基于正交試驗(yàn)法的隧道集中排煙部分影響因素模擬試驗(yàn)研究

徐浩倬，李耀莊，徐志勝，何路

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基于正交試驗(yàn)法的隧道集中排煙部分影響因素模擬試驗(yàn)研究

徐浩倬，李耀莊，徐志勝，何路

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

基于正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，采用FDS數(shù)值模擬方法，研究排煙量、排煙口間距、排煙口開(kāi)啟方式和縱向風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)情況下集中排煙效果的影響，并利用方差分析得出各因素對(duì)隧道集中排煙效果影響的顯著程度。研究結(jié)果表明：在隧道盾構(gòu)段火災(zāi)情況下，采用集中排煙時(shí)，排煙口開(kāi)啟方式和縱向風(fēng)速對(duì)集中排煙效果有著特別顯著的影響，排煙口間距對(duì)煙氣蔓延范圍有一定的影響。根據(jù)研究結(jié)果，隧道火災(zāi)情況下集中排煙時(shí)宜采用火源上下游對(duì)稱開(kāi)啟排煙口方式，重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)合理的縱向風(fēng)速，結(jié)合火災(zāi)規(guī)模和煙羽流模型計(jì)算出的合理排煙量以及排煙口合理的間距，從而獲得最佳煙氣控制方案和排煙效率。

集中排煙；正交試驗(yàn)法；方差分析

隧道火災(zāi)燃燒猛烈，短時(shí)間內(nèi)溫度急劇升高，煙氣濃度大，產(chǎn)生大量CO和其他有毒有害氣體，且隧道空間狹長(zhǎng)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)車輛障礙物多，嚴(yán)重危害隧道內(nèi)人員疏散和救援。獨(dú)立排煙道集中排煙模式排煙的目的就是將火災(zāi)煙氣控制在隧道較小的范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)隧道火災(zāi)引起的傷亡和損失的最小化[1]。集中排煙將煙氣控制在火災(zāi)附近一定范圍內(nèi)，同時(shí)將煙氣集中排出隧道外，提高隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)環(huán)境的安全性，為隧道內(nèi)人員的疏散以及救援提供良好的條件。因此，集中排煙模式下的排煙效率尤為重要。在實(shí)際隧道工程的獨(dú)立排煙道集中排煙模式系統(tǒng)中，排煙效率還可能受到排煙量、排煙口間距、排煙口開(kāi)啟方式和數(shù)量以及縱向風(fēng)速等因素影響。蔡崇慶等[2]利用數(shù)值模擬的方法研究排煙口間距對(duì)隧道集中排煙效率的影響，分析認(rèn)為排煙口間距越大，導(dǎo)致排煙口開(kāi)始發(fā)生吸穿的排煙速率越小。劉琪等[3]同樣利用數(shù)值模擬的方法研究排煙風(fēng)量對(duì)隧道集中排煙效率的影響。此外，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也對(duì)隧道集中排煙效率的影響因素進(jìn)行了深入研究[4?8]。已有文獻(xiàn)中，對(duì)集中排煙模式排煙效率的研究，大多采用控制變量法，對(duì)于影響集中排煙效率的因素進(jìn)行單個(gè)研究，以此選取出該因素的取值；工程上同樣采取控制變量法，對(duì)所考慮因素，選取比較幾個(gè)值，從中選定出一個(gè)取值?？刂谱兞糠ㄖ形纯紤]各個(gè)影響因素對(duì)集中排煙效果影響的不同程度及搭配效果，綜合可比性較低。另外，若考慮因素較多情況下，工作量大大增加。正交試驗(yàn)法是應(yīng)用正交表的正交原理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，研究多因素優(yōu)化試驗(yàn)的一種科學(xué)方法。它可以用最少的試驗(yàn)次數(shù)優(yōu)選出各因素較優(yōu)參數(shù)或條件的組合[9]。進(jìn)行正交試驗(yàn)，既可以保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，又可大大減少工作量。故本文考慮對(duì)4種影響集中排煙效率的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，為今后工程中相關(guān)研究提供方法上的參考。本文采用正交試驗(yàn)法對(duì)排煙量、排煙口間距、排煙口開(kāi)啟方式和數(shù)量以及縱向風(fēng)速4種隧道內(nèi)集中排煙影響因素進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并進(jìn)行比較分析，得出4個(gè)因素對(duì)隧道集中排煙效果的影響，并分析這4個(gè)因素影響的顯著程度。

1 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以某過(guò)江通道工程盾構(gòu)段為試驗(yàn)對(duì)象，模擬該隧道盾構(gòu)段火災(zāi)工況下集中排煙。以該過(guò)江通道工程盾構(gòu)段建立FDS(Fire Dynamic Simulation)模型，模型的盾構(gòu)外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，模型長(zhǎng)600 m，頂部排煙道凈面積約為12.95 m2，每個(gè)排煙口尺寸為5 m×1.25 m，不考慮坡度的影響。

1.2 試驗(yàn)因素與位級(jí)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究及工程實(shí)例，模擬試驗(yàn)選取排煙量、排煙口間距、排煙口開(kāi)啟方式和數(shù)量以及縱向風(fēng)速4個(gè)因素作為研究對(duì)象。

1) 排煙量主要取決于煙氣生成速率，而火災(zāi)煙氣生成速率主要取決于火源上方煙氣羽流的質(zhì)量流量，采用軸對(duì)稱型煙羽流模型計(jì)算出排煙量為126.5 m3/s?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016—2014)規(guī)定：排煙風(fēng)機(jī)的全壓應(yīng)滿足排煙系統(tǒng)最不利環(huán)路的要求。且其排煙量應(yīng)考慮10%~20%的漏風(fēng)量，根據(jù)煙氣生成量理論計(jì)算值，考慮火災(zāi)最不利場(chǎng)景。故本模擬試驗(yàn)中選取140，150和160 m3/s 3種排煙量[10]。

2) 參考《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTGTD70/ 2?02?2014)，排煙口間距不宜小于60 m。故本次模擬試驗(yàn)中設(shè)置55，60和65 m3種排煙口間距[11]。

3) 排煙口開(kāi)啟方式主要有對(duì)稱開(kāi)啟和非對(duì)稱開(kāi)啟。根據(jù)該過(guò)江隧道工程的實(shí)際情況，本次模擬試驗(yàn)選取三種排煙口開(kāi)啟方式：火源上游開(kāi)啟2組/下游開(kāi)啟4組、火源上游開(kāi)啟3組/下游開(kāi)啟3組和火源上游開(kāi)啟2組/下游開(kāi)啟3組。

4) 根據(jù)該過(guò)江隧道工程實(shí)際情況，本次模擬試驗(yàn)選取3種縱向風(fēng)速：0.5，0.8和1.0 m/s。

此外，依據(jù)該過(guò)江隧道工程實(shí)際通車情況以及火災(zāi)危險(xiǎn)性，選取此次模擬試驗(yàn)火災(zāi)荷載為30 MW，采用t2超快速火。具體試驗(yàn)因素與位級(jí)，如表1所示。

1.3 正交表選擇

正交表的類型有很多，常見(jiàn)的正交表有二位級(jí)正交表、三位級(jí)正交表、四位級(jí)正交表以及混合表。選擇正交表時(shí)，需要考慮因素(變量)的個(gè)數(shù)、因素位級(jí)(變量的取值)的個(gè)數(shù)，正交表的行數(shù)等。本模擬試驗(yàn)為四因素三位級(jí)試驗(yàn)，故選用三位級(jí)表L9(34)，如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與位級(jí)

表2 正交表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

利用FDS對(duì)9組試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，得出煙氣層蔓延范圍隨距火源距離的變化曲線和各排煙口的排煙效率以及總排煙效率，如圖1和表3所示。

由圖1可以看出，9組試驗(yàn)工況煙氣蔓延規(guī)律一致，但每組工況的煙氣在火源上下游蔓延范圍有所區(qū)別；由表3可以看出，9組試驗(yàn)工況每個(gè)排煙口的排煙效率不同，總體排煙效率存在差別。故對(duì)煙氣在火源上下游蔓延的范圍和總體的排煙效率進(jìn)行后續(xù)分析。

圖1 煙氣蔓延范圍圖

表3 排煙口排煙效率分析

注：S火源上游排煙口；X火源下游排煙口

采用方差分析時(shí)，應(yīng)計(jì)算考核指標(biāo)數(shù)值總和，每一列的各位級(jí)數(shù)離差平方和S及其自由度f，總離差平方和及其自由度，并將計(jì)算結(jié)果填入正交數(shù)據(jù)分析表中[12]。,S,分別用以下各式計(jì)算[4]：

式中：y為第次試驗(yàn)考核指標(biāo)值；為試驗(yàn)次數(shù)。

式中：K為每一列相同位級(jí)考核指標(biāo)數(shù)值之和；為考核指標(biāo)數(shù)值綜合；為位級(jí)數(shù)；為試驗(yàn)次數(shù)；=1，2，3，…，。

表4 數(shù)據(jù)分析表

注：1?3,為1-3位級(jí)煙氣蔓延長(zhǎng)度之和，R為煙氣蔓延長(zhǎng)度極差，S為煙氣蔓延長(zhǎng)度離差平方和；1-3,為1-3位級(jí)排煙效率之和，R為排煙效率極差，S為排煙效率離差平方和；為自由度

2.2 方差分析

利用方差分析，可以找出各因素對(duì)考核指標(biāo)影響的主次順序，同時(shí)可以找出各因素影響的顯著程度，列出其影響的主次順序[13]。煙氣蔓延范圍方差分析結(jié)果見(jiàn)表5，排煙效率方差分析見(jiàn)表6。

表5 煙氣蔓延范圍方差分析

表6 排煙效率方差分析

注：“—”表示無(wú)影響；“?！北硎居幸欢ㄓ绊?；“*”表示顯著；“**”表示非常顯著；“***”表示非常非常顯著

2.3 研究結(jié)果分析

2.3.1 煙氣蔓延范圍

從表5可以看出，對(duì)煙氣蔓延范圍影響效果由大到小依次是排煙口開(kāi)啟方式、縱向風(fēng)速、排煙口間距；排煙量的大小對(duì)煙氣蔓延范圍并無(wú)明顯影響。實(shí)際隧道工程中一般考慮在火源上下游300 m開(kāi)啟相應(yīng)的排煙口進(jìn)行集中排煙，為了將煙氣控制在火源附近一定范圍內(nèi)，對(duì)稱開(kāi)啟火源上下游3個(gè)排煙口效果最好?？v向風(fēng)速對(duì)煙氣蔓延范圍也有顯著的影響，風(fēng)速過(guò)小無(wú)法控制煙氣在一定范圍，風(fēng)速過(guò)大易造成煙氣紊亂[14]。排煙口間距對(duì)煙氣蔓延范圍存在一定影響，考慮上下游300 m之間對(duì)稱分布效果較好。由于本試驗(yàn)設(shè)定的排煙量3個(gè)因素是根據(jù)本隧道工程火災(zāi)規(guī)模及煙羽流模型計(jì)算得出較為合理的排煙量數(shù)值，因此本試驗(yàn)分析中排煙量的大小對(duì)煙氣蔓延范圍并無(wú)明顯影響。

2.3.2 排煙效率

從表6可以看出，對(duì)排煙效率影響效果由大到小依次是縱向風(fēng)速和排煙口開(kāi)啟方式；排煙量和排煙口間距對(duì)排煙效率并無(wú)明顯影響。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，實(shí)際隧道工程中考慮著火點(diǎn)兩端提供一定的縱向誘導(dǎo)風(fēng)速，將煙氣控制在一定范圍內(nèi)，通過(guò)排煙口從頂部排煙道排出。如果縱向風(fēng)速過(guò)小，煙氣會(huì)蔓延超出排煙口開(kāi)啟的范圍，導(dǎo)致排煙效率下降；如果縱向風(fēng)速過(guò)大，導(dǎo)致煙氣紊亂，同樣導(dǎo)致排煙效率下降。排煙口的開(kāi)啟方式對(duì)排煙效率的影響也是十分顯著的，排煙口的開(kāi)啟方式控制著整個(gè)火災(zāi)段的排煙范圍，若開(kāi)啟范圍較大，部分排煙口起不到排煙作用；若開(kāi)啟范圍較小，煙氣超出其控制范圍，導(dǎo)致無(wú)法排出全部煙氣[15]。由于本次試驗(yàn)排煙量是根據(jù)本隧道工程火災(zāi)規(guī)模及煙羽流模型計(jì)算得出較為合理的排煙量，且排煙口間距是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值一定范圍內(nèi)設(shè)計(jì)和布置，所以本次試驗(yàn)這2個(gè)因素對(duì)排煙效率并無(wú)明顯影響。

3 結(jié)論

1) 排煙口開(kāi)啟方式和縱向風(fēng)速對(duì)集中排煙的煙氣蔓延范圍特別顯著，排煙口間距對(duì)煙氣蔓延范圍存在一定影響。隧道工程中火災(zāi)情況下采用集中排煙時(shí)，建議采取火源上下游對(duì)稱開(kāi)啟排煙口的方式，并計(jì)算及模擬出合適的縱向風(fēng)速。此外，排煙量的大小應(yīng)根據(jù)煙羽流模型以及實(shí)際隧道工程確定的火災(zāi)規(guī)模計(jì)算得出合理的數(shù)值，從而能夠很好地控制住煙氣蔓延范圍。

2) 排煙口開(kāi)啟方式和縱向風(fēng)速對(duì)集中排煙的排煙效率影響同樣特別顯著，隧道工程中火災(zāi)情況下采用集中排煙時(shí)，建議采取火源上下游對(duì)稱開(kāi)啟排煙口的方式，并計(jì)算及模擬出合適的縱向風(fēng)速。此外，排煙量的大小應(yīng)根據(jù)煙羽流模型以及實(shí)際隧道工程確定的火災(zāi)規(guī)模計(jì)算得出合理的數(shù)值，結(jié)合排煙口間距設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而保證火災(zāi)情況下的高排煙效率。

3) 基于正交試驗(yàn)法得出的結(jié)果，可以明顯看出本文所考慮的四個(gè)因素對(duì)集中排煙效率影響的顯著程度。通過(guò)正交試驗(yàn)法可以發(fā)現(xiàn)某個(gè)因素的重要程度，從而有針對(duì)性地去提高集中排煙的排煙效率。另外，還可以從設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案中綜合性的選取出最優(yōu)的組合方案。

4) 本文只選擇了4個(gè)因素3位級(jí)的正交表對(duì)隧道集中排煙煙氣蔓延范圍和排煙效率展開(kāi)正交試驗(yàn)并進(jìn)行方差分析，給出了排煙量、排煙口間距、排煙口開(kāi)啟方式和縱向風(fēng)速對(duì)煙氣蔓延范圍和排煙效率的影響顯著程度。隧道實(shí)際工程中采用集中排煙時(shí)，還可以對(duì)多因素多位級(jí)進(jìn)行正交試驗(yàn)，使得集中排煙的各個(gè)設(shè)計(jì)值同時(shí)達(dá)到最優(yōu)值，并且得出最優(yōu)的組合方案。

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(編輯 陽(yáng)麗霞)

Simulation experimental study on some influences factors of central exhaust in tunnels based on orthogonal test

XU Haozhuo, LI Yaozhuang, XU Zhisheng, HE Lu

(Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology,Central South University, Changsha 410075, China)

In order to research the influence of smoke exhaust volume, the distance of smoke vent, the opening mode of smoke vent and longitudinal ventilation velocities on smoke exhaust effect in tunnel, tests were designed based on orthogonal test method and FDS, the influence degree of factors was obtained by analysis of variance. The results show that in the case of fire in tunnel shield section, the opening mode of smoke vent and longitudinal ventilation velocities could be affected significantly on central smoke exhaust, the distance of smoke vent has a little effect on central smoke exhaust. In fire condition, central smoke exhaust should adopt the way of upstream and downstream symmetrical opening smoke vent, studying the longitudinal ventilation velocities specially and getting the best way of controlling smoke and the best efficiency with reasonable smoke exhaust volume and distance of smoke vent according to fire scale and plume model.

tunnel; central smoke exhaust; orthogonal test; analysis of variance

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.019

U456.3+3

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2590 ? 07

2017?07?27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51676210)

徐志勝(1962?)，男，山東安丘人，教授，博士，從事隧道火災(zāi)、安全及防災(zāi)方面研究；E?mail：xuzhsh82@163.com