基于機(jī)械排煙效率的隧道火災(zāi)安全管理研究

李林杰，李旭彥，劉佳亮

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;2.科技部基礎(chǔ)研究管理中心,北京 100862)

基于機(jī)械排煙效率的隧道火災(zāi)安全管理研究

李林杰1，李旭彥2，劉佳亮1

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;2.科技部基礎(chǔ)研究管理中心,北京 100862)

火災(zāi)中機(jī)械排煙的速率過大會導(dǎo)致吸穿現(xiàn)象，進(jìn)而引起排煙效率大大降低，在隧道火災(zāi)中，由于沒有穩(wěn)定的蓄煙空間，煙氣在隧道中具有定向的流動，吸穿現(xiàn)象的發(fā)生與中庭中不同。根據(jù)質(zhì)量守恒定律分析了隧道火災(zāi)機(jī)械排煙的吸穿現(xiàn)象，得到隧道火災(zāi)中機(jī)械排煙的臨界Froude數(shù)值為1.8。為了檢驗該結(jié)論，利用數(shù)值模擬分析了幾種典型的隧道火災(zāi)機(jī)械排煙工況，模擬結(jié)果表明該結(jié)論可以很好地判定隧道火災(zāi)機(jī)械排煙的吸穿現(xiàn)象。

隧道火災(zāi)；排煙效率；吸穿；火災(zāi)安全

火災(zāi)是隧道內(nèi)可能發(fā)生的重要安全威脅，由于隧道的封閉性，發(fā)生火災(zāi)之后，容易造成較大的安全事故。據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中大部分的人員傷亡來自于火災(zāi)煙氣中的有毒氣體，所以在火災(zāi)發(fā)生之后，如何控制煙氣在隧道中的蔓延便是一個重要的問題。隧道中的排煙有自然排煙和機(jī)械排煙兩類，自然排煙成本較低，應(yīng)用廣泛，但可靠性較差；機(jī)械排煙相對成本較高，但具有更好的可靠性。機(jī)械排煙在隧道中大致可以分為兩類，對于較短的隧道，一般采用縱向排煙，即利用風(fēng)機(jī)直接將煙氣從隧道的一個出口向另一個出口吹出，避免煙氣的回流；對于較長的隧道，多采用橫向排煙，即利用隧道內(nèi)的管道和風(fēng)機(jī)，將隧道內(nèi)的煙氣從排煙管道內(nèi)向外排出，同時結(jié)合送風(fēng)管道向隧道內(nèi)送風(fēng)。對于隧道內(nèi)機(jī)械排煙，前人已經(jīng)做了大量的研究，VAUQUELIN[1]利用小尺寸實驗研究了排煙口的位置、排煙口的形狀及火源功率等對機(jī)械排煙效能的影響。ZHONG等[2]研究了縱向風(fēng)對隧道自然排煙效率的影響，指出吸穿現(xiàn)象是影響排煙效率的重要因素。FAN等[3-4]通過數(shù)值模擬和實驗研究了豎井自然排煙的吸穿現(xiàn)象，結(jié)合實驗和理論分析，提出了防止吸穿現(xiàn)象的豎井臨界高度準(zhǔn)則。姜學(xué)鵬等[5]研究了隧道集中排煙過程中的吸穿現(xiàn)象，研究結(jié)果表明，吸穿現(xiàn)象會降低整個排煙系統(tǒng)的排煙效率。影響排煙效率的一個重要因素就是吸穿現(xiàn)象，即在排煙速率過大時排煙口將會把煙氣層下方的空氣直接吸入排煙口，導(dǎo)致排煙效率的大幅下降[6]。COOPER[7]根據(jù)煙氣層的穩(wěn)定系構(gòu)建了基于Froude數(shù)的吸穿模型，提出了預(yù)測吸穿現(xiàn)象的臨界Froude數(shù)，該模型適用于自然排煙和中庭的機(jī)械排煙,可用來判斷發(fā)生吸穿現(xiàn)象的臨界排煙速率。在隧道火災(zāi)中，煙氣運動與房間火災(zāi)不同，煙氣層沒有穩(wěn)定的蓄煙空間，導(dǎo)致煙氣在隧道中具有水平的流動速度，COOPER的基于煙氣層穩(wěn)定性的Froude模型能否用于判定隧道中的吸穿現(xiàn)象還沒有定論。筆者將從質(zhì)量守恒的角度來分析排煙情況下的吸穿現(xiàn)象，并提出在隧道火災(zāi)中排煙時吸穿的臨界判據(jù)。

1 煙氣層吸穿現(xiàn)象的模型

1.1 吸穿現(xiàn)象的傳統(tǒng)模型

COOPER等提出的吸穿模型認(rèn)為發(fā)生吸穿時，由于排煙的速率過大，導(dǎo)致煙氣層發(fā)生失穩(wěn)，引發(fā)了空氣與煙氣的劇烈摻混，可以用一個Froude值來判斷煙氣層失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。COOPER的吸穿模型預(yù)測了中庭內(nèi)煙氣發(fā)生吸穿現(xiàn)象的臨界排煙速率。目前，對于吸穿現(xiàn)象的研究主要是針對具有穩(wěn)定蓄煙空間建筑中的排煙過程，而隧道內(nèi)火災(zāi)機(jī)械排煙與中庭等具有穩(wěn)定空間的機(jī)械排煙的不同之處在于，中庭內(nèi)煙氣具有穩(wěn)定的蓄煙空間，而隧道中沒有穩(wěn)定的蓄煙空間，煙氣在隧道內(nèi)將有一個定向的流動，導(dǎo)致隧道火災(zāi)中機(jī)械排煙的吸穿現(xiàn)象和中庭中機(jī)械排煙的吸穿現(xiàn)象有所不同。

圖1所示為機(jī)械排煙示意圖，d為無排煙時煙氣層的厚度，排煙時排煙口下方的煙氣層厚度會受到排煙速率的影響，如果排煙速率較小，則近似認(rèn)為排煙口下方煙氣層厚度等于d；隨著排煙速率繼續(xù)增大，排煙口下方煙氣層厚度逐漸變薄；當(dāng)排煙速率達(dá)到某個臨界值時，排煙口下方將沒有穩(wěn)定的煙氣層，即認(rèn)為此時的煙氣層厚度為0，便發(fā)生了吸穿現(xiàn)象。

圖1 機(jī)械排煙示意圖

1.2 基于質(zhì)量守恒的吸穿模型

基于質(zhì)量守恒定律，可以從另外一個方面來分析吸穿現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，煙氣由于浮力的作用，位于空氣層上部，機(jī)械排煙時，排煙口下方的煙氣被吸入排煙口，煙氣層便發(fā)生凹陷(見圖1)，由于空氣和煙氣存在密度差，凹陷區(qū)將與周圍的煙氣產(chǎn)生壓強差，周圍的煙氣在壓強差的作用下流向凹陷區(qū)域，使得煙氣層下方的空氣不能進(jìn)入機(jī)械排煙口。當(dāng)排煙速率過大時，凹陷區(qū)域附近流向排煙口的煙氣量小于排煙量，這樣就會導(dǎo)致凹陷區(qū)域下方的冷空氣進(jìn)入排煙口，發(fā)生吸穿現(xiàn)象，導(dǎo)致排煙的效率降低。

在排煙時，排煙口下方發(fā)生凹陷，由于煙氣和空氣層之間的密度差會產(chǎn)生壓強差，根據(jù)伯努利方程，可以計算煙氣流向排煙口下方的速度：

(1)

式中：P0為煙氣層與空氣層分界面的壓強；h為距離分界層的高度；ρ0為空氣的密度；ρs為煙氣的密度；uh為排煙口下方距離煙氣層分界面高度為h處的煙氣流動速度，計算得該速度為：

(2)

如圖1(b)所示，將臨界吸穿時候的凹陷區(qū)域簡化成一個圓錐體，發(fā)生吸穿時，通過圓錐面流入凹陷區(qū)域煙氣的最大體積流量為：

(3)

(4)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[8]等的研究，臨界吸穿現(xiàn)象發(fā)生和實驗的尺寸無關(guān)，所以可假設(shè)臨界吸穿情況下的凹陷區(qū)域形態(tài)都是自相似的，即認(rèn)為發(fā)生臨界吸穿時凹陷區(qū)域的角度θ是一個常數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，排煙時不發(fā)生吸穿現(xiàn)象的最大排煙量必須小于等于排煙口下方凹陷區(qū)域附近由于煙氣和空氣之間的壓強差產(chǎn)生的最大煙氣體積流量，即：

(5)

式中:u為排煙口煙氣的流動速度；A為排煙口的面積。結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程：

ρ0·T0=ρs·Ts

(6)

可以將不等式轉(zhuǎn)換成如下的等價形式：

(7)

這樣，就可以得到與Froude模型類似的結(jié)果，根據(jù) LOUGHEED等的研究結(jié)果，式(7)右邊應(yīng)該等于1.5，即：

(8)

tanθ≈0.422

(9)

1.3 模型檢驗

圖2 排煙口煙氣流動示意圖

(10)

將Vmax和tanθ的值代入式(10)可以得到：

(11)

這個結(jié)果和LOUGHEED等研究的排煙口靠近側(cè)壁時吸穿的臨界Froude數(shù)值1.1非常接近。證明通過排煙量與流向凹陷區(qū)域煙氣流量守恒分析得到的吸穿結(jié)果是可靠的。

2 隧道內(nèi)排煙的吸穿現(xiàn)象

當(dāng)在隧道中開展機(jī)械排煙時，由于隧道中沒有穩(wěn)定的蓄煙空間，隧道內(nèi)的煙氣沿著隧道方向流動，分別分析隧道火災(zāi)排煙時排煙口下方由于煙氣層凹陷導(dǎo)致的從4個方向流過來的煙氣量。由于隧道內(nèi)煙氣的定向流動速度方向平行于隧道側(cè)壁，并且排煙口下游煙氣流向凹陷區(qū)域較少受隧道煙氣流動影響，因此假設(shè)臨界吸穿時，只考慮隧道內(nèi)煙氣流動對從機(jī)械排煙口上游流入排煙區(qū)域的煙氣量的影響。從機(jī)械排煙口上游流向排煙區(qū)域的煙氣具有初始的流動速度，利用伯努利方程，可計算得到隧道上游煙氣的初始速度為：

(12)

上游煙氣在臨界吸穿時流向排煙口下方凹陷區(qū)域的速度可以再次利用伯努利方程進(jìn)行計算：

(14)

對上游煙氣流動引起的煙氣體積流量可以用類似的方法進(jìn)行計算，上游流入圓錐體內(nèi)的煙氣體積流量為：

(15)

那么在隧道排煙過程中，排煙口下方流過來的煙氣的總體積可以用這兩部分之和來表示，不發(fā)生吸穿的情況下應(yīng)有如下不等式：

(16)

不等式等價轉(zhuǎn)換之后有：

(17)

即隧道火災(zāi)排煙吸穿的臨界Froude值為1.8。

3 數(shù)值模擬驗證

為了對理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗證，筆者選用美國NIST開發(fā)的計算機(jī)流體力學(xué)(CFD)模擬程序FDS(fire dynamics simulator)對隧道火災(zāi)機(jī)械排煙的吸穿現(xiàn)象進(jìn)行模擬。根據(jù)隧道尺寸的調(diào)研，選擇了模擬隧道的尺寸為：長50 m，寬12 m，高5.5 m，排煙口的面積為1.5 m×1.5 m。排煙速率從1 m3/s開始按照1 m3/s的速率遞增(4 MW的火源補充了5.5 m3/s的排煙速率)，直到能夠發(fā)生吸穿現(xiàn)象。 隨著排煙速率的增大，排煙口下方的凹陷增加，在發(fā)生吸穿的情況下，排煙口下方煙氣層厚度為0。實驗上判斷煙氣層厚度的常見方法主要有N百分比法、積分比法等[9]。N百分比法由于使用簡單，應(yīng)用廣泛，但是N的取值受到使用者以往經(jīng)驗的影響，具有一定的主觀性，因此需要使用者對實驗工況具有較高的認(rèn)識，否則使用時容易出錯[10]。積分比法則可以排除人為因素的干擾，筆者模擬實驗中依據(jù)積分比法利用FDS中的語句來計算煙氣層厚度[11]。

實驗?zāi)M了6種火源功率，分析在不同火源功率下臨界吸穿時的Froude數(shù)值。無排煙時煙氣層溢流速度和溫度都取排煙口位置下方煙氣層中幾個測點的平均值，煙氣層厚度用FDS中的語句計算，其原理是積分比法。隨著排煙速率的增大，排煙口下方的凹陷增加，在發(fā)生吸穿的情況下，由于空氣與煙氣的摻混，排煙口下方的煙氣溫度變得很低，但是并不等于環(huán)境溫度。當(dāng)排煙口下方的溫度相差不大，且基本不隨排煙速率的增大而改變時，即發(fā)生了吸穿現(xiàn)象。模擬不同火源功率下隧道火災(zāi)機(jī)械排煙的臨界吸穿速率如表1所示。

表1 模擬的火源熱釋放速率與相應(yīng)的臨界吸穿速率

如圖3所示為火源功率為4 MW時幾種典型的排煙速率情況下排煙口下方的溫度等值線圖。當(dāng)機(jī)械排煙速率為1.0 m3/s時，機(jī)械排煙對煙氣層的溫度分布影響很??；當(dāng)機(jī)械排煙速率為3.0 m3/s時，排煙口下方煙氣層溫度降低，有明顯的凹陷，仍然沒有吸穿；當(dāng)機(jī)械排煙速率為5.5 m3/s時，發(fā)生了吸穿現(xiàn)象，下層的空氣直接進(jìn)入機(jī)械排煙口。這與通過FDS命令得出的臨界吸穿速率一致，說明積分比法能夠較好地判定吸穿。

圖3 火源功率為4 MW時排煙口下方的溫度等值線圖

圖4所示為火源功率為4 MW時幾種典型的排煙速率情況下排煙口下方的速度矢量圖。當(dāng)機(jī)械排煙速率為1.0 m3/s時，機(jī)械排煙只排出了上層的煙氣，沒發(fā)生吸穿現(xiàn)象；當(dāng)機(jī)械排煙速率為3.0 m3/s時，排煙口下游附近的煙氣獲得向下的速度分量，卷吸的空氣增多，仍然沒有吸穿；當(dāng)機(jī)械排煙速率為5.5 m3/s時，發(fā)生了吸穿現(xiàn)象，下層的空氣直接進(jìn)入機(jī)械排煙口。這與通過FDS命令得出的臨界吸穿速率一致，這也驗證了積分比法判定吸穿的可靠性。

圖4 火源功率為4 MW時排煙口下方的速度矢量圖

圖5 火源功率為4 MW，臨界吸穿時排煙口下方橫向和縱向的溫度分布

圖5所示為臨界吸穿時排煙口下方橫向和縱向的煙氣溫度切片。由圖5(a)可以看出，從排煙口兩側(cè)流入排煙口的煙氣溫度和從排煙口上游流入排煙口的溫度近似相等，說明從排煙口下游流入排煙口的煙氣中摻混了較多的空氣。從圖5(b)可以看出，在臨界吸穿情況下，從排煙口上游流入排煙口的煙氣溫度比從排煙口下游流入的煙氣溫度高；且機(jī)械排煙造成的煙氣凹陷的中心點不在排煙口的正下方，而是在排煙口正下方偏下，這正是由于煙氣在隧道中的定向流動造成的。

圖6 火源功率為4 MW，臨界吸穿時排煙口下方橫向和縱向的速度矢量分布

圖6所示為臨界吸穿時排煙口下方橫向和縱向的煙氣流動速度矢量分布。從速度矢量圖可以看出，機(jī)械排煙發(fā)生臨界吸穿情況下，從排煙口上游流入排煙口的煙氣流速比從排煙口下游流入排煙口的煙氣流速大；從排煙口左右兩邊流入排煙口的煙氣流速基本相同。這同理論分析的結(jié)果基本一致。類似地，從圖6(b)可以看出，由于煙氣在隧道中的定向流動，排煙口下方煙氣的流動速度在縱向上并不對稱，這正是由于煙氣在隧道內(nèi)的定向流動導(dǎo)致了隧道內(nèi)機(jī)械排煙發(fā)生吸穿的情況與中庭中不同。

根據(jù)模擬得到的不同火源功率下機(jī)械排煙發(fā)生吸穿的臨界排煙量，可以計算出對應(yīng)的吸穿臨界Froude數(shù)值，如表2所示。根據(jù)計算結(jié)果，得到在隧道火災(zāi)機(jī)械排煙過程中，吸穿的臨界Froude值在1.9附近，當(dāng)Froude值大于1.9時，將發(fā)生吸穿現(xiàn)象。這同理論分析得到的隧道內(nèi)機(jī)械排煙吸穿的臨界Froude值1.8非常接近，說明理論分析的結(jié)果是可靠的。

表2 不同火源功率下的臨界吸穿排煙速率及相應(yīng)的Froude數(shù)值

4 結(jié)論

筆者通過理論分析，從質(zhì)量守恒的角度分析了排煙過程中的吸穿現(xiàn)象，認(rèn)為吸穿現(xiàn)象發(fā)生的條件是排煙的速率大于排煙口下方煙氣流向排煙口的最大速率。吸穿現(xiàn)象發(fā)生之后，由于排煙口吸入了大量的空氣，機(jī)械排煙的效率會大大降低?；诓匠蹋嬎懔伺艧熆谙路綗煔饬飨蚺艧熆诘淖畲笏俾?，得到了吸穿現(xiàn)象發(fā)生的臨界判據(jù)。并利用前人的研究結(jié)果對該判據(jù)進(jìn)行了檢驗，結(jié)果表明利用質(zhì)量守恒方法分析得到的結(jié)果是可靠的。將該方法運用于分析隧道火災(zāi)機(jī)械排煙的吸穿現(xiàn)象，通過理論分析，得到隧道火災(zāi)吸穿的臨界Froude值為1.8。利用數(shù)值模擬的方法分析了典型的隧道火災(zāi)機(jī)械排煙的臨界Froude數(shù)值，對理論分析的結(jié)果進(jìn)行檢驗，模擬得到不同隧道火災(zāi)機(jī)械排煙吸穿臨界Froude值的平均值為1.9，與理論分析的結(jié)果非常接近，表明理論分析的結(jié)果是可靠的。

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LI Linjie:Assoc. Prof. ; School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China.

Research on the Safety Management of Tunnel Fire Based on the Efficiency of Mechanical Smoke Extraction

LILinjie,LIXuyan,LIUjialiang

When the plug-holing occurs in tunnel fire mechanical ventilation, it will significantly reduce the efficiency of ventilation. In the tunnel fire, there is no stable smoke space, flue gas in the tunnel with directional flow, the phenomenon of suction wear and atrium in the different. According to the law of conservation of mass, the suction of the mechanical exhaust is analyzed, and the critical Froude value of the mechanical exhaust is 1.8. In order to test the result, several kinds of typical mechanical smoke exhausting conditions of tunnel fire are analyzed by numerical simulation. The simulation results show that the conclusion can be used to judge the suction of mechanical smoke in tunnel fire.

tunnel fire; efficiency of mechanical smoke extraction; plug-holing；fire safety

2095-3852(2016)06-0656-06

A

2016-07-17.

國家自然科學(xué)青年基金項目(51508065)；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室開放課題基金項目(HZ2015-KF05)；重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地開放課題基金項目(CQSLBF-Y15-10)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資金項目(KJ1500509).

X93

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.004

收稿日期：李林杰(1986-)，男，重慶人, 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院副教授;博士.