隧道橫通道附近火源最不利位置的確定

姜學鵬，張　鵬，張劍高，何　超，于年灝

(1.武漢科技大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢　430081; 2.建筑消防工程技術公安部重點實驗室， 天津　300381)

橫通道是指2條單線隧道之間設置的互為連通、用來疏散旅客的通道。火災發(fā)生后，人員經(jīng)火區(qū)附近橫通道快速疏散至非事故隧道進行避難[1-2]。為防止煙氣侵入橫通道，需對橫通道進行送風，使橫通道防護門處保持不小于2 m·s-1[3]的風速，其中恰好能抑制煙氣侵入橫通道的風速稱為橫通道臨界風速[4]。

采用火源與橫通道洞口之間的距離表示火源位置。火源位置對橫通道的防煙控制有較大影響，將煙氣最易侵入橫通道時的火源位置稱為橫通道附近火源最不利位置，此時橫通道臨界風速最大。因此在研究橫通道臨界風速時，需要先確定橫通道附近火源的最不利位置。Kim等[5]將火源設置在橫通道洞口處，以驗證韓國Sol-An鐵路隧道通風系統(tǒng)的可靠性；Hou[6]將火源設置于橫通道上游2 m處，對某地鐵隧道橫通道防煙效果進行研究；李穎臻[7]將火源設于橫通道上游1.5 m，通過1/20的縮尺模型試驗建立了橫通道臨界風速計算模型。上述研究多認為火源最不利位置在橫通道附近，但均未對火源最不利位置給予明確的設置依據(jù)。

本文擬通過量綱分析建立橫通道附近火源最不利位置與相關參數(shù)的關系式，采用1∶20縮尺寸模型試驗研究相關參數(shù)對橫通道附近火源最不利位置的影響，進而明確無量綱火源最不利位置與隧道縱向風速、火源功率之間的關系，最終得到橫通道附近火源最不利位置的無量綱計算公式。

1　量綱分析

隧道橫通道附近火源最不利位置L的主要影響因素[8]有：火源功率Q、隧道縱向風速vt、送入空氣密度ρ0、送入空氣定壓比熱Cp、送入空氣溫度T0、重力加速度g、隧道高度H、橫通道防護門高度Hd、防護門寬度W。考慮到在實際隧道中橫通道防護門尺寸多為2.2 m×2.2 m[9]，因此防護門的門高Hd、門寬W可以忽略。根據(jù)量綱分析的π定理[10]有

f(L,Q,vt,ρ0,Cp,T0,g,H)=0

(1)

[M]，[t]，[L]，[T]為4個基本量綱，上述8個物理量均可由基本量綱表示，因而選擇隧道縱向通風速度vt、送入空氣密度ρ0、送入空氣溫度T0、隧道高度H作為4個基礎物理量，則式(1)可變?yōu)?/p>

f(π1,π2,π3,π4)=0

(2)

其中

(3)

根據(jù)相似理論規(guī)則，式(2)可變?yōu)?/p>

(4)

其中的無量綱項為

(5)

則式(4)可簡化為

(6)

將式(6)寫成函數(shù)形式，即

(7)

式中：α，β和λ均為系數(shù)。

2　縮尺寸模型隧道火災試驗

2.1　試驗裝置

試驗模型依據(jù)Froude相似準則[11-13]搭建：長度相似比CL=1∶20；溫度相似比CT=1∶1；速度相似比Cv=(Lm/Lp)1/2；火源功率相似比CQ=(Lm/Lp)5/2，其中Lm為模型隧道長度，Lp為實體隧道長度。模型中：隧道的長×寬×高為10 000 mm×600 mm×415 mm，橫通道的長×寬×高為1 500 mm×300 mm×300 mm；隧道及橫通道的底板采用不銹鋼板制造，隧道側窗及頂板采用8 mm厚鋼化玻璃，橫通道的其余部分采用4 mm厚有機玻璃；火源置于橫通道上游；隧道的左、右側洞口及橫通道洞口均為敞開狀態(tài)，且隧道左側洞口與橫通道洞口為進風口；模型試驗裝置如圖1所示。

煙氣溫度采用φ1.0 mm K型熱電偶進行測量，其測點布置如圖2所示，即在橫通道防護門前后各50 mm處，分別設置2串電偶樹共14個測點，在防護門內(nèi)側橫通道頂壁下10 mm處布置9個測點，間距50 mm。試驗中各測點溫度取煙氣狀態(tài)穩(wěn)定時100 s內(nèi)的平均值。

圖1　模型試驗裝置

圖2　模型測點布置(單位：mm)

在火源上游隧道設置A-A風速測量斷面，用于測量隧道的縱向風速，在橫通道防護門處設B-B風速測面，用于測量防護門處的斷面風速，A-A斷面和B-B斷面上風速測點布置見圖2。風速采用6162型智能型高溫風速儀及L型皮托管+ PY301差壓變送器進行測量，其中高溫風速儀測試精度為±3%FS，變送器量程范圍0～50 Pa、精度為0.5%FS。試驗中B-B斷面上測點的風速取火災穩(wěn)態(tài)時60 s內(nèi)風速的平均值，A-A斷面上測點的風速取各測點風速的平均值。

2.2　工況設計

根據(jù)量綱分析結果，通過改變火源功率(A01—A09)和隧道縱向風速(B01—B06)，來確定無量綱火源最不利位置與各量綱之間的關系。設計15組試驗工況，詳見表1。

表1　火源位置的工況設計

2.3　火源最不利位置確定方法

當隧道有一定縱向風時，如果火源位于橫通道下游，則該橫通道處于煙氣回流區(qū)域，與火源位于橫通道上游時相比，由于煙氣層較高而更易控制煙氣的回流，由此可知，橫通道附近火源最不利位置在橫通道的上游。

通過不斷改變火源與橫通道洞口的距離L，并測得不同距離L時所對應的橫通道臨界風速，其中橫通道臨界風速最大的區(qū)域即為橫通道附近火源最不利位置。如圖3所示，隨著火源與橫通道距離的不斷增大，橫通道臨界風速會在一定范圍內(nèi)保持數(shù)值最大，則該距離范圍即為橫通道附近火源的最不利位置。

圖3　火源最不利位置示意圖

3　模型試驗結果分析

為便于與實際結合，下文分析的試驗數(shù)據(jù)都是將模型試驗數(shù)據(jù)通過相似準則轉換后的實體數(shù)據(jù)。

3.1　隧道縱向風速的影響分析

在火源功率為20 MW及其他參數(shù)不變的情況下，隧道縱向風速對橫通道附近火源最不利位置的影響見表2。

表2　不同隧道縱向風速下最不利情況時的火源位置

對表2中數(shù)據(jù)分別進行擬合得到2條擬合曲線，如圖4所示。由圖4可知：橫通道附近火源最不利位置的最大值Lmax為2段曲線，其中當隧道縱向風速在1.0～2.5 m·s-1范圍時，Lmax隨縱向風速呈現(xiàn)出0.8次方增長趨勢，該段曲線的相關系數(shù)為0.992 8；當隧道風速超過2.5 m·s-1時，Lmax基本保持在20 m左右，表明隨著縱向風速增大到一定程度后，Lmax不再隨著縱向風速的變化而變化；不同縱向風速下，橫通道附近火源最不利位置的最小值Lmin基本保持不變，說明縱向風速對最小值Lmin基本無影響。由此可知，隨著縱向風速的增大，橫通道附近火源最不利位置的范圍先增大后保持不變。這是由于縱向風速對火焰偏轉角[14]作用的結果，火焰偏轉角如圖5所示。由圖5可知：當縱向風速較小時，火焰偏轉角隨風速的增大而不斷減小，導致了火焰直接作用的火區(qū)范圍不斷增大，從而使火源最不利位置范圍也隨之增大；當縱向風速增大到一定值的時候，火焰偏轉角度近似為0°，火焰平行于地面燃燒，火羽流直接作用的火區(qū)范圍基本不變，從而火源最不利位置范圍也保持不變。

圖4　不同隧道縱向風速下最不利情況時的火源位置

圖5　火焰偏轉角示意圖

3.2　火源功率的影響分析

在隧道縱向風速為臨界風速2.63 m·s-1(根據(jù)Wu[15]的公式計算火源功率為20 MW時所得)及其他參數(shù)不變的情況下，火源功率對橫通道附近火源最不利位置的影響見表3。

表3　不同火源功率下最不利情況時的火源位置

對表3中數(shù)據(jù)進行擬合得到2條擬合曲線，如圖6所示。由圖6可知：在隧道縱向風速保持不變的情況下，不同火源功率下橫通道附近火源的最不利位置范圍基本不變，其中，Lmax保持在20 m左右，Lmin保持在7 m左右，表明火源功率對最不利位置基本無影響。這是由于在隧道縱向風速不變情況下，火焰偏轉角基本保持不變，火羽流直接作用的火區(qū)范圍不變，進而使不同火源功率下橫通道附近火源最不利位置范圍也保持不變。

圖6　不同火源功率下最不利情況時的火源位置

3.3　無量綱公式確定

根據(jù)式(7)和模型試驗數(shù)據(jù)，可得橫通道附近火源最不利位置最大值Lmax、最小值Lmin的無量綱公式為

(8)

圖7　最不利情況時的火源位置模型試驗結果

由圖7可知λ=6.907，將其帶入式(8)，可得橫通道附近火源最不利位置區(qū)域范圍的無量綱公式為

表4　無量綱最不利情況時火源位置表

(9)

4　結　論

(2)隨著火源功率增大，橫通道附近火源最不利位置范圍的最大值Lmax和Lmin均基本沒有發(fā)生改變，表明火源功率對最不利位置沒有影響。

(3)根據(jù)量綱分析π定理，推導出橫通道附近火源最不利位置的無量綱關系式；通過對模型試驗數(shù)據(jù)進行擬合，明確了無量綱火源最不利位置與各量綱之間的關系，進而得到了橫通道附近火源最不利位置的無量綱計算公式。

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