H型隧道煙氣流動與防排煙性能的熱煙實驗研究*

張文彬 李樹超 王同喜 齊楸 劉崑

(應急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設快速發(fā)展[1]，隧道火災危害最大的是隧道內(nèi)煙氣擴散造成的人員傷亡，對隧道煙氣流動的研究已成為軌道交通安全的研究熱點[2-3]。由于隧道地形復雜，結(jié)構(gòu)特殊等特點，目前關于隧道火災方面的研究多集中在縮尺實驗和數(shù)值模擬方面[4-9]。2007年，王彥富等[6]以全尺寸隧道為平臺，對拱頂附近煙氣最高溫度等進行研究，國內(nèi)外對H型隧道的熱煙實驗還較少。本文采用以甲醇油盤為火源，輔以發(fā)煙餅為煙氣示蹤標記物的熱煙實驗,對H型隧道煙氣流動與防排煙性能進行研究，為H型隧道防排煙設計提供了科學的實驗依據(jù)。

1 H型隧道熱煙實驗環(huán)境

H型隧道布局如圖1所示，全長75 m，截面為圓形，直徑2 m。兩條相鄰隧道之間在37.5 m處設一條交互通道，可任意開啟或關閉。在H型隧道盡頭分別布置4組軸流風機，2#、3#、4#風機向隧道內(nèi)送風，1#風機從隧道內(nèi)排煙，風機呈兩排上下布置，如圖2所示。1#隧道內(nèi)在距隧道頂端0.5 m處每隔7.5 m布置一支溫度傳感器，分別為T1～T9。

圖1 H型隧道布局

圖2 隧道盡頭風機組布局

2 H型隧道熱煙實驗過程

實驗1：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.7 MW熱煙自由蔓延實驗。

實驗2：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.7 MW熱煙實驗，1 min后開啟并調(diào)節(jié)1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.0 m/s。

實驗3：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.70 MW熱煙實驗，1 min后開啟并調(diào)節(jié)1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.2 m/s。

實驗4：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.7 MW熱煙實驗，1 min后開啟并調(diào)節(jié)1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.5 m/s。

實驗5：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.7 MW熱煙實驗，1 min后同時開啟并調(diào)節(jié)1#風機組上排風機和下排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為2.0 m/s。

實驗6：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.7 MW熱煙實驗，1 min后開啟并調(diào)節(jié)2#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.2 m/s。

實驗7：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進行0.7 MW熱煙實驗，1 min后開啟并調(diào)節(jié)1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.2 m/s，當煙氣蔓延到2#隧道時，開啟3#風機組和4#風機組進行對向加壓送風。

各實驗工況情況如表1所示。

表1 實驗工況

3 H型隧道熱煙實驗結(jié)果

3.1 排煙風速對煙氣流動影響的實驗

實驗1過程中，熱煙自由蔓延過程中，隧道內(nèi)逐漸充滿煙氣，煙氣無明顯分層，如圖3所示，目測煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖4所示，由圖可得：熱煙自由蔓延實驗初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度達到穩(wěn)定階段，最后由于油盤中的燃料逐漸耗盡，火災功率變小，煙氣溫度隨之下降。環(huán)境溫度隨距火源距離的增加而降低，距火源最近的測點溫升最高。

圖3 實驗1時1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖4 實驗1等高度測點溫度

實驗2過程中，開啟1#風機組上排風機，使隧道內(nèi)37.5 m處平均排煙風速為1.0 m/s后，隧道內(nèi)逐漸充滿煙氣，煙氣無明顯分層，如圖5所示，目測煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖6所示，由圖可得：煙氣溫升的趨勢類似于熱煙自由蔓延實驗，初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度達到穩(wěn)定階段，最后由于油盤中的燃料逐漸耗盡，火災功率變小，煙氣溫度隨之下降。對比實驗1和實驗2：風機與火源之間的T6～T9測點(以下稱“近風側(cè)測點”)煙氣溫升與實驗1趨同，距離風機較遠的T1～T5測點(以下稱“遠風側(cè)測點”)溫升比實驗1有降低趨勢，但在800 s時溫度出現(xiàn)明顯升高，分析由于排煙風機的啟動，部分煙氣向近風側(cè)移動，導致遠風側(cè)煙氣溫度有所降低，但由于實驗2的風機排煙能力不足，導致后期煙氣產(chǎn)生向遠風側(cè)回流現(xiàn)象，因此在800 s時遠風側(cè)測點溫度出現(xiàn)明顯升高。

圖5 實驗2時1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖6 實驗2等高度測點溫度

實驗3過程中，開啟1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.2 m/s后，隧道內(nèi)近風側(cè)和遠風側(cè)煙氣出現(xiàn)明顯分層[7-9]，如圖7所示，目測少量煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道9組溫度數(shù)據(jù)，如圖8所示，對比實驗1～3分析可得：實驗3煙氣溫升趨勢明顯不同于熱煙自由蔓延實驗，初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度呈下降趨勢。實驗3的煙溫峰值比實驗2明顯降低，這時遠風側(cè)熱煙氣與空氣分層明顯，高溫煙氣集中在隧道上半部分，遠風側(cè)隧道下半部分可用于人員逃生。

圖7 實驗3時1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖8 實驗3等高度測點溫度

實驗4過程中，開啟1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.5 m/s后，隧道內(nèi)煙氣出現(xiàn)明顯分層，之后遠風側(cè)煙氣逐漸消失，如圖9所示，此時目測無煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖10所示，對比實驗1～4分析可得：實驗4煙氣溫升的趨勢類似于實驗3，初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度呈下降趨勢。實驗4的煙溫峰值比實驗2也明顯降低，但不同于實驗3，遠風側(cè)煙溫下降明顯，說明遠風側(cè)煙氣已基本排凈。

圖9 實驗4時1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖10 實驗4等高度測點溫度

3.2 排煙位置對煙氣流動影響的實驗

實驗5過程中，開啟1#風機組上排和下排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為2.0 m/s后，隧道內(nèi)充滿煙氣，遠風側(cè)煙氣逐漸消失，煙氣無明顯分層，目測煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道9組溫度數(shù)據(jù)，如圖11所示，對比實驗4和實驗5分析可得：實驗5初期煙氣迅速升溫，開啟風機后煙氣溫度快速下降，之后溫度回升，最后由于油盤中的燃料逐漸耗盡，煙氣溫度隨之下降，煙溫峰值比實驗4無明顯降低。與實驗4相比，更高的排煙風機功率可以在開啟初期起到更好的排煙效果，但上排風機和下排風機同時啟動，擾亂了煙氣層和空氣層，排煙效率反而下降[10-11]。但對于遠風側(cè)，煙溫下降明顯，說明遠風側(cè)煙氣已基本排凈，不受下排風機的影響。

圖11 實驗5等高度測點溫度

3.3 排煙方式對煙氣流動影響的實驗

實驗6過程中，開啟2#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.2 m/s后，隧道內(nèi)逐漸充滿煙氣，煙氣無明顯分層，目測煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道9組溫度數(shù)據(jù)，如圖12所示，對比實驗3和實驗6分析可得：實驗6初期煙氣迅速升溫，開啟風機后煙溫繼續(xù)緩慢上升，最后由于油盤中燃料逐漸耗盡，煙氣溫度隨之下降，煙溫峰值比實驗3高。與實驗3相比，實驗6風機吹風布置不能很好地降低煙氣溫升，只能起到抑制溫升的作用，排煙效率較低。說明在其他條件相同的情況下，風機采用抽風布置比吹風布置的排煙效率更高。

圖12 實驗6等高度測點溫度

3.4 相鄰隧道加壓送風措施對煙氣流動影響的實驗

實驗7過程中，開啟1#風機組上排風機，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風速為1.2 m/s后，隧道內(nèi)近風側(cè)和遠風側(cè)煙氣出現(xiàn)明顯分層，當煙氣蔓延到2#隧道時，開啟3#風機組和4#風機組進行對向加壓送風，目測白色煙氣被有效抑制，無法進入2#隧道, 2#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況如圖13所示。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖14所示，對比實驗3和實驗7分析可得出：實驗7初期煙氣迅速升溫，1#風機開啟后煙氣溫度呈短暫下降趨勢，3#風機和4#風機開啟后，1#隧道煙氣溫度明顯回升，遠風側(cè)測點煙溫峰值比實驗3高。

圖13 實驗7時2#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖14 實驗7等高度測點溫度

4 結(jié)論

(1)由實驗1熱煙自由蔓延實驗可知，熱煙自由蔓延時，火災產(chǎn)生的煙氣將快速通過交互通道從火災隧道蔓延到相鄰隧道，因此交互通道除采用防火措施外，還應考慮有效的防煙措施。

(2)由實驗1～5可知，火災隧道排煙設計時，風機排煙能力最低應達到遠風側(cè)煙氣集中在隧道的頂部，人員最低疏散高度處煙溫應低于人員的最高承受溫度。但排煙風機功率選擇過大，會降低近風側(cè)的排煙效率，分析認為過大的排煙風速會擾亂煙氣層和空氣層，使排煙風機排出更多的空氣，從而降低排煙效率，但過大的排煙風機功率不會對遠風側(cè)產(chǎn)生不良影響，因此在工程設計中，風機功率選擇應考慮一定的冗余量，火災時人員應盡量選擇逆風疏散，向遠風側(cè)逃生。

(3)由實驗4和實驗5可知，上排風機排煙效果明顯優(yōu)于下排風機排煙效果，上排排煙風機啟動后，若輔以下排風機同時排煙，初期會起到更好的排煙效果，但由于擾亂了煙氣層和空氣層的分層，總體排煙效率反而下降，因此僅采用上排風機排煙為最優(yōu)設計。

(4)由實驗3和實驗6可知，在其他條件相同的情況下，風機采用抽風布置比吹風布置的排煙效率更高。

(5)實驗以2#隧道模擬火災時的相鄰隧道，由實驗3、實驗4和實驗7可得：交互通道位于火災隧道遠風側(cè)時，若火災隧道自身的排煙能力足以保證火災隧道遠風側(cè)內(nèi)煙氣濃度達到安全疏散要求，則熱煙氣不會蔓延到相鄰隧道內(nèi)；若火災隧道自身的排煙能力不足以保證火災隧道遠風側(cè)內(nèi)煙氣濃度達到安全疏散要求，相鄰隧道可采用對向加壓送風的方式有效抑制煙氣的蔓延，但對向加壓送風方式會在火災隧道的交互通道處形成擾流，影響火災隧道的排煙效率。所以在H型隧道的實際排煙設計中，應采用防排煙復合系統(tǒng)和智能化邏輯編程方案：首先識別排煙系統(tǒng)所保護的隧道是否為火災隧道，若為火災隧道，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)為排煙模式；若為火災隧道的相鄰隧道，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)為對向加壓送風模式，但應設置延時開啟措施，以免過早地影響火災隧道風機的排煙效果。