氣流組織模式。

2.1 各排煙模式的控制方程

1)情形1如圖2所示。將式(7)～(14)與風(fēng)機特性曲線方程(15)聯(lián)立后，可獲得設(shè)計的防排煙模式所對應(yīng)的風(fēng)機實際運行工況點及各分支的體積流量。

2)情形2如圖4所示。在該情形中，高溫?zé)煔膺M入了具有高差的分支1，因此，熱壓對氣流組織造成影響。其控制方程為

表2 風(fēng)機性能參數(shù)表

圖3 多分支隧道的阻抗特性曲線與風(fēng)機特性曲線Fig.3 The impedance characteristic curve of the multi-branch tunnel and the fan performance curve

(16)

(17)

(18)

ρaQ2=ρ1(Q1+Q5)

(19)

E=ρ1(Q1+Q5)cp(T1-Ta)

(20)

ρaQ3+ρ1Q5=ρ4Q4

(21)

ρaTa=ρ1T1=ρ4T4

(22)

ρaQ3cpTa+ρ1Q5cpT1=ρ4Q4cpT4

(23)

圖4 情形2的排煙、補風(fēng)路徑Fig.4 The smoke exhaust and air supply route of scenario 2

將式(16)～(23)與風(fēng)機特性曲線方程(15)聯(lián)立，可獲得情形2對應(yīng)的各分支的流量。

3)情形3如圖5所示，其控制方程為

(24)

(25)

(26)

ρaQ3=ρa(Q4+Q5)

(27)

E=ρ1Q1cp(T1-Ta)

(28)

ρ1Q1=ρaQ5+ρaQ2

(29)

ρaTa=ρ1T1

(30)

圖5 情形3的排煙、補風(fēng)路徑Fig.5 The smoke exhaust and air supply route of scenario 3

4)情形4中如圖6所示，其控制方程為

(31)

(32)

(33)

E=ρ1(Q1+Q2)cp(T1-Ta)

(34)

ρaQ3=ρa(Q4+Q5)

(35)

ρaQ5=ρ1(Q1+Q2)

(36)

ρaTa=ρ1T1

(37)

ρ1=ρ2

(38)

圖6 情形4的排煙、補風(fēng)路徑Fig.6 The smoke exhaust and air supply route of scenario 4

5)情形5如圖7所示，其控制方程為

(39)

(40)

(41)

ρaQ1=ρ2(Q2+Q5)

(42)

E=ρ2(Q2+Q5)cp(T2-Ta)

(43)

ρaQ3+ρ2Q5=ρ4Q4

(44)

ρaTa=ρ2T2=ρ4T4

(45)

ρaQ3cpTa+ρ2Q5cpT2=ρ4Q4cpT4

(46)

圖7 情形5的排煙、補風(fēng)路徑Fig.7 The smoke exhaust and air supply route of scenario 5

6)情形6中如圖8所示，其控制方程為

(47)

(48)

(49)

ρaQ3=ρa(Q4+Q5)

(50)

E=ρ2Q2cp(T2-Ta)

(51)

ρ2Q2=ρaQ5+ρaQ1

(52)

ρaTa=ρ2T2

(53)

圖8 情形6的排煙、補風(fēng)路徑Fig.8 The smoke exhaust and air supply route of scenario 6

2.2 求解結(jié)果及分析

通過數(shù)值迭代方法對各情形的流量分配進行求解，所得的結(jié)果如表3所示。當(dāng)流量為負(fù)時，代表流向與假定流向相反，此時解不存在。情形1、情形2、情形4與情形5存在解，其對應(yīng)的風(fēng)機工況點如表3所示。

表3 各情形對應(yīng)的體積流量分配情況及解的存在性

由此可見，將選定的風(fēng)機開啟以后，多分支隧道內(nèi)的氣流組織模式存在多解性，這導(dǎo)致實際氣流路徑可能與設(shè)計氣流路徑不同。其中，情形2和情形4中煙氣流向與車行方向相逆，是應(yīng)當(dāng)避免的氣流組織模式。

為此，討論風(fēng)機選型對氣流組織模式不確定性的影響。若采用2臺NXT-17No18A/36軸流風(fēng)機進行并聯(lián)排煙(風(fēng)機的參數(shù)見表2)，其特性曲線可表示為：

p=-0.100 44Q2+18.845Q-104.66

(54)

將式(54)分別與情形1至情形6的控制方程組聯(lián)立求解，發(fā)現(xiàn)只有情形1的解存在，其結(jié)果為：Q1=47.45,Q2=41.60,Q3=61.72,Q4=160.62,Q12=98.90,Pw=330.93。這說明改變軸流風(fēng)機的選型可以有效抑制排煙氣流組織的不確定性。

3 結(jié)論

排煙氣流的不確定性是在防排煙設(shè)計中應(yīng)該避免的問題。在多分支隧道中，結(jié)構(gòu)的高差引起的熱壓與風(fēng)機動力可能形成競爭，進而造成氣流路徑及流量的多解性及不確定性。鑒于排煙氣流不確定性對人員疏散與消防救援造成的威脅，對其影響因素應(yīng)予以充分重視。隧道分支的數(shù)量、熱壓的強度、風(fēng)機選型與隧道阻力特性被認(rèn)為是造成隧道氣流不確定性的主要因素。

針對某多分支隧道，通過理論分析證明，風(fēng)機動力與熱壓共同作用下會造成多分支隧道排煙氣流狀態(tài)呈現(xiàn)多個可能性，并使得實際風(fēng)機工況點偏離原設(shè)計工況點。研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變風(fēng)機選型可以有效減少氣流組織數(shù)學(xué)解的個數(shù)，從而抑制排煙氣流的不確定性。

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(編輯 胡英奎)

Multiple steady states of exhaust airflow in a multi-branch tunnel with the combined effects of buoyancy and fan power

YangDong，ZhaoChengmei

(National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings; Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China)

The multi-branch tunnel has multiple routes for smoke extraction and air supply, consequently its ventilation and smoke control modes could have multiple solutions owing to the competitive effects of buoyancy and fan power. For the smoke control of a multi-branch tunnel, the mass and energy balance equations for every possible flow pattern were established, and the corresponding multiple solutions were obtained using mathematical methods. The results demonstrate that, even though the exhaust ventilation mode and fan type have been determined in accordance with the anticipation, multiple states of exhausted flow remain and the operation point of the fans will drift away from the design accordingly. This could cause a totally different direction of smoke route from the anticipated one. It is also shown that the type of fan has significant effects on the existence of multiple solutions.

multi-branch tunnel; ventilation; fan performance curve; fire control; multiple steady states

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.001

2014-06-20

國家自然科學(xué)基金項目(51106189)；重慶市自然科學(xué)基金(cstc2011jjA0007)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(106112013CDJZR210001)

陽 東(1982-)，男，副教授，主要從事建筑通風(fēng)與消防工程研究，(E-mail)yangdong@cqu.edu.cn。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51106189);Chongqing Municipal Natural Science Foundation(No.cstc2011jjA0007);Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.106112013CDJZR210001)

TU96

A

1674-4764(2015)01-0001-06

Received：2014-06-20

Author brief：Yang Dong(1982-),PhD,associate professor,main research intrests:building ventilation and fire protection engineering,(E-mail)yangdong@cqu.edu.cn。