鐵路分岔隧道典型火災(zāi)條件下射流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算研究

摘 要：該研究提出針對(duì)鐵路列車火災(zāi)在分岔隧道段的排煙分區(qū)劃分方法，并進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)機(jī)匹配計(jì)算。通過(guò)PyroSim軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)火災(zāi)在分岔位置上下游的不同位置進(jìn)行相應(yīng)的煙氣通風(fēng)控制，驗(yàn)證排煙分區(qū)劃分方法的可行性。研究結(jié)果對(duì)于復(fù)雜鐵路分岔隧道部位通風(fēng)排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分岔隧道；排煙分區(qū)；煙氣控制；射流風(fēng)機(jī)；可行性

中圖分類號(hào)：U458.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0082-04

Abstract： This study proposes a smoke exhaust zoning method for railway train fires in bifurcation tunnel sections and conducts corresponding fan matching calculations. Through the numerical simulation of the PyroSim software， the corresponding smoke ventilation control is carried out at different positions of the upstream and downstream of the bifurcation position， and the feasibility of the smoke exhaust partition method is verified. The research results have practical reference value for the design of ventilation and smoke exhaust system at bifurcations of complex railway tunnels.

Keywords： bifurcation tunnel; smoke exhaust zone; smoke control; jet fan; feasibility

近年來(lái)，隨著復(fù)雜城市鐵路集群隧道的不斷增多，分岔隧道的結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)復(fù)雜。這種隧道通常由主隧道和出入口岔道組成，一旦發(fā)生火災(zāi)，復(fù)雜的煙氣流動(dòng)路徑導(dǎo)致排煙氣流的組織變得困難[1-2]。合理的排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以有效控制火災(zāi)發(fā)生有毒有害的煙氣蔓延，即降低煙氣的傳播速度、控制煙氣的傳播路徑、減小煙氣的影響范圍，以達(dá)到降低火災(zāi)可能引起的傷害和損失的目的[3]。要確保排煙系統(tǒng)的有效性，需要考慮分岔隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并采用關(guān)鍵位置設(shè)置風(fēng)機(jī)、控制氣流方向、合理設(shè)置排煙口等手段控制煙氣[4]。與橫向排煙的排煙分區(qū)不同，縱向排煙分區(qū)無(wú)法僅依賴物理隔離實(shí)現(xiàn)[5]，需要通過(guò)分區(qū)內(nèi)外不同分支上的風(fēng)機(jī)相互協(xié)同工作。

本文在深入研究分岔鐵路隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出縱向排煙分區(qū)劃分的原則和方法，通過(guò)合理匹配射流風(fēng)機(jī)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣的分區(qū)控制。使用PyroSim火災(zāi)數(shù)值模擬軟件，驗(yàn)證在隧道不同位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)縱向排煙的效果，以驗(yàn)證所提出方法的可行性。本研究旨在為鐵路分岔隧道縱向通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)、運(yùn)維及人員疏散提供切實(shí)可行的方法。

1 數(shù)值模擬過(guò)程

1.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

計(jì)算模型取自在建深江鐵路客運(yùn)專線某段，主道為單洞雙線礦山法隧道，計(jì)算域總長(zhǎng)500 m。主道中間位置處有一條長(zhǎng)200 m，與主道夾角30°的斜井。A、B分別為隧道左、右側(cè)出口，C為斜井口。主道與斜井截面積分別為81 m2和43.5 m2，水力直徑分別為9.26 m和7 m，隧道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

隧道采用縱向通風(fēng)方式時(shí)，考慮自然風(fēng)的影響[6-7]，自然風(fēng)速定為1 m/s?；鹪床捎胻2特征火模型，最大熱釋放速率15 MW，火災(zāi)發(fā)展時(shí)間75 s[8]。選取排煙分區(qū)內(nèi)導(dǎo)致排煙路徑最長(zhǎng)的著火點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況下的火源位置。經(jīng)計(jì)算分析，本論文研究對(duì)象的最不利火源位置分別為圖中的D1和D2點(diǎn)，位于分岔位置的左右兩側(cè)，距離計(jì)算域的左側(cè)分別是230 m和270 m，以代表在分岔位置上游和下游發(fā)生火災(zāi)時(shí)的不同情況。

在分岔隧道部位布置風(fēng)機(jī)的基本原則是確保當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能盡量降低火源位置的煙氣對(duì)其他位置的影響，并能為列車乘客提供盡可能長(zhǎng)的安全疏散時(shí)間。為了確保煙氣能夠通過(guò)單一分支排出，需要在分岔隧道區(qū)域附近安置多組協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)的射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)布置如圖 1的E1—E3。在主道的175 m和325 m處分別設(shè)置風(fēng)機(jī)E1、E2，每組6臺(tái)。斜井安裝1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)E3。每臺(tái)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量為43 m3/s，斜井風(fēng)機(jī)的風(fēng)量設(shè)定為11 m3/s，如圖 1中D1、D2所示。

1.2 排煙分區(qū)劃分及工況設(shè)置

排煙分區(qū)劃分應(yīng)符合以下原則[9]：排煙分區(qū)內(nèi)的排煙路徑唯一；排煙分區(qū)內(nèi)風(fēng)機(jī)開啟方向一致；防止煙氣蔓延至相鄰排煙分區(qū)；確保在同一排煙方案下能有效應(yīng)對(duì)排煙分區(qū)內(nèi)任意位置發(fā)生火情的情況；盡量減少隧道排煙分區(qū)總數(shù)。

考慮分岔隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和煙氣排出方向，可分為2種基本分岔單元，如圖 2所示。主道2個(gè)分支口分別表示為A和B，岔道分支口表示為C。合流單元由主道與入口岔道組成（圖2（a）），分流單元由主道與出口岔道組成（圖2（b））。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在列車不同位置時(shí)，要使最少乘客穿過(guò)煙區(qū)，有不同的人員疏散策略。本文研究火災(zāi)發(fā)生在列車左側(cè)或右側(cè)時(shí)，列車無(wú)法駛出隧道而制動(dòng)在分岔位置附近的情況。圖2表示了不同火災(zāi)工況下排煙分區(qū)劃分思路。列車右側(cè)著火時(shí)，人員向左疏散，控制煙氣向右排出，分岔隧道視作分流單元。在分流單元中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在主道時(shí)，煙氣從B排出，C風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)防煙。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在岔道時(shí)，A、C的風(fēng)機(jī)開啟方向與煙氣排出方向一致，B風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)防煙，煙氣從C排出，分流單元被劃分為2個(gè)排煙分區(qū)。

列車左側(cè)著火時(shí)，人員向右疏散，控制煙氣向左排出，此時(shí)分岔隧道視作合流單元。在合流單元中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在A或B時(shí)，火災(zāi)上游與C進(jìn)行防煙；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在C時(shí)，火災(zāi)上游與B進(jìn)行防煙。無(wú)論火災(zāi)在合流單元的何處發(fā)生，分岔隧道風(fēng)機(jī)的開啟方向均與煙氣排出方向一致，煙氣沿著A向左側(cè)排出，因此將合流單元視為一個(gè)排煙分區(qū)。

數(shù)值模擬工況見表1。列車內(nèi)部右側(cè)著火時(shí)且火災(zāi)發(fā)生在分岔位置左側(cè)時(shí)，人員向左疏散，控制煙氣向右排出，分岔隧道視作分流單元。斜井截面積小，煙氣流通能力差，煙氣從B排出，火源上游和斜井防煙，人員從A撤離，對(duì)應(yīng)工況1和工況2；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在分岔位置右側(cè)時(shí)，煙氣同樣從B排出，火源上游防煙，人員就近從斜井C撤離，對(duì)應(yīng)工況3。列車內(nèi)部左側(cè)著火時(shí)且當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在分岔位置左側(cè)時(shí)，人員從斜井C撤離出地面，對(duì)應(yīng)工況4；而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在分岔位置右側(cè)時(shí)，如果人員從斜井疏散，部分人員需穿過(guò)煙區(qū)，因此人員從B口疏散，對(duì)應(yīng)工況5。

2 風(fēng)機(jī)匹配計(jì)算方法

阻力主要由火區(qū)阻力、氣流阻力、自然風(fēng)阻力組成[10]?；鹪磪^(qū)因熱膨脹而導(dǎo)致的火區(qū)阻力較小，可不予考慮[9]。

， （1）

式中：？駐P為隧道總阻力；？駐Pfire為火區(qū)阻力；？駐Ploss為氣流阻力；？駐Pn為自然風(fēng)阻力，各阻力單位均為Pa。

氣流阻力分為沿程阻力和局部阻力，計(jì)算公式為

式中：？駐P？姿為氣流沿程阻力；？駐P？孜為氣流局部阻力；？姿為沿程阻力系數(shù)；？孜為局部阻力系數(shù)；Q為分支流量；L為隧道分支長(zhǎng)度；D為隧道水力直徑；A為隧道分支斷面積；？籽為空氣密度。

對(duì)于自然風(fēng)阻力

縱向排煙的排煙動(dòng)力主要依賴于射流風(fēng)機(jī)群提供的升壓力，即風(fēng)機(jī)動(dòng)力。射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速噴射氣流，驅(qū)動(dòng)隧道內(nèi)的煙氣沿縱向方向流動(dòng)，風(fēng)機(jī)動(dòng)力應(yīng)與排煙分區(qū)內(nèi)的阻力相匹配。因此，實(shí)現(xiàn)隧道縱向排煙所需的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)n為

式中：Ｐj為單臺(tái)風(fēng)機(jī)升壓力；f為風(fēng)機(jī)出口面積；？淄j為風(fēng)機(jī)風(fēng)速；Kj為安裝損失系數(shù)，取1.162?？疾歃?250型和Φ630型風(fēng)機(jī)，出口最大風(fēng)速為35 m/s和34.7 m/s，最大升壓力分別為19.00 Pa和8.84 Pa。

確定風(fēng)機(jī)開啟方向后，通過(guò)建立壓力平衡和流量平衡方程并聯(lián)立求解，得到了滿足設(shè)計(jì)工況排煙要求的風(fēng)機(jī)升壓力相互約束關(guān)系。圖3展示了合流單元和分流單元的風(fēng)機(jī)匹配計(jì)算流程，Pi表示分支i的風(fēng)機(jī)升壓力，Pa；P-i表示風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)開啟防煙。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在合流單元，分岔隧道結(jié)構(gòu)被視作一個(gè)排煙分區(qū)，該排煙分區(qū)內(nèi)的各支路風(fēng)機(jī)升壓力應(yīng)在合理取值范圍內(nèi)，這個(gè)范圍即為風(fēng)機(jī)選型的區(qū)間。因此，無(wú)論火災(zāi)發(fā)生在分岔隧道位置左側(cè)或右側(cè)，均采用該風(fēng)機(jī)升壓力取值范圍。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在分流單元，如圖2（b）所示，劃分為2個(gè)分流排煙分區(qū)。火災(zāi)發(fā)生在分流排煙分區(qū)1時(shí)，E3風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)防煙，控制煙氣向B口排出，此時(shí)風(fēng)機(jī)適用分流單元的升壓力取值范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 分岔隧道風(fēng)機(jī)開啟風(fēng)量大小對(duì)機(jī)械排煙的影響

在工況1中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量不足導(dǎo)致煙氣向分岔隧道蔓延，而在工況2中通過(guò)增大分岔隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)量成功防止了煙氣蔓延。因此，建議在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中優(yōu)化分岔隧道風(fēng)機(jī)參數(shù)，以確保在各種工況下都能有效控制火災(zāi)煙氣。

3.2 不同火源位置對(duì)機(jī)械排煙的影響

將工況2、3和工況4、5分別兩兩比對(duì)，工況3和工況4均因?yàn)榛鹪淳嚯x出口更近，煙氣更快到達(dá)出口。因此，在同一排煙分區(qū)的相同排煙策略下，分岔隧道內(nèi)的煙氣流動(dòng)特性基本一致，排煙時(shí)間差異主要由火源距離出口位置決定。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)急控制策略中，需充分考慮火源位置、出口距離及隧道結(jié)構(gòu)等因素，以確保系統(tǒng)能靈活有效地控制煙氣蔓延，最大限度保障火災(zāi)應(yīng)對(duì)效果和安全。

3.3 風(fēng)機(jī)匹配計(jì)算案例驗(yàn)證

火源功率為15 MW時(shí)，取臨界風(fēng)速2.0 m/s[11]，可計(jì)算出各分支達(dá)到臨界風(fēng)速所需流量。針對(duì)不同的斜分岔隧道規(guī)定了不同的局部阻力系數(shù)[6]，分岔隧道進(jìn)出口的局部阻力系數(shù)分別為0.6和1.0。參考規(guī)范，主隧道沿程阻力系數(shù)取0.021，斜井沿程阻力系數(shù)取0.022。斜分岔隧道合流單元和分流單元連接處的局部阻力系數(shù)分別為0.05和3.0。

計(jì)算得出自然風(fēng)速1 m/s時(shí)，各支路的自然風(fēng)阻力和氣流阻力見表2。

對(duì)工況1—3，計(jì)算各分支風(fēng)機(jī)升壓力的協(xié)同關(guān)系，得出風(fēng)機(jī)升壓力合理取值范圍為

針對(duì)工況1，當(dāng)在E1和E2位置處均配置6臺(tái)Φ1250射流風(fēng)機(jī)，在分岔隧道E3處配置1臺(tái)Φ630射流風(fēng)機(jī)時(shí)，各對(duì)應(yīng)支路能夠提供的最大升壓力分別為114、114、8.84 Pa。盡管主道風(fēng)機(jī)滿足升壓力需求，但斜井分岔隧道并不能滿足所需的最小風(fēng)機(jī)升壓力。對(duì)于工況2和工況3，將分岔隧道射流風(fēng)機(jī)調(diào)整為Φ1250，可以滿足需求。

對(duì)于工況4—5，計(jì)算各分支風(fēng)機(jī)升壓力的協(xié)同關(guān)系，得出風(fēng)機(jī)升壓力合理取值范圍為

針對(duì)工況4—5，當(dāng)在E1和E2均配置6臺(tái)Φ1250射流風(fēng)機(jī)，并且在分岔隧道E3配置1臺(tái)Φ630射流風(fēng)機(jī)時(shí)，各對(duì)應(yīng)支路能夠提供的最大升壓力分別為114、114、8.84 Pa，可以滿足升壓力的需求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和排出方向，提出了縱向排煙分區(qū)劃分原則與方法，將分岔隧道不同分支劃分為合流單元和分流單元，能夠較好地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)煙氣流動(dòng)分析及風(fēng)機(jī)匹配選型的計(jì)算。自然風(fēng)速在分岔隧道內(nèi)對(duì)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散有明顯影響，設(shè)計(jì)排煙系統(tǒng)時(shí)需充分考慮自然風(fēng)影響，尤其在風(fēng)速較大時(shí)可能減弱風(fēng)機(jī)排煙效果。研究結(jié)果表明，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)需充分考慮壓力平衡和流量平衡原理，通過(guò)調(diào)整射流風(fēng)機(jī)參數(shù)，根據(jù)相鄰排煙分區(qū)風(fēng)機(jī)的協(xié)同關(guān)系確定不同射流風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)方向及升壓力選擇，同一風(fēng)機(jī)匹配方案可應(yīng)對(duì)不同火源位置的防排煙需求。

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