李思成,王 偉,趙耀華
UTLT煙氣回流與限制速度的模型
李思成1,2,王偉1,趙耀華1
(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京100124;2.中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院消防指揮系,河北廊坊065000)
為了解決城市地下交通聯(lián)系隧道(urban traffic link tunnel,UTLT)火災(zāi)煙氣安全的問題,采用量綱分析方法推導(dǎo)出了UTLT火災(zāi)煙氣回流長度的量綱一方程式;根據(jù)調(diào)查的UTLT的常見尺寸,設(shè)置了9種不同尺寸的UTLT,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FDS 5.5對這些隧道進(jìn)行模擬計(jì)算,得到了不同工況下的火災(zāi)煙氣回流長度,進(jìn)而得到了UTLT火災(zāi)煙氣回流長度的預(yù)測模型.通過與實(shí)驗(yàn)值的比較表明,該方程式和實(shí)驗(yàn)值吻合較好.在進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)上,得到了UTLT的限制隧道預(yù)測模型,可為此類隧道的消防設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)指導(dǎo).
UTLT;煙氣回流;限制速度;量綱分析法
由于車流較大,大城市的核心區(qū)或商業(yè)密集區(qū)是城市交通擁擠的主要區(qū)域.為了改善這些區(qū)域的交通狀況,綜合利用這些核心區(qū)域的地下停車空間,一種新型的交通隧道——城市地下交通聯(lián)系隧道(urban traffic link tunnel,UTLT)近年來開始興起[1-5].UTLT設(shè)置于城市道路地下,多與城市地下大型車庫相連.與公路隧道、鐵路隧道相比,UTLT一般具有如下特點(diǎn)[2]:
1)隧道一般包括主隧道、連接隧道和出入口隧道,主隧道通常呈環(huán)形,連接隧道的作用為連通主隧道與地下車庫,出入口隧道的作用為連通主隧道與地面交通干線.
2)隧道的橫斷面一般為矩形,隧道的高寬比較低,隧道的凈空高度約為2.8~3.5 m.
3)出入口隧道的坡度較大,有的可達(dá)12%.
UTLT由于高度較低,一旦發(fā)生火災(zāi),煙氣沉降會(huì)很快.發(fā)生火災(zāi)后,快速地把隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣排出,可以有效保證人員的安全疏散和消防隊(duì)員的火災(zāi)撲救.為了有效排煙,排煙量的大小是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù).目前,對橫向排煙,用換氣次數(shù)法確定排煙量;對縱向排煙,用臨界風(fēng)速乘以隧道的斷面尺寸來確定排煙量[6].用臨界風(fēng)速乘以隧道的斷面尺寸,得到的排煙量一般較大,對風(fēng)機(jī)設(shè)備的投資和電力負(fù)荷的要求都比較高.
隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),如果沒有縱向通風(fēng),火災(zāi)煙氣將沿著隧道頂部向隧道兩側(cè)對稱蔓延.當(dāng)隧道內(nèi)存在縱向通風(fēng)時(shí),火災(zāi)煙氣將有大部分向火源的下游蔓延.當(dāng)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣速度較低時(shí)(一般小于1 m/s),火源附近煙氣可保持良好的分層[7],在熱浮力作用的驅(qū)動(dòng)下,火源上游的火災(zāi)煙氣將逆著縱向風(fēng)的方向沿隧道頂部蔓延,形成“煙氣回流(backlayering)”這一隧道內(nèi)特殊的火災(zāi)現(xiàn)象[8].如果縱向通風(fēng)速度進(jìn)一步增大,會(huì)使煙氣回流長度變小,當(dāng)煙氣回流長度為零時(shí),隧道內(nèi)所對應(yīng)的縱向風(fēng)速即為臨界風(fēng)速.當(dāng)隧道內(nèi)縱向通風(fēng)速度大于臨界風(fēng)速時(shí),火災(zāi)煙氣在火源上游消失,可使上游的人員和車輛免受火災(zāi)的危害,人員可以快速通過上游逃生.另外,消防滅火救援人員可以方便地在火災(zāi)上游進(jìn)行滅火與救援行動(dòng).但是,縱向風(fēng)速過大,會(huì)造成火源下游的煙氣層失穩(wěn),不利于下游的人員疏散,同時(shí)降低排煙效率.因此,既能保證消防隊(duì)員的滅火需求,又能保證下游火災(zāi)煙氣穩(wěn)定性的縱向風(fēng)速,成為火災(zāi)研究學(xué)者與隧道消防設(shè)計(jì)人員共同關(guān)注的一個(gè)問題.
火災(zāi)煙氣回流長度和限制風(fēng)速是隧道排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù).作者對國內(nèi)外回流長度和限制風(fēng)速的相關(guān)研究進(jìn)行了對比分析,采用量綱分析方法,推導(dǎo)出了UTLT類隧道火災(zāi)煙氣回流長度的無因次方程式.根據(jù)FDS數(shù)值模擬結(jié)果,提出了火災(zāi)煙氣回流長度和限制風(fēng)速的預(yù)測模型,并與一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析.
1.1小尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/p>
Thomas[9]對于縱向通風(fēng)的隧道火災(zāi),給出了火源上游熱煙氣回流的理論方程式.基于Fr給出了回流長度的公式.根據(jù)回流長度的一些小尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和大規(guī)模實(shí)驗(yàn),量綱一回流長度的方程式為
式中:L*為量綱一回流長度;L為火災(zāi)煙氣回流長度,m;T為火災(zāi)煙氣平均溫度,K;H為隧道的高度,m;Q為火源熱釋放速率,kW;g為重力加速度,m/ s2;Cp為空氣定壓比熱,kJ/(kg·K);ρ0為空氣密度,kg/m3;u為縱向通風(fēng)速度,m/s;A為隧道的斷面面積,m2.由于缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證,火災(zāi)研究人員對式(1)使用較少.如令L/H=0,由式(1)計(jì)算得到的隧道內(nèi)縱向風(fēng)速即為臨界風(fēng)速.
Vantelon等[10]在一個(gè)1.5 m長,半徑為0.15 m的半圓形管道中進(jìn)行了小尺寸實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),回流長度與隧道高度的比值與修改后的Ri的0.3次方成一定的比例關(guān)系.他提出了1個(gè)更簡單的方程式用以預(yù)測煙氣層回流長度
0空氣的溫度,K;R為隧道的半徑,m.
然而,在Vantelon等的實(shí)驗(yàn)中,熱釋放速率很小,回流長度也比較小,大約等于實(shí)驗(yàn)管道的高度.另外,他只用了一種尺度的模型隧道,方程式對其他類型的隧道是否適用并沒有被證明.
Deberteix等[11]對一個(gè)巴黎地鐵模型隧道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),該隧道的高度為0.163 m,實(shí)驗(yàn)詳細(xì)測量了回流長度,得到了回流距離與Ri的關(guān)系式為
Vantelon等[10]提出了一個(gè)較為簡潔的預(yù)測煙氣回流長度的方程式為
式中T0為環(huán)境空氣溫度,K.
式(4)中,涉及的隧道尺寸只有隧道高度H,沒有考慮隧道的其他幾何特征,如寬度或者半徑等.式(4)中的比例系數(shù)可以利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定,但是文獻(xiàn)中的可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限,特別缺乏大型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).可用中等尺寸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定這個(gè)比例系數(shù),例如Vantelon等[10]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).根據(jù)眾多的小尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),Ingason等[7]通過實(shí)驗(yàn)確定了式(4)中的比例系數(shù),研究發(fā)現(xiàn),此比例系數(shù)的范圍為0.6~2.2,一般取1.4,但是這個(gè)系數(shù)缺乏大型火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.當(dāng)隧道中縱向通風(fēng)速度小于0.5 m/ s或大于3 m/s時(shí),式(4)不適用.另外,式(4)也沒有考慮隧道的橫截面積和坡度等參數(shù)的影響.
1.2大尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/p>
通過理論分析和全尺寸實(shí)驗(yàn),Hu等[12]得到了隧道中煙氣回流長度的半經(jīng)驗(yàn)方程式
式中
當(dāng)Q′2/3/Fr1/3<1.35時(shí)
當(dāng)Q′2/3/Fr1/3≥1.35時(shí)
式中:Hd為火源頂部到隧道頂部的距離,m;Ck為實(shí)驗(yàn)系數(shù),其取值范圍為0.19~0.37,可取平均值0.28.Hu的實(shí)驗(yàn)中最大熱釋放速率為3.2 MW,且最高溫度模型使用的是kurioka模型,該模型通過小尺寸實(shí)驗(yàn)得到,沒有得到較大火源功率的驗(yàn)證.
Minehiro等[13]通過1:5的小尺寸模型,得到回流距離的關(guān)系式
式中A為隧道的橫截面積,m2.式(6)的適用范圍是量綱一熱釋放速率為0.031 6~0.111.
1.3量綱分析模型
周延等[14]利用模型巷道做過小尺寸實(shí)驗(yàn)來研究火災(zāi)煙氣回流.模型巷道的尺寸為(9 m×0.3 m× 0.3 m),火源功率最大為75.9 kW.通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到量綱一煙氣回流長度隨熱釋放速率和巷道縱向風(fēng)速的變化規(guī)律
式中L*=L/D,D為巷道當(dāng)量直徑,m.
周福寶等[15]利用量綱分析的方法,進(jìn)一步對周延的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了煙氣回流距離的量綱一方程式
上述研究中所用的熱釋放速率均較小,并沒有觀察到較大熱釋放速率情況下隧道中煙氣回流距離的變化.通過量綱分析,Li等[16]利用小尺寸模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了隧道中回流距離的變化.結(jié)果表明:當(dāng)熱釋放速率較小時(shí),回流長度隨著熱釋放速率的增大而增大,當(dāng)熱釋放速率較大時(shí),回流長度與熱釋放速率無關(guān),只和通風(fēng)速度有關(guān).研究結(jié)果還指出,當(dāng)火災(zāi)熱釋放速率增大到一定值后,回流長度不再隨熱釋放速率的增大而增大.方程式為
式中:Q*為量綱一熱釋放速率;u*為量綱一縱向通風(fēng)速度.
煙氣回流長度隨火災(zāi)熱釋放速率的變化趨勢,目前已經(jīng)取得較好的研究成果,但是在較大火災(zāi)發(fā)生時(shí),這些模型的適用性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證.
翁廟成[17]利用量綱分析的方法,得到量綱一臨界風(fēng)速與量綱一熱釋放速率的指數(shù)表達(dá)式,通過數(shù)值模擬方法,模擬了9種不同的地鐵區(qū)間隧道尺寸,最后得到了量綱一臨界風(fēng)速與量綱一熱釋放速率的方程式.然后通過1:10的小尺寸模型試驗(yàn)隧道進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果顯示,方程式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.其方程式為
隧道斷面形狀因子ζ的公式為
翁廟成所采用的最大量綱一熱釋放速率為0.158 6,對于更大功率的火源,還需要進(jìn)一步驗(yàn)證.
從上面的研究可以看出,對回流距離的分析,在隧道的幾何尺寸方面,最初考慮的是隧道的面積,然后到隧道的高度,最后又分析了當(dāng)量直徑的影響.從翁廟成的研究發(fā)現(xiàn),隧道的形狀因子對火災(zāi)煙氣回流具有一定的影響.UTLT一般高寬比比較小,有的只有0.29左右.一般公路隧道和鐵路隧道的高寬比都比較大.在這種情況下,UTLT的火災(zāi)煙氣回流呈現(xiàn)出什么樣的特點(diǎn)和規(guī)律,是需要研究的一個(gè)問題.
火災(zāi)煙氣在隧道中逆向蔓延時(shí),影響回流長度的因素較多.為了簡便起見,本文考慮主要因素包括火源功率、隧道的幾何尺寸、形狀因子、環(huán)境溫度和縱向通風(fēng)速度等.因此,煙氣回流長度L與下列因素有關(guān):
煙氣回流長度相關(guān)的物理量涉及的基本量綱主要包括長度、質(zhì)量、時(shí)間和溫度,因此,選用長度L,時(shí)間T,質(zhì)量M和溫度Θ作為基本量綱,選取4個(gè)基本物理量,分別為隧道當(dāng)量直徑,隧道縱向通風(fēng)速度V,空氣密度ρ0和空氣比熱Cp.火災(zāi)煙氣回流相關(guān)物理量的量綱見表1.
4個(gè)基本物理量的量綱分別為
表1 火災(zāi)煙氣回流長度相關(guān)物理量Table 1 Physical quantities related to smoke back-layering length
對其余參量列量綱方程對量綱方程求解,得到各個(gè)參數(shù)值
式(16)的量綱一方程可列為
根據(jù)相似理論的相關(guān)規(guī)則,量綱一方程可簡化為
把V2消掉,方程可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為
進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為
因?yàn)樗淼赖母邔挶華S對煙氣回流長度也有一定的影響,考慮高寬比的影響,式(23)可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為
式(25)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為
令
則
3.1數(shù)值模擬方案
3.1.1模擬隧道的尺寸
作者對一些典型的UTLT的斷面幾何尺寸進(jìn)行了調(diào)查,調(diào)查發(fā)現(xiàn),北京奧林匹克公園地下聯(lián)系隧道在不同區(qū)域有單車道、雙車道、三車道和四車道幾種尺寸,斷面尺寸分別為4.3 m(高)×5.5 m(寬)、4.3 m(高)×8 m(寬)、4.3 m(高)×11.25 m(寬)和4.3 m(高)×14.5 m(寬)[18];蘇州火車站UTLT的尺寸為3.6 m(高)×7.5 m(寬)[19];北京中國村UTLT的尺寸為3.4 m(高)×7.2 m(寬)[20],結(jié)合其他一些城市UTLT的尺寸發(fā)現(xiàn),UTLT類隧道的斷面均為矩形,高度一般為3.4~5.6 m,面積的范圍為23.7~94.6 m2.
根據(jù)調(diào)查結(jié)果,選取9種尺寸的UTLT進(jìn)行模擬計(jì)算,具體的斷面尺寸為:
隧道A4.3 m(高)×11.3 m(寬)
隧道B4 m(高)×12.1 m(寬)
隧道C3.4 m(高)×14.2 m(寬)
隧道D4.2 m(高)×12 m(寬)
隧道E4.1 m(高)×12.9 m(寬)
隧道F4 m(高)×14.1 m(寬)
隧道G4.3 m(高)×14.1 m(寬)
隧道H4.3 m(高)×12.5 m(寬)
隧道I4.3 m(高)×9.5 m(寬)
模擬隧道的長度為160 m,火源距上游洞口100 m,距下游洞口60 m,火源的尺寸為4.6 m(長)× 1.5 m(寬)×1.4 m(高).
3.1.2模擬網(wǎng)格的確定
本文采用流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件(fire dynamics simulator,F(xiàn)DS)來模擬計(jì)算隧道中的火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)[21].大量研究表明,當(dāng)網(wǎng)格尺寸d=0.1D*時(shí),計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確描述各個(gè)參數(shù)的變化.其中D*為火源特征直徑
當(dāng)火源功率為3 MW時(shí),火源的當(dāng)量直徑為1.5 m,當(dāng)火源功率為5 MW時(shí),火源的當(dāng)量直徑為1.8 m,綜合考慮各種因素,數(shù)值模擬的網(wǎng)格尺寸取0.2 m.
3.2數(shù)值模擬結(jié)果
火災(zāi)煙氣逆著縱向風(fēng)速流動(dòng)時(shí),煙氣前鋒會(huì)造成溫度升高.圖1為與環(huán)境溫度的溫差為5、10、30℃時(shí)3種不同火災(zāi)工況在火源上游的溫度分布情況.可以看出,當(dāng)縱向速度較大時(shí),煙氣前鋒與環(huán)境溫度的溫差在縱向距離上差別較大;而當(dāng)縱向速度較大時(shí),煙氣前鋒與環(huán)境溫度的溫差在縱向距離上差別較小.根據(jù)前人的研究,本文取ΔT=5℃作為火災(zāi)煙氣回流長度前鋒.
不同火源熱釋放速率、縱向通風(fēng)速度條件下,10個(gè)UTLT火源上游火災(zāi)煙氣回流長度的FDS數(shù)值模擬結(jié)果見表2.
表2 隧道A~I(xiàn)回流長度模擬計(jì)算結(jié)果Table 2 Simulation results of back-layering length in tunnel A~I(xiàn)
4.1模型的建立
根據(jù)量綱分析的結(jié)果見式(27),將FDS數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果整理為量綱一的表達(dá)式L/H和 Q*1/3/ V*之間的關(guān)系,結(jié)果如圖2所示.
從圖2可以看出,在不同的縱向通風(fēng)速度下,火災(zāi)煙氣回流長度與火源功率和縱向通風(fēng)速度的比值成自然對數(shù)關(guān)系,其擬合度R2=0.91.
4.2理論預(yù)測模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比
將本文得到的火災(zāi)煙氣回流模型與翁廟成[17]、Minehiro等[13]、Li等[16]和胡隆華[22]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比.從圖3可以看到,對于胡隆華的全尺寸實(shí)驗(yàn),該方程式吻合較好,對于Tomoya的1:5的大尺寸實(shí)驗(yàn),該方程式也能和實(shí)驗(yàn)值很好地接近.由于翁廟成的試驗(yàn)臺(tái)的比例尺寸為1:10,李穎臻試驗(yàn)臺(tái)的尺寸也比較小,寬度只有250 mm和380 mm兩種類型,當(dāng)Q*1/3/V*較小時(shí),模型值和實(shí)驗(yàn)值能很好地吻合,當(dāng)Q*1/3/V*較大時(shí),實(shí)驗(yàn)值比模型值要小很多.可能原因?yàn)樾〕叽缒P驮囼?yàn)臺(tái)散熱量太大,并沒有保證熱相似,導(dǎo)致存在較大溫差時(shí)實(shí)驗(yàn)值較小.
4.3限制速度的模型
限制速度最早是Vauquelin等[23]提出的.限制風(fēng)速是把火災(zāi)煙氣限制在火源上游某一位置時(shí)的最低速度.提出限制速度的原因是在控制煙氣回流的同時(shí)保持火災(zāi)煙氣的良好分層.Vauquelin等[24-26]在限制速度方面做了一定的工作.他們在隧道頂部安裝橫向排煙系統(tǒng)來控制火災(zāi)煙氣的流動(dòng).在實(shí)驗(yàn)中,火源的上游有排煙口,煙氣流動(dòng)被隧道中的縱向空氣控制.如果減少排煙速度,排煙口上部的煙氣層長度增加.Vauquelin等用氦氣-空氣混合物來模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的浮力流動(dòng),試驗(yàn)臺(tái)的比例尺寸是1: 20,實(shí)際尺寸火災(zāi)功率達(dá)到20 MW.Vauquelin等[23]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)火災(zāi)煙氣回流長度小于4倍的隧道高度時(shí),所需的縱向速度大大減少,下游的煙氣層保持穩(wěn)定,在這種情況下,可認(rèn)為限制速度形成.由于這個(gè)原因,把火災(zāi)煙氣回流長度等于4H的隧道縱向速度定義為限制速度.
由于UTLT的高度較低,考慮到消防隊(duì)員可以近距離撲救的回流長度一般為30 m,因此,定義UTLT的限制速度為火災(zāi)煙氣回流長度等于,對式(29)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化,可以得到UTLT的限制速度
圖4為4種不同寬度的UTLT類隧道,用式(30)計(jì)算得到的限制速度.4種隧道的尺寸分別為5.5 m×4.3 m(寬×高),8.0 m×4.3 m(寬×高),11.25 m×4.3 m(寬×高)和14.5 m×4.3 m(寬×高).可以看出,當(dāng)高度相同、寬度不同時(shí),限制速度有所不同.當(dāng)寬度增加時(shí),限制速度降低.例如對于15MW的火災(zāi),在5.5 m×4.3 m(寬×高)的隧道中,限制速度為2.16 m/s;在14.5 m×4.3 m(寬×高)的隧道中,限制速度為1.65 m/s.
本文通過量綱分析方法、FDS數(shù)值模擬計(jì)算,對不同當(dāng)量直徑及高寬比條件下的UTLT類隧道,在不同的熱釋放速率及縱向速度情況下,建立了UTLT類隧道火災(zāi)煙氣回流預(yù)測模型.
通過與其他學(xué)者的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,結(jié)果表明:所建立的理論模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測量值吻合較好.
在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了UTLT類隧道限制速度的預(yù)測模型.該模型可用于UTLT類隧道排煙設(shè)計(jì)的工程計(jì)算,為UTLT類隧道的消防設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo).
[1]錢曉彬,黃求喜,王曉剛.武漢CBD地下交通環(huán)廊火災(zāi)煙氣控制[J].中華建設(shè),2012(6):210-211.
QIAN X B,HUANG Q X,WANG X G.Smoke control on UTLT tunnel in Wuhan CBD[J].China Construction,2012(6):210-211.(in Chinese)
[2]華高英,李磊.城市地下交通聯(lián)系隧道煙控設(shè)計(jì)研究初探[J].暖通空調(diào),2013(6):104-108.
HUA G Y,LI L.Smoke control design for urban traffic linktunnel[J].Heating,VentilatingandAir Conditioning,2013(6):104-108.(in Chinese)
[3]姜學(xué)鵬,付維綱,袁月明,等.城市地下聯(lián)系通道火災(zāi)通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)方法[J].科技導(dǎo)報(bào),2013,31(21):15-20.
JIANG X P,F(xiàn)U W G,YUAN Y M,et al.Design method of ventilation and smoke exhaustion against urban traffic link tunnel fire[J].Science and Technology Review, 2013,31(21):15-20.(in Chinese)
[4]王兆雄,劉伯宇.北京城市地下交通環(huán)廊開發(fā)現(xiàn)狀及分析[J].建筑與文化,2013(2):505-506.
WANG Z X,LIU B Y.Development status and analysis on UTLT tunnel in Beijing[J].Architecture and Culture,2013(2):505-506.(in Chinese)
[5]DU T,YANG D,PENG S,et al.A method for design of smoke control of urban traffic link tunnel(UTLT)using longitudinal ventilation[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2015,48:35-42.
[6]華高英,王偉,趙耀華,等.地下交通聯(lián)系隧道典型火災(zāi)場景的煙氣控制研究[J].建筑科學(xué),2010(8):92-97.
HUA G Y,WANG W,ZHAO Y H,et al.Study on smoke control with typical fire scenario for Beijing CBD urban traffic link tunnel[J].Building Science,2010(8):92-97.(in Chinese)
[7]INGASON H,LI Y Z,L?NNERMARK A.Tunnel fire dynamics[M].New York:Springer,2014:322-323.
[8]OKA Y,ATKINSON G T.Control of smoke flow in tunnel fires[J].Fire Safety Journal,1995,25:305-322.
[9]THOMAS P H.The movement of buoyant fluid against a stream and the venting of underground fires[R].Boreham Wood,Herts:Fire Research Station,1958.
[10]VANTELON J P,GUELZIM A,QUACH D,et al. Investigation of fire-induced smoke movement in tunnels and stations:an application to the Paris Metro[J].Fire Safety Science,1991,3:907-918.
[11]DEBERTEIX P,GABAY D,BLAY D.Experimental study of fire-induced smoke propagation in a tunnel in the presence of longitudinal ventilation[C]∥Proceedings of the International Conference on Tunnel Fires and Escape from Tunnels.Washington:Elservier,2001:257-265.
[12]HU L H,HUO R,K.C.W.Studies on buoyancy-driven back-layering flow in tunnel fires[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2008,32(8):1468-1483.
[13]MINEHIRO T,F(xiàn)UJITA K,KAWABATA N,et al. Backlayering distance of thermal fumes in tunnel fire experiments using a large-scale model[J].Journal of Fluid Science and Technology,2012,7(3):389-404.
[14]周延,王德明,周福寶.水平巷道火災(zāi)中煙流逆流層長度的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001(5): 24-26.
ZHOU Y,WANG D M,ZHOU F B.Experimental study on length of smoke back-flow layer of fire in horizontal tunnel[J].Journal of China University of Mining& Technology,2001(5):24-26.(in Chinese)
[15]周福寶,王德明.巷(隧)道火災(zāi)煙流滾退距離的無因次關(guān)系式[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(4):69-72.ZHOU F B,WANG D M.Non-dimensional expression for backflow distances of smoke and hot gases in roadway or tunnel fire[J].Journal of China University of Mining& Technology,2003(4):69-72.(in Chinese)
[16]LI Y Z,BO L,HAUKUR I.Study of critical velocity and backlayering length in longitudinally ventilated tunnel fires[J].Fire Safety Journal,2010,45:361-370.
[17]翁廟成.地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)與煙氣控制研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.
WENG M C.Study on fire smoke flow characteristics and smokecontrolinMetrotunnel[D].Chongqing: Chongqing University,2014.(in Chinese)
[18]趙子新,李進(jìn),李引擎.北京奧運(yùn)工程性能化防火設(shè)計(jì)與消防安全管理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:28-29.
[19]姜學(xué)鵬,劉琪,趙紅莉.通風(fēng)豎井在蘇州火車站地下空間環(huán)形車道中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(1):37-41.
JIANG X P,LIU Q,ZHAO H L.Application of ventilating shaft in UTLT tunnel in Suzhou railway station[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceand Engineering,2009,5(1):37-41.(in Chinese)
[20]袁延朋,姚堅(jiān).國內(nèi)外地下車行環(huán)路工程建設(shè)案例與啟示[J].上海建設(shè)科技,2011(5):10-13.
YUANYM,YAOJ.Constructioncaseand enlightenment of UTLT tunnel at home and abroad[J]. Shanghai Construction Science&Technology,2011(5): 10-13.(in Chinese)
[21] MCGRATTAN K.FDS Ver.5.5 techical guide[R]. Gaithersburg,M D:NIST Special Publication,2010.
[22]胡隆華.隧道火災(zāi)煙氣蔓延的熱物理特性研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2006.
HU L H.Studies on thermal physics of smoke movement in tunnel fires[D].Hefei:State Key Laboratory of Fire Science University of Science and Technology of China,2006.(in Chinese)
[23]VAUQUELIN O,TELLE D.Definition and experimental evaluation of the smoke“confinement velocity”in tunnel fires[J].Fire Safety Journal,2005,40(4):320-330.
[24]VAUQUELIN O.Parametrical study of the back flow occurrence in case of a buoyant release into a rectangular channel[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2005(29):725-731.
[25]VAUQUELIN O,WU Y.Influence of tunnel width on longitudinal smoke control[J].Fire Safety Journal,2006,41:420-426.
[26]VAUQUELIN O.Experimental simulations of fire-induced smoke control in tunnels using an“air-helium reduced scale model”:principle,limitations,results and future[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2008,23(2):171-178.
(責(zé)任編輯鄭筱梅)
Model of Back-layering and Confinement Velocity in UTLT Tunnel
LI Sicheng1,2,WANG Wei1,ZHAO Yaohua1
(1.College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Department of Fire Command,The Chinese People蒺s Armed Police Force Academy,Langfang 065000,Hebei,China)
Urban Traffic Link Tunnel(UTLT)is a new-type underground traffic system and smoke control is important to ensure fire safety in tunnels.A dimensionless equation of back-layering in UTLT tunnel with scaling analysis method was derived.According to usual sizes of UTLT,tunnels of different sizes were set and then fire was simulated with CFD software FDS 5.5.The length of back-layering was obtained at different conditions.At last a model of back-layering in UTLT was obtained.The model agreed well with full scale and medium scale experimental data.The model of confinement velocity was derived on the basis of back-layering model.The research can provide technical reference for UTLT fire protection design.
urban traffic link tunnel(UTLT);back-layering;confinement velocity;scaling analysis method
TU 998.1
A
0254-0037(2016)06-0893-09
10.11936/bjutxb2015100036
2015-10-14
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178015)
李思成(1977—),男,博士研究生,主要從事火災(zāi)煙氣控制方面的研究,E-mail:lisch@mail.ustc.edu.cn
王偉(1977—),男,教授,主要從事熱泵和火災(zāi)控制方面的研究,E-mail:mrwangwei@bjut.edu.cn