抽出式通風機數(shù)量對地鐵區(qū)間隧道通風排煙能力影響的實驗研究*

朱祝龍,趙亞平,宮 宇,田 峰

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司,天津 300133;2.天津市隧道設計及安全評估重點實驗室,天津 300133;3.青島地鐵集團有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

統(tǒng)計表明，火災占地鐵事故數(shù)量的46%，且85%的受害者是由窒息或濃煙引起的[1-2]。因此，通風排煙是隧道防災減災的支撐，而系統(tǒng)性能是支撐中的關鍵[3-4]。

圍繞隧道通風排煙系統(tǒng)，研究方法有現(xiàn)場實驗、小尺寸模型實驗、數(shù)值模擬和理論分析[5-7]。在理論分析的基礎上，Lugin等[8]提出具有高效、經濟特點的雙線隧道通風排煙系統(tǒng)。圍繞自然通風，Li等[9]、Goswami等[10]推導自然通風下熱壓預測方程。然而，量化熱壓力對地下機械通風系統(tǒng)的影響更具有工程意義。針對這一問題，高明亮等[11]驗證區(qū)間隧道臨界風速對兩端縱向通風的影響。應用數(shù)值模擬方法，吳妍等[12]得出風井的位置、數(shù)量和組合對自然通風性能的定量影響。在自然通風條件下，Liu等[13]預測受坡度影響的煙道氣體溫度。通過實驗數(shù)據(jù)的定量分析，Li等[14]提出隧道火災放熱率相對增量模型。抑制與控制熱災害是隧道通風的難點之一，基于隧道通風排煙系統(tǒng)，張培紅等[15]、Tian等[16]開展噴細水霧滅火與霧化參數(shù)研究。針對長江水下隧道，為解決通風排煙系統(tǒng)和氣流組織問題，張之啟[17]提出大斷面和小斷面方案。從上述結論及其所涉及的方法來看，地鐵區(qū)間隧道通風排煙系統(tǒng)的系統(tǒng)實驗，尚需深入研究和量化討論。

本文基于相似理論和量綱分析搭建地鐵區(qū)間隧道的通風排煙系統(tǒng)物理模型。開展雙壓零抽、雙壓一抽、雙壓二抽的單機輸入頻率、單機電功消耗、行車道靜壓、行車道風速和排煙道風速的實時測定。進一步探討抽出式通風機及其數(shù)量對功耗、靜壓和風速的量化影響，并指出其行車道和排煙因變規(guī)律的差異性，為解決此差異導致的評價不明確問題，提出1個新的準則——通風排煙系統(tǒng)性能系數(shù)，最后得出性能系數(shù)最優(yōu)的通風機組合——2通風機的雙壓零抽通風排煙系統(tǒng)。

1 工程原型與實驗模型

1.1 工程原型與模型律

本模型實驗系統(tǒng)的原型為某地鐵區(qū)間隧道，全長約8.1 km。以該區(qū)間隧道行車道與專用排煙道斷面為計算依據(jù)，應用相似原理、量綱分析和尼古拉茲自模區(qū)效應設計實驗模型，簡則如下：

1)主體圍護結構的材料選用具有超高透光率的聚甲基丙烯酸甲酯。

2)針對車輛活塞風效應等多種力，采用軸流通風機等效進行模擬，滿足動力相似性的要求。

3)使模型流動進入阻力平方區(qū)，選定模型幾何比尺為1∶10，則斷面面積比為1∶100；速度比為1∶1，壓力比尺為1∶1；為滿足流動充分發(fā)展的需要，確定隧道模型水平軸向總長為20 m。

1.2 模型實驗系統(tǒng)

模型實驗系統(tǒng)包括物理模型和動力系統(tǒng)。

1)物理模型

本文采用的隧道模型斷面，如圖1所示，在模型中部設置有“吊頂排煙口”?！暗蹴斉艧熆凇笔桥艧煹琅c行車道的貫通裝置，來自雙側行車道的氣流，流經該吊頂排煙口后經排煙道排出。

圖1 隧道模型斷面

模型實驗系統(tǒng)及其主要功能段位，如圖2所示，上部圓弧斷面為排煙道，下部左右為單洞雙線行車道。針對此單線行車道，位于吊頂排煙口右側的，稱之為右行車道，左側的則為左行車道。

圖2 模型實驗系統(tǒng)及其主要功能段位

2)動力系統(tǒng)

①“2#風機及風井”，直連該風井的2#通風機為壓入式軸流通風機，該通風機的額定功率為11 kW。1#通風機與2#通風機型號相同。

②“4#風機及風井”，直連該風井的4#通風機為抽出式軸流通風機，通風機額定功率為5.5 kW。3#通風機為與4#通風機同型號。

2 通風機組合及其功耗與流動參數(shù)

2.1 3種組合的通風機頻率與功耗

3種通風機組合依次為雙壓零抽、雙壓一抽和雙壓二抽。雙壓零抽組合的2臺通風機頻率與功耗的對應關系，如表1所示。

表1 雙壓零抽組合的2臺通風機頻率與功耗

2#通風機的起始輸入頻率為7.8 Hz，對應的功耗為71 W；輸入頻率步進值為1 Hz，共計完成18組實驗。第18組的輸入頻率值為24.8 Hz，對應的功耗為1 043 W；在此工況下，1#通風機的功耗為709 W，其輸入的頻率為19.9 Hz。從1#通風機的第18組數(shù)據(jù)開始，步退的輸入頻率為0.3～1.0 Hz，直至6.0 Hz起始的輸入頻率，此時，對應的1#通風機功耗為35 W。2#與1#通風機之間同頻率下的功耗差異表明，即使通風機型號相同，乃至為同一臺通風機，應用頻率比與功耗比之間的等比線性關系，存在顯著的理論誤差，并舉證了變頻調節(jié)理論的非等比變化律[18-19]。

1、從農業(yè)機械維修的技術方面，無維修設計是其理想的目標，即使需要維修也是很簡單的，基本上不花費時間費用。但現(xiàn)實情況不能兼?zhèn)淅硐氲脑O計制造工藝、理想的工作環(huán)境、理想的操作使用程序以及理想的使用者。因此無維修設計只能是在一定范圍內的。這就對農業(yè)機械的故障診斷技術及維修技術提出了更深更廣的要求。以前由于農業(yè)機械基本是由各級國營農機站掌握和使用的，維修體制基本沿襲前蘇聯(lián)計劃維修體制，也就是預防維修制，即按一定的時間周期進行大修或更換部件，而維修周期都是基于過去的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定下來的，所以又叫定期維修。

根據(jù)非等比變化律，通風機輸入頻率與功耗之間的關系，受到變頻調節(jié)百分比的影響，更受到所服務管網阻力特性的影響。雙壓零抽的2通風機組合可以克服流動阻力，亦可以采用雙壓一抽的3通風機組合，或者雙壓二抽的4通風機組合。雙壓一抽3通風機組合頻率與功耗對應關系，如圖3所示。雙壓二抽4通風機組合頻率與功耗對應關系，如圖4所示。

圖3 雙壓一抽三通風機組合頻率與功耗

圖4 雙壓二抽四通風機組合頻率與功耗

結合圖3～4可知，在頻率值均為24.4 Hz的情況下，雙壓一抽的4#通風機、雙壓二抽中的4#通風機和雙壓二抽中的3#通風機功耗不相等，且三者依次降低。這表明，功耗主要受到通風機所服務管網環(huán)路的影響。

2.2 功耗對行車道靜壓與流速的影響

3種通風機組合下測定的左右兩側行車道靜壓，如圖5所示。在圖5中，橫軸均為通風機組合功耗，其數(shù)值為表1、圖3～4中3種組合下單臺通風機功耗的算術和，單位為W；左縱軸為雙壓零抽靜壓，單位為Pa。

圖5 測定的左右兩側行車道靜壓

對于雙壓零抽而言，隨著功耗增加，雙側行車道靜壓變大且雙側行車道數(shù)值始終保持動態(tài)相等。這個動態(tài)相等極其類似于物理天平效應，類似于通風排煙系統(tǒng)中的吊頂排煙口。

為探究在3種通風機組合中出現(xiàn)的行車道靜壓對稱分布是否會出現(xiàn)雙側行車道的風速上，測定3種通風機組合下左右兩側行車道風速，如圖6所示。對于右側行車道風速而言，2通風機組合的雙壓零抽、3通風機組合的雙壓一抽和4通風機組合雙壓二抽，對應的數(shù)值依次為0.48，0.72，0.73 m/s，左側依次為1.30，1.67，1.89 m/s，3種通風機組合下的左側風速均依次大于右側。從雙壓零抽的組合來看，雖然2#，1#通風機為壓入式通風機的對稱布設，但是行車道風速為明顯的偏置分布。

圖6 測定的左右兩側行車道風速

相比行車道風速偏置分布的雙壓零抽，同為壓入式通風機對稱布設的雙壓一抽和雙壓二抽，行車道風速呈現(xiàn)近對稱分布。

顯然，開啟抽出式通風機是行車道速度分布具有近對稱性的重要動力學條件；對稱開啟抽出式通風機，是進一步提高行車道速度近對稱分布的優(yōu)化動力學條件。

3 排煙道風速、排風量與系統(tǒng)性能系數(shù)

3.1 通風機組合對排煙道風速的影響

3種通風機組合下測定的左右2邊排煙道風速，如圖7所示。雙壓二抽組合功耗為299 W時，左排煙道風速為2.72 m/s，右排煙道風速為2.89 m/s，兩者偏差為0.17 m/s；隨著功耗的增加，該偏差逐漸減少，逼近于0.00 m/s的臨界點。顯然，雙壓二抽的排煙道風速分布具有近對稱性，乃至對稱性，其對稱軸為吊頂排煙口。

圖7 測定的左右2邊排煙道風速

3.2 新指標——通風排煙系統(tǒng)性能系數(shù)

為保障安全和司乘逃生，壓入式通風機提供的氣流稀釋、摻混和裹挾行車道中煙霧，形成煙霧氣流。為排走煙霧氣流，抽出通風機或通過風井排出的風量之和，如式(1)所示：

(1)

式中：Qe為抽出通風機或通過風井排出的風量之和，m3/s；Qe(1)，Qe(j)，…，Qe(m)分別為排風量之和的分項，m3/s；ve(1)，ve(j)，…，ve(m)分別為對應的平均風速，m/s；Ae(1)，Ae(j)，…，Ae(m)分別為對應的截面面積，m2；1，…，j，m分別為序列下標。

為量化不同通風機組合對通風排煙的影響，等效于風壓的性能系數(shù)，如式(2)所示：

(2)

式中：HVSES為性能系數(shù)，Pa；N為通風機及其組合功耗，W；Nk為通風機組合功耗中的某一通風機功耗，W；k為從1到s的序列數(shù)。

3.3 抽出式通風機數(shù)量及其組合與性能系數(shù)

為量化雙壓零抽、雙壓一抽和雙壓二抽對通風排煙實效的影響，利用確定的排煙道斷面面積、測得的排煙道風速和通風機組合功耗，具體可依次查閱圖3、圖7中的縱軸數(shù)據(jù)和圖7中的橫軸數(shù)據(jù)，并代入相應公式，即得3種通風機組合的功耗與通風排煙系統(tǒng)性能系數(shù)的關系，如圖8所示。實測的性能系數(shù)，即為利用已知數(shù)據(jù)，代入式(1)～(2)計算所得數(shù)值。擬合計算表明，性能系數(shù)與功耗之間的關系，可表達為二次多項式；這表明，性能系數(shù)直接受到通風機組合功耗的影響，且二者關系為二次多項式。類似的二次多項式，亦適用于雙壓一抽和雙壓二抽性能系數(shù)與通風機組合功耗之間的量化關系。

圖8 功耗與通風排煙系統(tǒng)性能系數(shù)的關系

在相同通風機組合功耗下，分別得到3種通風機組合的性能系數(shù)；進行3個性能系數(shù)的算術平均，即得預測的性能系數(shù)平均值，即圖8中的右縱軸所示，在該軸中，“偏差值”指雙壓二抽性能系數(shù)與預測的性能系數(shù)平均值的差值。顯然，在相同功耗下雙壓零抽的性能系數(shù)最小，雙壓一抽次之，雙壓二抽最高。

4 結論

1)在行車道內，以吊頂排煙口為鏡像面，靜壓呈水平對稱分布，且與通風機組合無關。

2)在行車道內，受到2臺抽出式通風機的動力作用，雙壓二抽的風速呈現(xiàn)為對稱分布，其鏡像面為吊頂排煙口；在1臺抽出式通風機的作用下，雙壓一抽的風速為近對稱分布，而雙壓零抽的風速為偏置分布。

3)對于通風排煙系統(tǒng)性能系數(shù)而言，最高的通風機組合為雙壓二抽，次之為雙壓一抽，最低的為雙壓零抽。