隧道橫通道附近火源最不利位置的確定

姜學(xué)鵬，張　鵬，張劍高，何　超，于年灝

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢　430081; 2.建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津　300381)

橫通道是指2條單線隧道之間設(shè)置的互為連通、用來疏散旅客的通道。火災(zāi)發(fā)生后，人員經(jīng)火區(qū)附近橫通道快速疏散至非事故隧道進(jìn)行避難[1-2]。為防止煙氣侵入橫通道，需對(duì)橫通道進(jìn)行送風(fēng)，使橫通道防護(hù)門處保持不小于2 m·s-1[3]的風(fēng)速，其中恰好能抑制煙氣侵入橫通道的風(fēng)速稱為橫通道臨界風(fēng)速[4]。

采用火源與橫通道洞口之間的距離表示火源位置?；鹪次恢脤?duì)橫通道的防煙控制有較大影響，將煙氣最易侵入橫通道時(shí)的火源位置稱為橫通道附近火源最不利位置，此時(shí)橫通道臨界風(fēng)速最大。因此在研究橫通道臨界風(fēng)速時(shí)，需要先確定橫通道附近火源的最不利位置。Kim等[5]將火源設(shè)置在橫通道洞口處，以驗(yàn)證韓國Sol-An鐵路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性；Hou[6]將火源設(shè)置于橫通道上游2 m處，對(duì)某地鐵隧道橫通道防煙效果進(jìn)行研究；李穎臻[7]將火源設(shè)于橫通道上游1.5 m，通過1/20的縮尺模型試驗(yàn)建立了橫通道臨界風(fēng)速計(jì)算模型。上述研究多認(rèn)為火源最不利位置在橫通道附近，但均未對(duì)火源最不利位置給予明確的設(shè)置依據(jù)。

本文擬通過量綱分析建立橫通道附近火源最不利位置與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式，采用1∶20縮尺寸模型試驗(yàn)研究相關(guān)參數(shù)對(duì)橫通道附近火源最不利位置的影響，進(jìn)而明確無量綱火源最不利位置與隧道縱向風(fēng)速、火源功率之間的關(guān)系，最終得到橫通道附近火源最不利位置的無量綱計(jì)算公式。

1　量綱分析

隧道橫通道附近火源最不利位置L的主要影響因素[8]有：火源功率Q、隧道縱向風(fēng)速vt、送入空氣密度ρ0、送入空氣定壓比熱Cp、送入空氣溫度T0、重力加速度g、隧道高度H、橫通道防護(hù)門高度Hd、防護(hù)門寬度W?？紤]到在實(shí)際隧道中橫通道防護(hù)門尺寸多為2.2 m×2.2 m[9]，因此防護(hù)門的門高Hd、門寬W可以忽略。根據(jù)量綱分析的π定理[10]有

f(L,Q,vt,ρ0,Cp,T0,g,H)=0

(1)

[M]，[t]，[L]，[T]為4個(gè)基本量綱，上述8個(gè)物理量均可由基本量綱表示，因而選擇隧道縱向通風(fēng)速度vt、送入空氣密度ρ0、送入空氣溫度T0、隧道高度H作為4個(gè)基礎(chǔ)物理量，則式(1)可變?yōu)?/p>

f(π1,π2,π3,π4)=0

(2)

其中

(3)

根據(jù)相似理論規(guī)則，式(2)可變?yōu)?/p>

(4)

其中的無量綱項(xiàng)為

(5)

則式(4)可簡化為

(6)

將式(6)寫成函數(shù)形式，即

(7)

式中：α，β和λ均為系數(shù)。

2　縮尺寸模型隧道火災(zāi)試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵罁?jù)Froude相似準(zhǔn)則[11-13]搭建：長度相似比CL=1∶20；溫度相似比CT=1∶1；速度相似比Cv=(Lm/Lp)1/2；火源功率相似比CQ=(Lm/Lp)5/2，其中Lm為模型隧道長度，Lp為實(shí)體隧道長度。模型中：隧道的長×寬×高為10 000 mm×600 mm×415 mm，橫通道的長×寬×高為1 500 mm×300 mm×300 mm；隧道及橫通道的底板采用不銹鋼板制造，隧道側(cè)窗及頂板采用8 mm厚鋼化玻璃，橫通道的其余部分采用4 mm厚有機(jī)玻璃；火源置于橫通道上游；隧道的左、右側(cè)洞口及橫通道洞口均為敞開狀態(tài)，且隧道左側(cè)洞口與橫通道洞口為進(jìn)風(fēng)口；模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。

煙氣溫度采用φ1.0 mm K型熱電偶進(jìn)行測量，其測點(diǎn)布置如圖2所示，即在橫通道防護(hù)門前后各50 mm處，分別設(shè)置2串電偶樹共14個(gè)測點(diǎn)，在防護(hù)門內(nèi)側(cè)橫通道頂壁下10 mm處布置9個(gè)測點(diǎn)，間距50 mm。試驗(yàn)中各測點(diǎn)溫度取煙氣狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)100 s內(nèi)的平均值。

圖1　模型試驗(yàn)裝置

圖2　模型測點(diǎn)布置(單位：mm)

在火源上游隧道設(shè)置A-A風(fēng)速測量斷面，用于測量隧道的縱向風(fēng)速，在橫通道防護(hù)門處設(shè)B-B風(fēng)速測面，用于測量防護(hù)門處的斷面風(fēng)速，A-A斷面和B-B斷面上風(fēng)速測點(diǎn)布置見圖2。風(fēng)速采用6162型智能型高溫風(fēng)速儀及L型皮托管+ PY301差壓變送器進(jìn)行測量，其中高溫風(fēng)速儀測試精度為±3%FS，變送器量程范圍0～50 Pa、精度為0.5%FS。試驗(yàn)中B-B斷面上測點(diǎn)的風(fēng)速取火災(zāi)穩(wěn)態(tài)時(shí)60 s內(nèi)風(fēng)速的平均值，A-A斷面上測點(diǎn)的風(fēng)速取各測點(diǎn)風(fēng)速的平均值。

2.2　工況設(shè)計(jì)

根據(jù)量綱分析結(jié)果，通過改變火源功率(A01—A09)和隧道縱向風(fēng)速(B01—B06)，來確定無量綱火源最不利位置與各量綱之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)15組試驗(yàn)工況，詳見表1。

表1　火源位置的工況設(shè)計(jì)

2.3　火源最不利位置確定方法

當(dāng)隧道有一定縱向風(fēng)時(shí)，如果火源位于橫通道下游，則該橫通道處于煙氣回流區(qū)域，與火源位于橫通道上游時(shí)相比，由于煙氣層較高而更易控制煙氣的回流，由此可知，橫通道附近火源最不利位置在橫通道的上游。

通過不斷改變火源與橫通道洞口的距離L，并測得不同距離L時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫通道臨界風(fēng)速，其中橫通道臨界風(fēng)速最大的區(qū)域即為橫通道附近火源最不利位置。如圖3所示，隨著火源與橫通道距離的不斷增大，橫通道臨界風(fēng)速會(huì)在一定范圍內(nèi)保持?jǐn)?shù)值最大，則該距離范圍即為橫通道附近火源的最不利位置。

圖3　火源最不利位置示意圖

3　模型試驗(yàn)結(jié)果分析

為便于與實(shí)際結(jié)合，下文分析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是將模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過相似準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換后的實(shí)體數(shù)據(jù)。

3.1　隧道縱向風(fēng)速的影響分析

在火源功率為20 MW及其他參數(shù)不變的情況下，隧道縱向風(fēng)速對(duì)橫通道附近火源最不利位置的影響見表2。

表2　不同隧道縱向風(fēng)速下最不利情況時(shí)的火源位置

對(duì)表2中數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合得到2條擬合曲線，如圖4所示。由圖4可知：橫通道附近火源最不利位置的最大值Lmax為2段曲線，其中當(dāng)隧道縱向風(fēng)速在1.0～2.5 m·s-1范圍時(shí)，Lmax隨縱向風(fēng)速呈現(xiàn)出0.8次方增長趨勢，該段曲線的相關(guān)系數(shù)為0.992 8；當(dāng)隧道風(fēng)速超過2.5 m·s-1時(shí)，Lmax基本保持在20 m左右，表明隨著縱向風(fēng)速增大到一定程度后，Lmax不再隨著縱向風(fēng)速的變化而變化；不同縱向風(fēng)速下，橫通道附近火源最不利位置的最小值Lmin基本保持不變，說明縱向風(fēng)速對(duì)最小值Lmin基本無影響。由此可知，隨著縱向風(fēng)速的增大，橫通道附近火源最不利位置的范圍先增大后保持不變。這是由于縱向風(fēng)速對(duì)火焰偏轉(zhuǎn)角[14]作用的結(jié)果，火焰偏轉(zhuǎn)角如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)縱向風(fēng)速較小時(shí)，火焰偏轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速的增大而不斷減小，導(dǎo)致了火焰直接作用的火區(qū)范圍不斷增大，從而使火源最不利位置范圍也隨之增大；當(dāng)縱向風(fēng)速增大到一定值的時(shí)候，火焰偏轉(zhuǎn)角度近似為0°，火焰平行于地面燃燒，火羽流直接作用的火區(qū)范圍基本不變，從而火源最不利位置范圍也保持不變。

圖4　不同隧道縱向風(fēng)速下最不利情況時(shí)的火源位置

圖5　火焰偏轉(zhuǎn)角示意圖

3.2　火源功率的影響分析

在隧道縱向風(fēng)速為臨界風(fēng)速2.63 m·s-1(根據(jù)Wu[15]的公式計(jì)算火源功率為20 MW時(shí)所得)及其他參數(shù)不變的情況下，火源功率對(duì)橫通道附近火源最不利位置的影響見表3。

表3　不同火源功率下最不利情況時(shí)的火源位置

對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到2條擬合曲線，如圖6所示。由圖6可知：在隧道縱向風(fēng)速保持不變的情況下，不同火源功率下橫通道附近火源的最不利位置范圍基本不變，其中，Lmax保持在20 m左右，Lmin保持在7 m左右，表明火源功率對(duì)最不利位置基本無影響。這是由于在隧道縱向風(fēng)速不變情況下，火焰偏轉(zhuǎn)角基本保持不變，火羽流直接作用的火區(qū)范圍不變，進(jìn)而使不同火源功率下橫通道附近火源最不利位置范圍也保持不變。

圖6　不同火源功率下最不利情況時(shí)的火源位置

3.3　無量綱公式確定

根據(jù)式(7)和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得橫通道附近火源最不利位置最大值Lmax、最小值Lmin的無量綱公式為

(8)

圖7　最不利情況時(shí)的火源位置模型試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知λ=6.907，將其帶入式(8)，可得橫通道附近火源最不利位置區(qū)域范圍的無量綱公式為

表4　無量綱最不利情況時(shí)火源位置表

(9)

4　結(jié)　論

(2)隨著火源功率增大，橫通道附近火源最不利位置范圍的最大值Lmax和Lmin均基本沒有發(fā)生改變，表明火源功率對(duì)最不利位置沒有影響。

(3)根據(jù)量綱分析π定理，推導(dǎo)出橫通道附近火源最不利位置的無量綱關(guān)系式；通過對(duì)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，明確了無量綱火源最不利位置與各量綱之間的關(guān)系，進(jìn)而得到了橫通道附近火源最不利位置的無量綱計(jì)算公式。

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