縱向風(fēng)作用下隧道火災(zāi)煙氣分岔流動試驗(yàn)研究

鐘　委，端木維可，李華琳，梁天水

(1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州　450001；2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100013)

若地鐵隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故，將造成大量的財產(chǎn)損失甚至人員傷亡[1-5]。統(tǒng)計結(jié)果表明，火災(zāi)中超過85%的人員傷亡都是由煙氣導(dǎo)致的[6-8]。隧道的縱向通風(fēng)常被用于隧道火災(zāi)煙氣的控制，即通過向隧道提供縱向風(fēng)來阻止火災(zāi)煙氣逆流的產(chǎn)生，為人員疏散提供逃生環(huán)境[9-11]。阻止火災(zāi)煙氣逆流產(chǎn)生的最小縱向風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速，它是縱向通風(fēng)方式的一個重要參數(shù)[12-13]。但縱向風(fēng)速也不宜過大，因?yàn)檫^大的縱向風(fēng)速將會影響煙氣層的穩(wěn)定性[14]。

關(guān)于縱向風(fēng)速問題，陽東等[15]通過小尺寸模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較大縱向風(fēng)速會加強(qiáng)煙氣與冷空氣的摻混，導(dǎo)致熱分層界面不再明顯，煙顆粒層顯著變化，煙氣層失穩(wěn)。李開源[16]采用FDS(Fire Dynamics Simulator, 火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件)研究隧道火災(zāi)煙氣層失穩(wěn)后的流場，認(rèn)為當(dāng)縱向風(fēng)速過大時，下游煙氣層不再是一個整體，而是分成兩部分沿著隧道側(cè)壁流動，并將此現(xiàn)象定義為煙氣分岔流動。鐘委[17]采用數(shù)值模擬方法研究分岔現(xiàn)象機(jī)理，發(fā)現(xiàn)煙氣分岔流動的發(fā)生主要取決于慣性力和浮力的共同作用，縱向風(fēng)會加劇煙氣與空氣的摻混，減弱了頂棚射流撞擊側(cè)壁后反向流動的驅(qū)動力，從而導(dǎo)致了分岔流動現(xiàn)象的產(chǎn)生。這些研究主要采用數(shù)值模擬的方式，相關(guān)試驗(yàn)研究尚未見報道。

Richardson數(shù)(Ri)常被用于研究熱煙氣和冷空氣分層穩(wěn)定性，表示密度分布的穩(wěn)定作用與因速度剪切引起的失穩(wěn)作用的比值。P.H.E.等人[18]研究了長走廊內(nèi)熱煙氣與冷空氣的分層特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ri>0.5時，分層結(jié)構(gòu)才能得以維持。陽東等[19]通過小尺寸模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Ri>0.9時，煙氣層可以保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；當(dāng)0.3

因此，本文通過小尺寸模型地鐵隧道火災(zāi)試驗(yàn)，對不同縱向風(fēng)速和不同火源功率下隧道內(nèi)的煙氣流動特征、煙氣溫度分布進(jìn)行研究，驗(yàn)證隧道火災(zāi)煙氣分岔流動的機(jī)理，分析煙氣分岔流動臨界風(fēng)速和臨界Richardson數(shù)的變化規(guī)律；通過數(shù)值模擬煙氣分岔流動臨界風(fēng)速和臨界Richardson數(shù)，驗(yàn)證小尺寸模型試驗(yàn)的結(jié)果，為地鐵隧道火災(zāi)排煙設(shè)計提供理論依據(jù)。

1　小尺寸模型試驗(yàn)的設(shè)計和數(shù)值模型的建立

1.1　小尺寸模型試驗(yàn)設(shè)計

隧道模型以某矩形斷面地鐵隧道為原型，按照1∶10的相似比例尺設(shè)計試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)?zāi)Ｐ桶ㄔ囼?yàn)段、風(fēng)機(jī)和連接段3部分，總長9.8 m，其中試驗(yàn)段的長×寬×高為8.0 m×1.0 m×0.5 m。設(shè)計的試驗(yàn)臺如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)臺實(shí)體圖

試驗(yàn)段兩端均保持開啟狀態(tài)。試驗(yàn)段的頂棚、底板和一側(cè)側(cè)壁均采用6 mm厚的防火板，另一側(cè)側(cè)壁采用8 mm厚的防火玻璃，以便觀察試驗(yàn)過程中煙氣流動形態(tài)等試驗(yàn)現(xiàn)象。

風(fēng)機(jī)位于試驗(yàn)段右側(cè)，為試驗(yàn)段提供縱向風(fēng)。在試驗(yàn)中可以通過改變無級變速器的頻率以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，進(jìn)而控制隧道內(nèi)的風(fēng)速大小。

在風(fēng)機(jī)與試驗(yàn)段之間的連接段，利用多個3 mm孔徑的鐵絲網(wǎng)對縱向風(fēng)進(jìn)行整流，以提供均勻穩(wěn)定的縱向風(fēng)。試驗(yàn)中縱向風(fēng)速在0～1.5 m·s-1之間連續(xù)可調(diào)。

采用電子天平記錄燃料質(zhì)量隨時間的變化，其最大量程為8 kg，精確度為0.01 g，采樣頻率為1 Hz。試驗(yàn)段內(nèi)縱向風(fēng)速的測量采用熱線風(fēng)速儀，其測量范圍為0.1～30.0 m·s-1，精確度為0.01 m·s-1，采樣頻率為1 Hz。

將片光源置于煙氣下游出口處，采用激光片光源來顯示流場，從而清楚地觀察隧道中心煙氣層的厚度和分層狀態(tài)，并利用攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時記錄。

火源采用純度為99%的工業(yè)酒精作為燃料，由于酒精燃燒的產(chǎn)物無色透明，因此在火源附近添加示蹤煙氣，以便觀察煙氣的運(yùn)動狀態(tài)?；鹪粗行狞c(diǎn)位于試驗(yàn)段縱向軸線上，距縱向風(fēng)入口2.5 m處。油盤采用2 mm厚鋼板制成，選用0.06，0.08，0.10，0.12，0.14，0.16 m等共6種尺寸的方形油盤，油盤內(nèi)燃料初始高度均為0.01 m。由此共組成6種試驗(yàn)工況，見表1。

表1　試驗(yàn)工況

采用直徑為1 mm的K型熱電偶進(jìn)行溫度測量。在頂棚下方7.5 mm處，沿試驗(yàn)段的縱向方向布置2串熱電偶。熱電偶串1位于試驗(yàn)段中心線處，熱電偶串2位于距側(cè)壁0.05 m處。熱電偶串1共有20個測點(diǎn)，從縱向風(fēng)入口右側(cè)1.5 m處布置到7.0 m處，編號依次為T1—T20，其中T1—T17測點(diǎn)之間的間隔為0.25 m，T17—T20號測點(diǎn)的間隔為0.50 m。熱電偶串2的測點(diǎn)從火源開始沿試驗(yàn)段水平方向布置，編號從左向右依次為T21—T36，其中T21—T33測點(diǎn)的間隔為0.25 m，T33—T36號測點(diǎn)的間隔為0.50 m。

在試驗(yàn)段中部，火源下游1，2，3，4 m處共布置了4串豎向熱電偶，每串由7個測點(diǎn)組成，最頂端測點(diǎn)距離頂棚0.05 m，各相鄰測點(diǎn)的間隔為0.05 m。測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)臺示意圖(單位：m)

1.2　數(shù)值模型的建立

為了驗(yàn)證小尺寸模型試驗(yàn)所得煙氣分岔流動臨界風(fēng)速和臨界Richardson數(shù)變化規(guī)律的合理性，選用5.5.3版本的FDS場模擬軟件對相同場景下火災(zāi)煙氣分岔流動現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬。

模擬隧道的長×寬×高為200 m×10 m×5 m，建立的模型如圖3所示?；鹪次恢镁嗫v向風(fēng)入口水平距離50 m，以煤油為燃料，火源功率分別與小尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突鹪垂β收鬯愫蟮膶?shí)際功率相同。通過改變縱向風(fēng)速設(shè)置，來獲取不同工況下的臨界風(fēng)速。環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，模擬時間為100 s。

圖3　FDS模型圖(單位：m)

在FDS數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸是關(guān)鍵因素之一。通過對網(wǎng)格獨(dú)立性研究發(fā)現(xiàn)，在本文場景下，在網(wǎng)格尺寸為0.167，0.125和0.100 m時模擬結(jié)果較好，并且僅有輕微的不同；當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.167 m時，對模擬結(jié)果精度沒有明顯的提高，但要消耗更多的時間[17]；但是，火源附近的網(wǎng)格尺寸應(yīng)較小。因此，在火源附近，即從火源上游距火源中心5 m處至下游距火源中心35 m處，網(wǎng)格尺寸取0.083 m，其余地方網(wǎng)格尺寸取0.167 m，由此劃分的數(shù)值模型網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖4　數(shù)值模型的網(wǎng)格圖

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　煙氣層形態(tài)

試驗(yàn)中逐漸增大縱向風(fēng)速，觀察煙氣分岔流動現(xiàn)象出現(xiàn)前后的煙氣流動。6種工況下的煙氣層隨縱向風(fēng)速增加的變化趨勢基本相同，這里以工況2為例對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。圖5為工況2下不同風(fēng)速時煙氣層典型的變化過程。從圖5可以看出：當(dāng)隧道內(nèi)無風(fēng)時，隧道內(nèi)上部煙氣層與下部冷空氣層保持穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示；隨著縱向風(fēng)速的逐漸增大，首先煙氣層顯著變厚，如圖5(b)所示；接著羽流撞擊區(qū)向下游移動，而后煙氣層產(chǎn)生向上的凹陷，凹陷區(qū)煙氣減少，凹陷下游煙氣層變厚，如圖5(c)所示；然后煙氣回流逐漸消失，由于沒有回流煙氣的補(bǔ)充，凹陷區(qū)基本沒有煙氣存在，此時煙氣層發(fā)生分岔流動現(xiàn)象，如圖5(d)所示；最后凹陷范圍加大，如圖5(e)所示。

圖5　工況2下不同縱向風(fēng)速時煙氣層典型的變化過程

2.2　隧道頂棚下方溫度沿隧道縱向的分布

工況2下不同縱向風(fēng)速時隧道頂棚中心煙氣溫度與側(cè)壁煙氣溫度的對比如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)上的負(fù)和正分別代表測點(diǎn)位于火源的上游和下游。

頂棚中心煙氣溫度最高處可認(rèn)為就是羽流撞擊區(qū)的中心，因此可通過溫度的驟升判斷羽流撞擊區(qū)與回流煙氣的界限。由圖6可知：當(dāng)隧道內(nèi)無風(fēng)時，羽流撞擊區(qū)附近頂棚中心煙氣溫度高于側(cè)壁處，隨著煙氣向下游蔓延，頂棚中心煙氣溫度與側(cè)壁處趨于一致，可認(rèn)為此時頂棚下方煙氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖6(a)所示；隨著縱向風(fēng)速的逐漸增大，如圖6(b)所示，側(cè)壁煙氣溫度逐漸高于頂棚中心處，但溫度相差不大；當(dāng)縱向風(fēng)速增至0.43 m·s-1時，羽流匯聚區(qū)逐漸遠(yuǎn)離撞擊區(qū)，且回流煙氣逐漸減少，導(dǎo)致側(cè)壁與隧道中心的煙氣溫差加大，如圖6(c)所示；當(dāng)縱向風(fēng)速增至0.59 m·s-1時，撞擊區(qū)上游恰好沒有煙氣，然后由于沒有上游煙氣的補(bǔ)充，羽流撞擊區(qū)下游頂棚中心煙氣溫度與側(cè)壁處出現(xiàn)較大差異，隧道中部形成明顯的中心低溫區(qū)，如圖6(d)所示；當(dāng)縱向風(fēng)速增至0.64 m·s-1時，中心低溫區(qū)域范圍逐漸增大，如圖6(e)所示。

其余各工況下火災(zāi)煙氣撞擊區(qū)無回流煙氣時頂棚中心煙氣溫度分布如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)回流煙氣消失時，羽流撞擊區(qū)上游煙氣溫度幾乎不變且接近室溫，下游則出現(xiàn)明顯的中心低溫區(qū)。

圖6　工況2下不同縱向風(fēng)速時隧道頂棚中心和側(cè)壁的煙氣溫度分布

圖7　各工況下回流煙氣消失時頂棚中心的煙氣溫度分布

2.3　火源下游豎向溫度分布

工況2下不同縱向風(fēng)速時火源下游豎向溫度分布如圖8所示。從圖8可以得出：當(dāng)隧道內(nèi)無縱向風(fēng)時，如圖8(a)所示，由于頂棚附近的煙氣與頂棚存在熱量傳遞，煙氣溫度在豎向高度從上到下呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且煙氣溫度均在距頂棚0.05 m處出現(xiàn)陡降，在0.15 m處接近室溫，說明此時煙氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，存在明顯的熱煙氣與冷空氣的分層結(jié)構(gòu)；當(dāng)縱向風(fēng)速較小時，如圖8(b)所示，此時火源下游1 m處雖也存在煙氣溫度陡降，但其變化幅度較其他位置要?。划?dāng)縱向風(fēng)速較大時，如圖8(d)和圖8(e)所示，火源下游各位置處煙氣溫度下降趨勢變緩，而對于火源下游2 m處，在其高度范圍內(nèi)，豎向溫度相較另外3個位置要低，且在頂棚下方0.10 m處時已接近室溫，表明火源下游2 m處頂棚幾乎沒有煙氣存在。

其余各工況下煙氣撞擊區(qū)無回流煙氣時火源下游豎向煙氣溫度分布如圖9所示。從圖9可知：此時各火源下游3和4 m處煙氣層厚度增大，2 m處煙氣層變薄，在0.10 m處煙氣溫度已接近室溫，說明此時煙氣層存在凹陷，且凹陷已接近頂棚。

圖8　工況2下不同縱向風(fēng)速時火源下游豎向溫度分布

圖9　各工況下回流煙氣消失時火源下游豎向溫度分布

3　分岔流動臨界風(fēng)速

隧道火災(zāi)煙氣發(fā)生分岔流動的臨界條件為羽流撞擊區(qū)上游的回流煙氣完全消失。因此可以確定煙氣分岔流動的臨界風(fēng)速即為羽流撞擊區(qū)上游不再出現(xiàn)煙氣回流時的最小風(fēng)速。各試驗(yàn)工況下煙氣分岔流動的臨界風(fēng)速見表2。火源的熱釋放速率通常利用燃料質(zhì)量損失法求得，其計算公式見式(1)；再根據(jù)比例關(guān)系計算得到對應(yīng)全尺寸熱釋放速率；各試驗(yàn)工況下的計算結(jié)果均見表2。

(1)

(2)

為表征火源熱釋放速率和煙區(qū)分岔流動臨界風(fēng)速之間的關(guān)系，分別將其無量綱化。

(3)

(4)

表2　各試驗(yàn)工況的分岔現(xiàn)象臨界風(fēng)速和相應(yīng)熱釋放速率

圖10為小尺寸模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果無量綱化得到的熱釋放速率與煙氣分岔流動臨界風(fēng)速的關(guān)系圖，其中數(shù)值模擬所采用的火源熱釋放速率為表2中的全尺寸熱釋放速率值。從圖10可以看出：數(shù)值模擬結(jié)果與小尺寸試驗(yàn)結(jié)果符合良好，無量綱煙氣分岔流動臨界風(fēng)速與無量綱熱釋放速率的1/3次方呈線性增長關(guān)系，這也證明了小尺寸模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。它給隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)模式下縱向風(fēng)速的選擇提供了理論參考依據(jù)。

圖10　無量綱煙氣分岔流動臨界風(fēng)速隨熱釋放速率變化的規(guī)律

4　分岔流動臨界Richardson數(shù)

煙氣流動狀態(tài)可用Richardson數(shù)來定量分析。臨界Richardson數(shù)(Ric)被定義為[20]

(5)

煙氣層平均溫度為[21]

(6)

根據(jù)式(4)和式(5)，分岔流動臨界Richardson數(shù)(Ribc)可表示為

(7)

式中：Δρ為煙氣層密度與冷空氣密度之差；h為煙氣層厚度；ρb為煙氣層密度；uc為臨界速度；Tb為煙氣層溫度；Qc為熱釋放速率中的對流部分；A為隧道橫截面積。

圖11給出了分岔流動臨界Richardson數(shù)隨無量綱熱釋放速率變化的規(guī)律。由圖11可見：煙氣分岔流動臨界Richardson數(shù)維持在一定范圍內(nèi)，基本不隨無量綱火源熱釋放速率變化，可視為常數(shù)且取0.095。

圖11　分岔流動臨界Richardson數(shù)隨無量綱熱釋放速率變化的規(guī)律

5　結(jié)　論

(1)通過小尺寸模型試驗(yàn)驗(yàn)證了分岔流動現(xiàn)象的存在。當(dāng)縱向風(fēng)速較小時，煙氣羽流撞擊區(qū)上游存在回流煙氣，在縱向風(fēng)作用下這部分煙氣將進(jìn)入下游煙氣層中，此時隧道火災(zāi)煙氣能夠維持較好穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)，煙氣分岔流動現(xiàn)象不會發(fā)生；隨著縱向風(fēng)速的增大，羽流撞擊區(qū)上游的煙氣回流逐漸減少，煙氣層將產(chǎn)生向上的凹陷，然后煙氣層凹陷越來越明顯，范圍越來越大，當(dāng)煙氣回流完全消失時，最終導(dǎo)致了煙氣分岔流動現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)在較大縱向風(fēng)速下，煙氣分岔流動的發(fā)生將導(dǎo)致隧道中部煙氣量減少，造成火源下游段隧道中心溫度明顯低于側(cè)壁處溫度，形成中心低溫區(qū)。

(3)煙氣分岔流動無量綱臨界風(fēng)速與無量綱火源熱釋放速率的1/3次方呈線性增長規(guī)律。煙氣分岔流動臨界Richardson數(shù)基本不隨無量綱火源熱釋放速率變化，可視為常數(shù)且取0.095。小尺寸模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果吻合良好。

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