地下工程走廊寬高比對煙氣層溫度衰減系數(shù)影響研究

毛 維 邢哲理 金曉公 李超峰 侯普民 李 娟

（軍事科學(xué)院國防工程研究院 北京 100036）

0 引言

火災(zāi)煙氣熱特性一直是火災(zāi)研究的焦點，高溫?zé)煔獠粌H可以直接對人員產(chǎn)生熱灼傷[1,2]，還會嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)強度[3]，建筑內(nèi)溫感報警器和自動噴水滅火系統(tǒng)由頂棚附近的熱煙氣觸發(fā)，煙氣層溫度的衰減程度是影響人員疏散的重要因素。地下工程處于地下，空間相對封閉并且與外界連通受限，火災(zāi)時煙氣熱特性與地面建筑存在差異，人員疏散逃生和消防救援的復(fù)雜性及危險性遠(yuǎn)大于地面建筑[4]。

單室—走廊是地下工程的典型結(jié)構(gòu)，單室和走廊是構(gòu)成地下工程的基本元素，工程內(nèi)單室發(fā)生火災(zāi)時，人員通過走廊向外逃生。前人針對單室[5,6]和巷道（隧道）[7-9]內(nèi)的溫度預(yù)測模型進行了很多研究，針對地下工程典型單室—走廊結(jié)構(gòu)的煙氣熱特性研究相對較少。因此，本文基于相似原理搭建了地下工程一個防火分區(qū)的單室—走廊結(jié)構(gòu)模型實驗臺，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過改變火源規(guī)模和走廊尺寸進行了10 個工況的火災(zāi)模型實驗，將模型實驗結(jié)果和前人理論模型預(yù)測結(jié)果進行了對比分析，以期得到地下工程火災(zāi)時走廊高寬比對煙氣層溫度衰減系數(shù)的影響。

1 理論模型

一般情況下，地下工程的單室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，煙氣會通過門流入走廊，在走廊進行擴散，擴散過程中熱煙氣與冷空氣相互卷吸，熱煙氣通過對流和輻射與圍護結(jié)構(gòu)進行換熱，因此煙氣溫度在擴散過程中會逐漸衰減。胡隆華[10]基于雙區(qū)域理論、連續(xù)性方程及能量方程推導(dǎo)得到了火災(zāi)煙氣溫度在隧道長度方向的衰減模型，如式（1）所示，其中煙氣層溫度衰減系數(shù)為。

Li 等人[11]基于質(zhì)量和能量守恒推導(dǎo)得到了隧道內(nèi)煙氣溫度在長度方向簡化的一維衰減模型，如式（2）所示，其中煙氣層溫度衰減系數(shù)為簡化的模型可以快捷的預(yù)測煙氣溫度，其在推導(dǎo)過程中忽略了熱煙氣對冷空氣的卷吸作用。

筆者[12]基于雙區(qū)域模型、連續(xù)性方程以及能量方程，針對地下工程單室火災(zāi)時長走廊中的煙氣層溫度衰減模型進行理論推導(dǎo)，得到一種走廊內(nèi)煙氣層溫度預(yù)測模型，如式（3）所示，其中煙氣層溫度衰減系數(shù)為。

式（1）～（3）中，H為走廊高度，m；W為走廊寬度，m；x為距離，m；為煙氣層厚度，m；hvd為有效換熱系數(shù)，c p為定壓比熱，kJ/(kg·K)；為煙氣流量，kg/s；ΔT為煙氣層溫度與冷空氣溫度差，K；下角標(biāo)0 表示物理量的初始值。

2 實驗

2.1 實驗臺搭建

本文以某地下工程的一個防火分區(qū)為研究對象，該對象為單室-走廊結(jié)構(gòu)，火源位于單室內(nèi)，火災(zāi)發(fā)生后煙氣由單室蔓延至走廊，通過走廊擴散至口部?？紤]到全尺寸實驗的危險性和難以重復(fù)性，本文根據(jù)相似理論和關(guān)鍵相似準(zhǔn)則[13]通過搭建模型與實體為1:4 的模型進行實驗研究。模型實驗臺火源單室的尺寸為1.2m×0.75m×0.6m，單室門尺寸0.75m×0.2m，走廊長為15 m，走廊寬度和高度尺寸根據(jù)不同工況設(shè)置。實驗?zāi)Ｐ椭饕捎盟茕摬牧希ㄟ^模塊化連接可以改變模型走廊的寬度和高度尺寸，火源房間主要采用耐高溫鋼化玻璃，各模塊采用防火密封劑進行封堵密封?；谀Ｐ吐史治龅玫侥Ｐ团c實體之間的溫度關(guān)系為1:1，熱值比例為1:64，火源功率比例為1:32，時間比例為1:2。

2.2 工況設(shè)置

模型實驗綜合考慮到不同火源規(guī)模和不同走廊尺寸的工況，采用三種不同直徑的圓形油池火作為火源（燃料為正庚烷），并結(jié)合走廊寬度和高度的變化共進行了10 個工況的模型實驗，如表1 所示。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

2.3 實驗臺測點布置

實驗臺中共設(shè)置了8 組熱電偶樹（T1～T8），如圖1 所示。單室中（T1～T3）每組熱電偶樹豎直方向上有8 個熱電偶探頭，從下到上依次為1#～8#探頭，相鄰的兩個探頭相距8cm，1#探頭與地面、8#探頭與屋頂距離都為2 cm；工況1～7 時走廊中（T4～T8）每組熱電偶樹有6 個熱電偶探頭，與頂棚之間距離由上至下分別為1、15、29、43、57、71cm，工況8～工況10 時走廊中每組熱電偶樹有5個探頭，與頂棚之間距離由上至下分別為1、15、29、43、57cm。實驗過程中溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各測點處溫度實時顯示和存儲在電腦上，數(shù)據(jù)采集間隔為5s。

圖1 模型實驗測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points in model experiment

2.4 實驗過程

為保證安全順利地展開模型實驗，主要分三個階段進行：

（1）實驗準(zhǔn)備階段：檢查實驗臺是否完好；檢查實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常；檢查其他儀器和輔助設(shè)備是否正常工作。這一階段工作的目的是確?？陀^條件能夠保證實驗正常進行。

（2）實驗進行階段：記錄環(huán)境溫度、實驗時間以及實驗工況等數(shù)據(jù)；開啟實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點火并記錄實驗數(shù)據(jù)；實驗結(jié)束后停止采集數(shù)據(jù)，通過通風(fēng)排煙將實驗臺冷卻恢復(fù)至環(huán)境條件。

（3）實驗后工作階段：查看燃料是否燃盡；保存實驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣層溫度隨距離的變化規(guī)律

從前人的研究來看，煙氣層溫度隨著與火源距離的增大，呈指數(shù)衰減規(guī)律，對于模型實驗結(jié)果與前人研究得到的規(guī)律是否具有一致性需要將模型實驗結(jié)果進行計算分析?？紤]將不同火源規(guī)模條件下的模型實驗結(jié)果進行分類對比分析，圖2～4 分別為油池直徑10cm（工況1、4、6、8）、油池直徑14.1cm（工況2、5、7、9）和油池直徑20cm（工況3、10）時模型實驗煙氣層溫度隨距離的變化規(guī)律。從圖2～4 中可以看出，筆者將10 個工況條件下得到的煙氣層溫度均隨無量綱距離變化進行了擬合，圖中的曲線為擬合曲線，觀察發(fā)現(xiàn)實驗得到的結(jié)果與前人得到的理論模型具有規(guī)律一致性，均呈指數(shù)衰減規(guī)律。通過對實驗結(jié)果的曲線擬合可以得到實驗結(jié)果的煙氣層溫度衰減系數(shù)，進而可以與理論結(jié)果進行對比分析，研究無量綱寬高對衰減系數(shù)的影響及相關(guān)理論模型對于地下工程火災(zāi)的適用性。

圖2 油池直徑為0.1m 時煙氣層溫度衰減規(guī)律Fig.2 The smoke temperature attenuation law when diameter is 0.1m

圖3 油池直徑為0.14m 時煙氣層溫度衰減規(guī)律Fig.3 The smoke temperature attenuation law when diameter is 0.14m

圖4 油池直徑為0.2m 時煙氣層溫度衰減規(guī)律Fig.4 The smoke temperature attenuation law when diameter is 0.2m

3.2 衰減系數(shù)預(yù)測值與實驗值對比

為了便于對比分析衰減系數(shù)預(yù)測值與實驗值，定義γ為模型實驗得到的溫度衰減系數(shù)和預(yù)測模型的衰減系數(shù)之間的相對誤差，γ可表示為：其中km為模型實驗結(jié)果擬合得到的衰減系數(shù)，m-1。模型實驗得到的溫度縱向衰減系數(shù)和預(yù)測模型衰減系數(shù)以及它們之間的相對誤差如表2 所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，式（1）和式（3）得到的衰減系數(shù)與模型實驗得到的衰減系數(shù)之間的誤差在10%以內(nèi)，式（2）在高寬比為1.2 時預(yù)測效果良好。通過表中數(shù)據(jù)對比還可發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)隨火源規(guī)模的增大呈減小趨勢，即火源規(guī)模越大，走廊中煙氣層溫度衰減越小。

表2 模型實驗和預(yù)測模型衰減系數(shù)及相對誤差Table 2 Attenuation coefficient and relative error of model experiment and prediction model

3.3 走廊高寬比對煙氣層溫度衰減系數(shù)影響

定義走廊中無量綱高寬比為H*=H/W。圖5～圖7 所示為不同火源規(guī)模條件下（油池直徑：0.1m，0.141m，0.2m），衰減系數(shù)隨走廊無量綱高寬比的變化。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在同一火源規(guī)模條件下，煙氣層溫度的衰減系數(shù)隨走廊無量綱高寬比的減小而增大，這說明無量綱高寬比減小使得熱煙氣向圍護結(jié)構(gòu)的散熱量相對增加，卷吸作用導(dǎo)致的熱損失就相對減少，這個結(jié)果與Lee 等人[14]得到的結(jié)論類似。由于式（2）忽略了卷吸作用，因此它與模型實驗和另兩個預(yù)測模型之間差值可以一定程度上反映卷吸作用導(dǎo)致的煙氣熱損失情況。從表2 中可以發(fā)現(xiàn)，式（2）的預(yù)測結(jié)果與另兩個模型及模型實驗結(jié)果之間的差別隨著高寬比的增大而減小，這亦證明了上述結(jié)果。因此，可以推斷，當(dāng)走廊的高寬比小到一定值以后，Li 等人得到的預(yù)測模型也可以較好地預(yù)測實驗結(jié)果。實際上在工況9 和10時，走廊的高寬比為1.2，式（2）與模型實驗之間衰減系數(shù)的相對誤差在10%以內(nèi)，預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。

圖5 油池直徑為0.1m 時衰減系數(shù)變化Fig.5 The attenuation coefficient changes when diameteris 0.1m

圖6 油池直徑為0.14m 時衰減系數(shù)變化Fig.6 The attenuation coefficient changes when diameteris 0.14m

圖7 油池直徑為0.2m 時衰減系數(shù)隨走廊高寬比變化Fig.7 The attenuation coefficient changes when diameter is 0.2m

4 結(jié)論

基于以上模型實驗結(jié)果和理論模型預(yù)測結(jié)果的分析，可以得到地下工程走廊煙氣層溫度的衰減系數(shù)隨著走廊高寬比的減小而增大，煙氣與圍護結(jié)構(gòu)之間的換熱相對增強，煙氣與空氣之間的卷吸換熱作用相對減弱，衰減系數(shù)隨火源規(guī)模的變大呈衰減趨勢，火源規(guī)模越大走廊中煙氣層溫度衰減越小。