姜學(xué)鵬, 吳錦東
(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. 湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430081; 3. 武漢科技大學(xué)消防安全技術(shù)研究所, 湖北 武漢 430081)
城市淺埋隧道凈高小、長(zhǎng)度短,相比傳統(tǒng)的機(jī)械排煙,國(guó)內(nèi)外一些城市淺埋隧道選擇環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的豎井自然排煙方式。通過豎井產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)把煙氣排出,利用壓強(qiáng)差能夠達(dá)到較好的煙氣控制效果,但影響這種排煙方式效果的因素較多,包括外界風(fēng)、火源功率、火源與豎井相對(duì)位置、豎井幾何形狀等[1]。
在隧道火災(zāi)研究領(lǐng)域,煙氣逆流一直是防排煙的研究重點(diǎn)。Hu等[2]通過縮尺寸模型試驗(yàn),對(duì)頂部開孔處設(shè)有風(fēng)機(jī)的隧道內(nèi)煙氣蔓延進(jìn)行研究,提出了基于縱向送風(fēng)和頂部風(fēng)機(jī)排煙條件下的隧道煙氣逆流預(yù)測(cè)公式。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)鐵路隧道煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,提出鐵路隧道煙氣逆流長(zhǎng)度預(yù)測(cè)公式。文獻(xiàn)[5-7]在縮尺寸模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過無量綱分析,得到無量綱狀態(tài)下煙氣逆流長(zhǎng)度與火源熱釋放速率及縱向通風(fēng)風(fēng)速的關(guān)系。Yao等[8]在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上,提出虛擬火源的理論,通過構(gòu)建縮尺寸隧道模型,研究了當(dāng)豎井在火源上游時(shí),在隧道縱向風(fēng)和單個(gè)豎井的共同作用下,隧道豎井與火源的水平距離對(duì)煙氣逆流的影響,建立了超出豎井部分煙氣逆流預(yù)測(cè)模型。此外, Takeuchi[9]通過縮尺寸模型試驗(yàn),建立了豎井自然排煙隧道頂板下方煙氣溫度分布預(yù)測(cè)模型。Guo等[10]在縮尺寸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了大斷面豎井下,火源熱釋放速率、豎井高度和豎井間距對(duì)隧道煙氣溫度和超出豎井部分煙氣蔓延長(zhǎng)度的影響。
盡管前人對(duì)公路隧道火災(zāi)煙氣逆流進(jìn)行了大量研究,但針對(duì)豎井排煙隧道里火源熱釋放速率、縱向送風(fēng)、豎井與火源間距、豎井寬高等因素共同作用下的火源上游煙氣逆流的研究較少。受煙囪效應(yīng)的影響,煙氣蔓延至豎井時(shí),豎井處煙氣與空氣之間存在溫差及密度差,在溫差和密度差的作用下煙氣經(jīng)豎井排出,如圖1所示。在煙囪效應(yīng)和隧道縱向送風(fēng)的作用下,豎井對(duì)隧道煙氣具有一定的引流作用,引導(dǎo)煙氣向火源下游蔓延。本文以東湖隧道豎井自然排煙段為工程背景,采用無量綱理論分析,通過數(shù)值模擬技術(shù),考慮隧道縱向風(fēng)的影響及固定火源位置,在不同的火源功率下,改變火源與豎井的間距及豎井寬和高,研究豎井與火源間距、豎井寬和高對(duì)隧道火災(zāi)煙氣逆流的影響,建立豎井排煙隧道內(nèi)火源上游煙氣逆流長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)模型。
圖1 豎井排煙煙氣蔓延示意圖
(1)
f(π1,π2,π3,π4,π5,π6,π7)=0。
(2)
其中,
(3)
由此方程可求得各參數(shù)如下:
(4)
上述無因次方程可列為
(5)
代入式(2)求得
(6)
根據(jù)相似理論的相關(guān)規(guī)則[11]化簡(jiǎn),式(6)化簡(jiǎn)為
(7)
即
l*=f(Q*,v*,d*,h*,w*)。
(8)
以東湖隧道為工程背景,建立如圖2所示的全尺寸矩形斷面隧道數(shù)值模型。隧道模型長(zhǎng)×寬×高為500 m×13 m×7 m。火源位于隧道縱向中央(尺寸為4 m×4 m),豎井長(zhǎng)7 m位于火源下游,寬、高變化如表1所示。采用FDS 6.1軟件進(jìn)行隧道火災(zāi)數(shù)值模擬,并在距隧道頂板0.1 m處設(shè)置一系列熱電偶,相鄰熱電偶間距0.5 m,以精確確定煙氣蔓延位置。
圖2 隧道模型簡(jiǎn)圖(單位: m)
為確保模擬精度與效率,F(xiàn)DS網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比一般不應(yīng)超過3。Baum[12]通過研究發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)特征直徑D*≤0.1 的情況下,F(xiàn)DS軟件能夠?qū)τ鹆鬟\(yùn)動(dòng)做出較精確的模擬; 祝實(shí)等[13]研究認(rèn)為火源區(qū)對(duì)于網(wǎng)格密度最為敏感,加密火源區(qū)可以在控制計(jì)算時(shí)間的同時(shí)有效提高計(jì)算精度。Mcgrattan等[14]提出火源特征直徑與網(wǎng)格尺寸比值D*/δ介于4~16以解決網(wǎng)格尺寸的確定問題,被廣泛采用,其中,火源特征直徑D*計(jì)算公式為
(9)
以10 MW的火源熱釋放速率為例,其火源特征直徑為2.40 m,推薦網(wǎng)格尺寸0.15~0.60 m。不同網(wǎng)格尺寸下隧道同一位置處溫度變化對(duì)比如圖3所示。隨著網(wǎng)格尺寸減小,溫度曲線趨于一致,但網(wǎng)格尺寸低于一定程度時(shí),尺寸的進(jìn)一步縮小,時(shí)間成本大幅增加的同時(shí)溫度并未產(chǎn)生明顯變化。故隧道整體網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m,對(duì)局部區(qū)域(火源及豎井附近)進(jìn)行加密處理,設(shè)置為0.25 m×0.25 m×0.25 m。
表1 工況設(shè)計(jì)表
圖3 火源下游20 m處溫度隨時(shí)間變化曲線(6.5 m高)
Fig. 3 Time-history curves of temperature 20 m downstream of fire source at height of 6.5 m
依次改變東湖隧道內(nèi)火源熱釋放速率、縱向送風(fēng)大小、豎井與火源間距以及豎井寬、高,共設(shè)計(jì)94組工況(其中,1-4號(hào)為無豎井時(shí)的工況),研究不同因素影響下,豎井排煙隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)上游煙氣逆流情況,詳細(xì)工況設(shè)計(jì)如表1所示。
火源熱釋放速率為20 MW、縱向送風(fēng)為1.5 m/s、豎井與火源間距為50 m時(shí),隧道頂板下方煙氣溫度縱向分布如圖4所示,它能反映隧道煙氣的蔓延情況。通過測(cè)量火源上游頂板附近溫度可得到煙氣逆流長(zhǎng)度,因?yàn)榛鹪瓷嫌文嫘袩釤熈髟诼訒r(shí)溫度會(huì)不斷降低,與送風(fēng)冷氣流交鋒形成1個(gè)冷熱鋒面,前鋒面位置存在溫度陡降,該溫度陡降處與火源之間的距離即為逆流長(zhǎng)度[16-17]。
若縱向送風(fēng)為1.5 m/s,在有豎井和無豎井2種情況下,隧道上游煙氣逆流長(zhǎng)度如圖5所示。在不同火源熱釋放速率下,有豎井時(shí)上游煙氣逆流長(zhǎng)度均小于無豎井。火源下游豎井通過煙囪效應(yīng)將一部分煙氣排出,一定程度上,能誘導(dǎo)煙氣向火源下游蔓延,減弱上游煙氣繼續(xù)蔓延的趨勢(shì)。
圖4 頂板下方煙氣溫度縱向分布圖
圖5 不同火源熱釋放速率下有無豎井時(shí)煙氣逆流長(zhǎng)度
Fig. 5 Smoke back-laying flow length under different HRRs with and without vertical shaft
在縱向風(fēng)速分別為1.5、2.0 m/s,豎井與火源間距為50 m的情況下,對(duì)不同火源熱釋放速率對(duì)上游煙氣逆流長(zhǎng)度的影響進(jìn)行研究,模擬結(jié)果見圖6。隨著火源熱釋放速率的增加,煙氣逆流長(zhǎng)度逐步增大,但當(dāng)火源熱釋放速率超過0.15時(shí),煙氣逆流長(zhǎng)度變化表現(xiàn)的相對(duì)獨(dú)立,基本不受其影響?;鹪礋後尫潘俾试龃笫篃煔馑軣狎?qū)動(dòng)力不斷增強(qiáng),因此煙氣逆流長(zhǎng)度變大;但由于隧道空間的限制,當(dāng)火源熱釋放速率超過一定值時(shí),火羽流上升空間較小甚至觸頂,本可充分發(fā)展形成的浮力羽流區(qū)受到一定限制,因此,受火源熱釋放速率作用的熱驅(qū)動(dòng)力增長(zhǎng)也受到抑制,因此,煙氣逆流長(zhǎng)度增長(zhǎng)減緩。
圖6 不同火源熱釋放速率時(shí)的煙氣逆流長(zhǎng)度
在火源熱釋放速率分別為10 MW和20 MW、豎井與火源間距為50 m的情況下,研究豎井排煙模式中火源上游縱向通風(fēng)對(duì)煙氣逆流的影響,模擬結(jié)果如圖7所示。煙氣逆流長(zhǎng)度隨火源上游送風(fēng)速度增大而逐步減小,因此,縱向送風(fēng)可有效控制隧道上游煙氣逆流。
圖7 不同縱向送風(fēng)條件下的煙氣逆流長(zhǎng)度
Fig. 7 Smoke back-laying flow length under different longitudinal ventilation velocities
在火源熱釋放速率分別為10 MW和20 MW、縱向風(fēng)速為1.5 m/s的情況下,研究豎井與火源距離對(duì)煙氣逆流長(zhǎng)度的影響,模擬結(jié)果見圖8。煙氣逆流長(zhǎng)度隨著間距d的增加而增加,但變化幅度逐步減小,當(dāng)豎井與火源距離超過一定值時(shí),煙氣逆流長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定,間距d對(duì)煙氣逆流長(zhǎng)度l的影響趨于消失。因?yàn)殡S著豎井與火源距離d的增加,煙氣到達(dá)豎井時(shí)溫度逐漸減小,豎井與外界溫差降低,煙囪效應(yīng)減弱,豎井對(duì)上游煙氣蔓延的抑制作用減弱,因此,間距d越大煙氣逆流長(zhǎng)度相對(duì)越長(zhǎng)。當(dāng)d較大時(shí)(d*>13.2),豎井與火源間距對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)影響趨于消失,煙氣逆流長(zhǎng)度幾乎不再隨著間距的增加而出現(xiàn)變化。此時(shí),相比較于隧道縱向送風(fēng)、火源熱釋放速率等其他影響因素,豎井對(duì)火源上游煙氣逆流幾乎沒有影響。
(a) Q=10 MW時(shí)
(b) Q=20 MW時(shí)
Fig. 8 Smoke back-laying flow length under different distances between shaft and fire source
火源熱釋放速率分別為10 MW和20 MW、縱向風(fēng)速為1.5 m/s、豎井與火源間距為50 m的情況下,研究豎井高度對(duì)煙氣逆流長(zhǎng)度的影響,模擬結(jié)果如圖9所示。在其他影響因素不變的情況下,豎井隧道火源上游煙氣逆流長(zhǎng)度并未隨著火源下游豎井高度的變化而發(fā)生明顯變化。這是因?yàn)闊煔膺M(jìn)入豎井的驅(qū)動(dòng)力主要是煙氣的動(dòng)壓和熱壓。在豎井與火源的距離、豎井寬度等因素一定時(shí),煙氣的動(dòng)壓一定,在縱向風(fēng)的驅(qū)動(dòng)作用下,豎井高度變化對(duì)并不能對(duì)隧道煙氣熱壓產(chǎn)生較大改變,即東湖隧道豎井大風(fēng)口尺寸下,火源下游豎井高度對(duì)上游煙氣的逆流基本無影響。
圖9 不同豎井高度條件下的煙氣逆流長(zhǎng)度
火源熱釋放速率分別為10 MW和20 MW、縱向風(fēng)速為1.5 m/s、豎井與火源間距為50 m情況下,研究豎井寬度對(duì)煙氣逆流的影響,模擬結(jié)果如圖10所示。在其他因素不變的情況下,火源上游煙氣逆流長(zhǎng)度隨豎井寬度變寬而逐漸變小,但變化趨勢(shì)明顯減少。這是因?yàn)樵谒淼揽v向風(fēng)和煙氣自身慣性力作用下,當(dāng)豎井寬度較小時(shí),受煙囪效應(yīng)影響,大量煙氣經(jīng)豎井排出;當(dāng)豎井寬度較寬時(shí)煙氣受自身水平慣性力影響較大,減弱了煙囪效應(yīng)對(duì)隧道煙氣蔓延的影響。
圖10 不同豎井寬度時(shí)煙氣逆流長(zhǎng)度
如圖11所示,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)各影響因素取對(duì)數(shù),分別以lnQ*、lnv*、lnd*、lnw*為橫坐標(biāo),發(fā)現(xiàn)l*與5.73 lnQ*、-17.316 lnv*、0.381 lnd*、-2.71 lnw*成線性關(guān)系,即l*與5.73 lnQ*、5.73 ln(v*)-3、5.73 lnd*1/15、5.73 lnw*-0.47成線性關(guān)系。故l*與lnQ*、ln(v*)-3、lnd*1/15、lnw*-0.47成線性關(guān)系,則l*與其四者之和也成線性關(guān)系,式(8)可化簡(jiǎn)為
(a) 不同火源功率Q
(b) 不同縱向送風(fēng)風(fēng)速v
(c) 不同豎井與火源間距d
(d)不同豎井寬度w
l*=f(lnQ*+lnv*-3+lnd*1/15+lnw*-0.47)=
f[ln(Q*d*1/15v*-3w*-0.47)]=
f(Q*d*1/15v*-3w*-0.47)。
(10)
根據(jù)式(10)將Q*v*-3d*1/15w*-0.47與數(shù)值模擬值所得的l*繪于圖12。
圖12 煙氣逆流長(zhǎng)度數(shù)值模擬結(jié)果
由圖12可得煙氣逆流長(zhǎng)度數(shù)值模擬結(jié)果均在擬合曲線附近波動(dòng),其相關(guān)系數(shù)為0.991 1,表明量綱分析和數(shù)值模擬的結(jié)果是正確可靠的,煙氣逆流長(zhǎng)度計(jì)算模型具有較高的預(yù)測(cè)精度。在式(10)基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到
(11)
式中:Q*超過0.15時(shí)均取0.15;d*超過13.2時(shí)均取 13.2。
在豎井與火源間距為50 m、豎井高度為6 m、豎井寬度為5 m時(shí),僅改變火源熱釋放率和縱向送風(fēng)速度,將式(11)預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[3,5,18]的計(jì)算模型進(jìn)行比較,以確定式(11)的可靠性。圖13(a)中隧道縱向送風(fēng)速率為1.5 m/s,圖13(b)中火源熱釋放速率為10 MW,與文獻(xiàn)[3,5,18]的計(jì)算模型相比,式(11)的計(jì)算結(jié)果偏低。這是因?yàn)樨Q井具有煙囪效應(yīng),排出一部分煙氣,且豎井一定程度上抑制了煙氣向火源上游蔓延,使得煙氣逆流長(zhǎng)度減小。
(a) 不同的火源功率 (b) 不同的縱向送風(fēng)風(fēng)速
圖13計(jì)算模型與公式對(duì)比
Fig. 13 Comparison between calculation models and formula
采用量綱分析及數(shù)值模擬,研究了縱向風(fēng)作用下豎井排煙時(shí)火源熱釋放速率、縱向風(fēng)速、豎井與火源距離、豎井寬度和高度等因素對(duì)上游煙氣蔓延的影響,得到如下結(jié)論:
1)豎井排煙對(duì)上游煙氣蔓延具有抑制作用,上游煙氣逆流長(zhǎng)度隨火源熱釋放速率Q增長(zhǎng)而增大,但當(dāng)Q*超過0.15時(shí),煙氣逆流長(zhǎng)度基本不隨火源熱釋放速率變化而變化;豎井與火源距離d的影響與火源熱釋放速率Q類似,當(dāng)d*超過13.2時(shí),煙氣逆流長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定。
2)上游煙氣逆流長(zhǎng)度與隧道縱向送風(fēng)v成負(fù)相關(guān);豎井寬度的對(duì)煙氣逆流的影響與隧道縱向送風(fēng)v類似,火源上游煙氣逆流長(zhǎng)度隨豎井寬度變寬而逐漸變小,但變化范圍明顯減小。
3)東湖隧道豎井大風(fēng)口尺寸下,豎井高度的變化對(duì)火源上游煙氣的逆流并未產(chǎn)生明顯影響。
本文明確了豎井排煙時(shí),縱向送風(fēng)隧道上游煙氣逆流與火源熱釋放速率、豎井與火源距離、豎井寬度等多個(gè)量綱之間的關(guān)系,并可更好地表征用隧道橫斷面參數(shù)的水力直徑替代隧道高度,建立了豎井排煙隧道內(nèi)火源上游煙氣逆流長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型。豎井隧道中,存在豎井長(zhǎng)度變化的復(fù)雜性和由此帶來的無規(guī)律性變化,甚至多個(gè)豎井的情況,尚未考慮這些因素對(duì)上游煙氣逆流的影響,可在后續(xù)研究中深入展開。