抽出式通風(fēng)機數(shù)量對地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)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(shè)計院有限公司,天津 300133;2.天津市隧道設(shè)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(zāi)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(fēng)排煙是隧道防災(zāi)減災(zāi)的支撐，而系統(tǒng)性能是支撐中的關(guān)鍵[3-4]。

圍繞隧道通風(fēng)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(chǔ)上，Lugin等[8]提出具有高效、經(jīng)濟特點的雙線隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)。圍繞自然通風(fēng)，Li等[9]、Goswami等[10]推導(dǎo)自然通風(fēng)下熱壓預(yù)測方程。然而，量化熱壓力對地下機械通風(fēng)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(fēng)速對兩端縱向通風(fēng)的影響。應(yīng)用數(shù)值模擬方法，吳妍等[12]得出風(fēng)井的位置、數(shù)量和組合對自然通風(fēng)性能的定量影響。在自然通風(fēng)條件下，Liu等[13]預(yù)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(zāi)放熱率相對增量模型。抑制與控制熱災(zāi)害是隧道通風(fēng)的難點之一，基于隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)，張培紅等[15]、Tian等[16]開展噴細(xì)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(fēng)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(jié)論及其所涉及的方法來看，地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)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(fēng)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(fēng)速和排煙道風(fēng)速的實時測定。進(jìn)一步探討抽出式通風(fēng)機及其數(shù)量對功耗、靜壓和風(fēng)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(dǎo)致的評價不明確問題，提出1個新的準(zhǔn)則——通風(fēng)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(fēng)機組合——2通風(fēng)機的雙壓零抽通風(fēng)排煙系統(tǒng)。

1 工程原型與實驗?zāi)Ｐ?/h2>

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(yīng)用相似原理、量綱分析和尼古拉茲自模區(qū)效應(yīng)設(shè)計實驗?zāi)Ｐ停唲t如下：

1)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fēng)效應(yīng)等多種力，采用軸流通風(fēng)機等效進(jìn)行模擬，滿足動力相似性的要求。

3)使模型流動進(jìn)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(shè)置有“吊頂排煙口”。“吊頂排煙口”是排煙道與行車道的貫通裝置，來自雙側(cè)行車道的氣流，流經(jīng)該吊頂排煙口后經(jīng)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(cè)的，稱之為右行車道，左側(cè)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(fēng)機及風(fēng)井”，直連該風(fēng)井的2#通風(fēng)機為壓入式軸流通風(fēng)機，該通風(fēng)機的額定功率為11 kW。1#通風(fēng)機與2#通風(fēng)機型號相同。

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

2 通風(fēng)機組合及其功耗與流動參數(shù)

2.1 3種組合的通風(fēng)機頻率與功耗

3種通風(fēng)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(fēng)機頻率與功耗的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 雙壓零抽組合的2臺通風(fēng)機頻率與功耗

2#通風(fēng)機的起始輸入頻率為7.8 Hz，對應(yīng)的功耗為71 W；輸入頻率步進(jìn)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(yīng)的功耗為1 043 W；在此工況下，1#通風(fēng)機的功耗為709 W，其輸入的頻率為19.9 Hz。從1#通風(fēng)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(yīng)的1#通風(fēng)機功耗為35 W。2#與1#通風(fēng)機之間同頻率下的功耗差異表明，即使通風(fēng)機型號相同，乃至為同一臺通風(fēng)機，應(yīng)用頻率比與功耗比之間的等比線性關(guān)系，存在顯著的理論誤差，并舉證了變頻調(diào)節(jié)理論的非等比變化律[18-19]。

1、從農(nóng)業(yè)機械維修的技術(shù)方面，無維修設(shè)計是其理想的目標(biāo)，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(shè)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(shè)計只能是在一定范圍內(nèi)的。這就對農(nóng)業(yè)機械的故障診斷技術(shù)及維修技術(shù)提出了更深更廣的要求。以前由于農(nóng)業(yè)機械基本是由各級國營農(nóng)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(yù)防維修制，即按一定的時間周期進(jìn)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(fēng)機輸入頻率與功耗之間的關(guān)系，受到變頻調(diào)節(jié)百分比的影響，更受到所服務(wù)管網(wǎng)阻力特性的影響。雙壓零抽的2通風(fēng)機組合可以克服流動阻力，亦可以采用雙壓一抽的3通風(fēng)機組合，或者雙壓二抽的4通風(fēng)機組合。雙壓一抽3通風(fēng)機組合頻率與功耗對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。雙壓二抽4通風(fēng)機組合頻率與功耗對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖3 雙壓一抽三通風(fēng)機組合頻率與功耗

圖4 雙壓二抽四通風(fēng)機組合頻率與功耗

結(jié)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(fēng)機、雙壓二抽中的4#通風(fēng)機和雙壓二抽中的3#通風(fēng)機功耗不相等，且三者依次降低。這表明，功耗主要受到通風(fēng)機所服務(wù)管網(wǎng)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(fēng)機組合下測定的左右兩側(cè)行車道靜壓，如圖5所示。在圖5中，橫軸均為通風(fēng)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(fēng)機功耗的算術(shù)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(cè)行車道靜壓

對于雙壓零抽而言，隨著功耗增加，雙側(cè)行車道靜壓變大且雙側(cè)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(yīng)，類似于通風(fēng)排煙系統(tǒng)中的吊頂排煙口。

為探究在3種通風(fēng)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(cè)行車道的風(fēng)速上，測定3種通風(fēng)機組合下左右兩側(cè)行車道風(fēng)速，如圖6所示。對于右側(cè)行車道風(fēng)速而言，2通風(fēng)機組合的雙壓零抽、3通風(fēng)機組合的雙壓一抽和4通風(fēng)機組合雙壓二抽，對應(yīng)的數(shù)值依次為0.48，0.72，0.73 m/s，左側(cè)依次為1.30，1.67，1.89 m/s，3種通風(fēng)機組合下的左側(cè)風(fēng)速均依次大于右側(cè)。從雙壓零抽的組合來看，雖然2#，1#通風(fēng)機為壓入式通風(fēng)機的對稱布設(shè)，但是行車道風(fēng)速為明顯的偏置分布。

圖6 測定的左右兩側(cè)行車道風(fēng)速

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

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

3 排煙道風(fēng)速、排風(fēng)量與系統(tǒng)性能系數(shù)

3.1 通風(fēng)機組合對排煙道風(fēng)速的影響

3種通風(fēng)機組合下測定的左右2邊排煙道風(fēng)速，如圖7所示。雙壓二抽組合功耗為299 W時，左排煙道風(fēng)速為2.72 m/s，右排煙道風(fēng)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(fēng)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(fēng)速

3.2 新指標(biāo)——通風(fēng)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(fēng)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(fēng)機或通過風(fēng)井排出的風(fēng)量之和，如式(1)所示：

(1)

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

為量化不同通風(fēng)機組合對通風(fēng)排煙的影響，等效于風(fēng)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(fēng)機及其組合功耗，W；Nk為通風(fēng)機組合功耗中的某一通風(fēng)機功耗，W；k為從1到s的序列數(shù)。

3.3 抽出式通風(fēng)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(fēng)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(fēng)速和通風(fēng)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(yīng)公式，即得3種通風(fēng)機組合的功耗與通風(fēng)排煙系統(tǒng)性能系數(shù)的關(guān)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(guān)系，可表達(dá)為二次多項式；這表明，性能系數(shù)直接受到通風(fēng)機組合功耗的影響，且二者關(guān)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(fēng)機組合功耗之間的量化關(guān)系。

圖8 功耗與通風(fēng)排煙系統(tǒng)性能系數(shù)的關(guān)系

在相同通風(fēng)機組合功耗下，分別得到3種通風(fēng)機組合的性能系數(shù)；進(jìn)行3個性能系數(shù)的算術(shù)平均，即得預(yù)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(yù)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(jié)論

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

2)在行車道內(nèi)，受到2臺抽出式通風(fēng)機的動力作用，雙壓二抽的風(fēng)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(fēng)機的作用下，雙壓一抽的風(fēng)速為近對稱分布，而雙壓零抽的風(fēng)速為偏置分布。

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