夏正文,劉曉陽,張麗莉

(1.安徽省黃山市公安消防支隊,安徽黃山,245011;2.北京工業(yè)大學,北京,100124)

縱向通風條件下隧道坡度對火災煙氣流動影響的實驗研究

夏正文1,劉曉陽2,張麗莉2

(1.安徽省黃山市公安消防支隊,安徽黃山,245011;2.北京工業(yè)大學,北京,100124)

縱向通風是隧道煙氣控制的常用手段之一,若風速足夠大,煙氣會保證向一個方向蔓延,達到縱向排煙的目的,但同時過大的風速可能會破壞煙氣層結(jié)構(gòu),造成煙氣層紊亂,危害到地面附近疏散的人群。因此隧道排煙的策略應是在保證煙氣層維持一定時間分層的前提下合理排煙。在實際中,很多隧道都是存在坡度的,這就可能產(chǎn)生煙囪效應,導致傾斜隧道內(nèi)煙氣的擴散速度會與水平隧道不同,進而影響到縱向通風排煙策略。本文采用比例模型的實驗方法,對不同坡度及縱向通風風速條件下隧道內(nèi)火災煙氣流動規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明,隧道坡度越大冷空氣卷吸越強烈,煙氣降溫越快,煙氣沉降速度也越快。同時初步得到了本實驗條件下的煙氣分層化臨界風速,并與理論分析結(jié)果吻合得較好,為研究煙氣的運動情況和人員疏散方案提供重要參考依據(jù)。

隧道火災;縱向通風;坡度;煙氣運動;煙囪效應

0 引言

隨著我國交通業(yè)的快速發(fā)展,交通隧道的建設(shè)也越來越快。據(jù)統(tǒng)計,2000年整個歐洲地區(qū)交通隧道網(wǎng)絡總長超過10000km;我國在第二次全國公路普查中,縣級以上公路隧道建設(shè)總長將近550km。然而隨著隧道的快速發(fā)展,隧道中突顯出的火災問題也不容忽視。大量的火災實例也表明,最危險的因素并不是火源點及其燃燒產(chǎn)生的高溫,而是火災本身燃燒產(chǎn)生的煙氣。據(jù)英國、日本的火災統(tǒng)計資料顯示,在火災發(fā)生導致死亡的人數(shù)中,因煙氣死亡所占的比例高達78.9%[1-3]。同時,煙氣也降低了隧道內(nèi)的能見度,給消防人員對火災撲救制造了很大困難。

長期以來,實驗研究一直是隧道火災領(lǐng)域中的重要研究手段之一。針對火災時期的隧道通風狀態(tài)及煙流控制等問題,國外做了大量的隧道火災實驗研究。如奧地利于1974-1975年間在廢棄的隧道內(nèi)進行的火災實驗,發(fā)現(xiàn)了不同通風方式對油料燃燒速度以及煙氣流向和溫度有較大影響;德國于1985年在蓋爾森基興到稗斯麥市的地鐵隧道內(nèi)進行了火災實驗,得出在不同通風方式和火災載荷條件下,溫度與火災持續(xù)時間的關(guān)系;80年代至90年代,以德國為主的西歐八個國家共同出資進行交通隧道防火問題的專門研究,在隧道中對地鐵車輛、鐵路客車進行了燃燒實驗,探討隧道發(fā)生火災的原因、火災燃燒過程及救援防治措施;1990-1993年間的西歐九國聯(lián)合實驗分別在德國、芬蘭和挪威的隧道中進行,測試了整個隧道內(nèi)溫度、熱傳導、煙氣流量、煙氣濃度及其對能見度的影響。這些實驗為火災模式下的公路隧道通風系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供了重要的數(shù)據(jù)和有價值的參考[4-8]。與國外相比,國內(nèi)不僅開展的研究項目較少,而且也不成系統(tǒng),急待研究解決。但近年來,國內(nèi)也越來越關(guān)注如何保障隧道的安全運營,并已對隧道的防火救災體系進行了幾次火災實驗研究,公路(地鐵)隧道方面,開展的隧道火災研究項目主要有:2001-2004年,西南交通大學針對目前國內(nèi)最長的公路隧道-秦嶺終南山特長公路隧道開展的系統(tǒng)的防災救援技術(shù)研究(《秦嶺終南山特長公路隧道防災救援技術(shù)研究》)。該項目通過大比例火災模型實驗,對長大公路隧道內(nèi)火災規(guī)律、豎井模型下的火災通風技術(shù)、緊急逃生策略等進行了深入的研究。另外,中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室與云南省公安總隊在云南省的一些高速公路隧道(昆石高速公路陽宗隧道、元墨高速公路大風埡口隧道和玉元高速公路的元江1#隧道)內(nèi)進行了全尺寸火災實驗,對隧道火災的火源熱釋放率、煙氣溫度分布及煙氣運動規(guī)律等進行了深度的實驗研究。通過這些實驗研究在隧道火災方面取得了一定的成果,為提高隧道的安全運營發(fā)揮了積極的作用[9]。但是,具體在縱向通風下城市交通隧道坡度對火災時煙氣流動特性以及溫度場的變化成果不夠系統(tǒng),尚不能滿足隧道防火安全方案的設(shè)計與制定的需要。

目前縱向通風技術(shù)已廣泛應用于隧道火災排煙設(shè)計。它是利用機械設(shè)備(如射流風機)使隧道中的風流方向沿著隧道縱向流動的一種通風技術(shù)。我國的相關(guān)規(guī)范中對于隧道火災的排煙設(shè)計規(guī)定較為簡單,只對火災時通風所應滿足的最小風速有明確規(guī)定,并沒有考慮火源下游人員的疏散問題。因此,為了使下游人員也可安全逃生,必須使火源下游的煙氣分層化,使煙氣層維持在一定高度之上。而在排煙風速設(shè)計規(guī)范中尚沒有相關(guān)的指導或說明,所以防火設(shè)計中通風方案的制定往往不清楚是否需要考慮煙氣層分層化的最大通風風速。另一方面,隧道坡度對煙氣的擴散的影響也至關(guān)重要。尤其是比較長的傾斜隧道,由于坡度而產(chǎn)生的高度差可達十幾米甚至幾十米,熱煙氣所產(chǎn)生的煙囪效應將尤為突出,不能簡單套用一般交通隧道的防火設(shè)計要求。但坡度對隧道火災煙氣運動的影響到底有多大,國內(nèi)外目前還未作系統(tǒng)研究,無詳細的數(shù)據(jù)對比分析。針對以上問題,本文主要利用比例模型實驗臺,研究了縱向通風對傾斜隧道火災煙氣擴散速度以及煙氣層豎向分布的影響,并通過實驗與分析得出了煙氣分層化的臨界風速值。

1 物理模型及實驗參數(shù)

1.1 比例模型隧道簡介

該試驗臺全長72m,其中縱向通風風機段長6m。試驗臺一端安裝集煙罩。試驗段長66m,由11個長6米的單元連接而成,編號為l到11。試驗段采用鋼結(jié)構(gòu)框架作為骨架,頂部及側(cè)壁均由防火玻璃作為圍護材料,以便于觀察煙氣流動形態(tài)。隧道試驗臺的橫段面為矩形,寬1.5m,高1.3m,下部的支撐鋼結(jié)構(gòu)框架高0.8m,如圖所示。

圖1 隧道火災實驗臺實物圖Fig.1 Bench-scale tunnel fire test system

圖2 隧道火災實驗臺實驗段結(jié)構(gòu)與通風排煙位置Fig.2 Test section structure and ventilated exhaust position of tunnel fire test bench

本實驗選的是3%和5%兩種坡度及0坡度,根據(jù)坡度計算的公式h/L得:

坡度為5%時,實驗段長6m,在實驗段末端需要墊高0.3m,即 h=0.3m,如圖

圖3 坡度為5%時實驗段剖面Fig.3 Test section with slope of 5%

坡度為3%時,實驗段長6m,將實驗段末端墊高0.18m,即 h=0.18m,如圖4所示。

圖4 坡度為3%時實驗段剖面Fig.4 Test section with slope of 3%

1.2 火源功率的設(shè)定

大部分實驗關(guān)注的重點是火災穩(wěn)定階段的流場,因此實驗中需要采用穩(wěn)定、可控的火源系統(tǒng)。實驗中各工況均采用液化氣作為燃料,其優(yōu)點是火源功率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)方便,燃燒產(chǎn)物清潔。火源系統(tǒng)由燃氣罐、氣壓計、流量計、多孔燃燒器組成。通過調(diào)節(jié)燃氣流量及氣壓,可以模擬不同功率的火源,并且可以使火源功率在實驗過程中保持穩(wěn)定。在實驗中采用 0.3m×0.3m的多孔燃燒器,火源功率為60kW。

圖5 穩(wěn)壓流量計Fig.5 Regulator flowmeter

圖6 多孔燃燒器Fig.6 Porous burner

1.3 測點的布置

(1)頂棚熱電偶串距頂棚3cm,共24個,0m～1.8m之間間隔0.2m,共10個,1.8m～6m之間間隔 0.3m,共 14 個;

(2)熱電偶串距隧道地面20cm,間距8cm,共8個,總高76cm,布置4個,沿隧道縱向位置布置在1m,2.2m,3.4m,5.8m處。如圖

圖7 測點位置Fig.7 Measurement position

圖8 距離火源不同位置的瞬時速度Fig.8 Instantaneous velocity of smoke arrival from the fire to specified distances

2 實驗結(jié)果分析

2.1 風速及坡度對煙氣擴散速度的影響

在隧道火災中,由于隧道狹長,空間相對密閉,如果不將火災所產(chǎn)生的煙氣以及有毒氣體及時排走,勢必會對隧道中的人產(chǎn)生危害,那么縱向通風對煙氣流動的控制就顯得格外重要。

實驗中通過熱電偶采集到的溫度變化,得到了不同通風風速與坡度條件下煙氣縱向擴散速度的變化。表1為測試點到火源距離與煙氣到達該點時間的關(guān)系。

利用Origin軟件擬合出煙氣離火源距離與到達該處的時間函數(shù)關(guān)系,將其微分,可求出瞬時速度。函數(shù)關(guān)系如表2。

所求瞬時速度如表3。

表1 煙氣到達離火源一定距離所需時間(s)Table 1 The required time of smoke arrival from the fire to specified distances(s)

表2 擬合公式Table 2 Fitting formulae

0.6 0% 0.9 9 9 Y=0.4 9 9+0.2 1 9 X+0.0 0 3 X 2 0.9 0% 0.9 9 9 Y=0.4 9 9+0.2 1 9 X+0.0 0 3 X 2 1.2 0% 0.9 9 9 Y=0.4 9 9+0.2 1 9 X+0.0 0 3 X 2

表3 煙氣到達固定點的瞬時速度Table 3 Instantaneous velocities of smoke at specified points

根據(jù)表3做出離火源距離與煙氣瞬時速度的關(guān)系圖如圖8所示。

圖9 N-百分比法判斷煙氣層界面Fig.9 Judgment of flue gas layer interface by using N-percentage method

由圖8可知在縱向通風風速不大于0.3m/s時,煙氣在坡度為5%的隧道內(nèi)各點的瞬時擴散速度比3%的要快得多。而縱向煙控風速大于0.6m/s時,風速對煙氣瞬時擴散速度起主導作用,煙氣縱向速度發(fā)生紊亂,沒有一定的規(guī)律,與坡度基本無關(guān)。其原因是在無煙控情況下,坡度越大浮升力越大,從而產(chǎn)生的縱向的擴散速度越大?？v向煙控速度較大時,煙氣縱向速度發(fā)生紊亂,如圖8所示。煙氣與坡度基本沒有關(guān)系。

2.2 風速及坡度對煙氣層沉降的影響

縱向風速對煙氣層沉降有重要影響,如果速度過大,會造成渦流,影響火場下風向的煙氣層,使煙氣層發(fā)生紊亂,從而給火場下游的人員疏散及救援工作帶來極大的困難。

2.2.1 煙氣層的確定方法

火災實驗中,雖然煙氣往往在隧道頂部聚集形成煙氣層,但是頂部煙氣層與下部空氣層之間的界面并不是一個清晰的平面,本次利用實驗測得的溫度數(shù)據(jù),采用N-百分比法[10,11]來近似確定其位置。

N-百分比法認為:如果某點相對于室內(nèi)初始溫度的溫升超過該點所在豎直方向上最大溫升的N%,便認為該點處于煙氣層中,如圖9所示。這種方法得到的煙氣層界面位置與N取值有關(guān),N越大,煙氣層界面位置則偏高,反之則偏低。對于豎直方向溫度梯度很大的溫度分布,N取不同的值對煙氣層界面位置的影響較小;而對于豎直方向溫度梯度不大的溫度分布,N取不同的值對煙氣層界面位置的影響較大。在小尺寸隧道火災實驗中,考慮到隧道內(nèi)能達到的最高溫升和溫度采集系統(tǒng)的精度,取N為20。

2.2.2 無煙控或小風速時,煙氣層沉降情況

根據(jù)N-百分比法計算出無煙控和0.3m/s時的煙氣層分布,結(jié)果如圖10所示。

圖10 無煙控和小風速時距火源3.4m處的煙氣層分布曲線圖Fig.10 The fuel gas layer distribution height at 3.4 m aw ay fromfire with no smoke control and small wind speed

從圖10中還可看出,這兩種條件下煙氣層均維持在0.5m以上,形成較為理想的分層結(jié)構(gòu),并向下游穩(wěn)定流動。煙控速度不超過0.3m/s時坡度越大煙氣沉降速度越快。這可能是因為坡度越大煙氣所受到的浮升力越大,冷空氣的卷吸能力越強,因此煙氣降溫越快,煙氣沉降速度也越快。在圖中還可以看到煙氣在初期的30s內(nèi)沉降速度比較快,30s后沉降速度漸緩,最終煙氣都下降至0.7m以下。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因,可能是起初蔓延的煙氣溫度比其周圍空氣溫度要高得多,冷空氣卷吸熱煙氣劇烈;而隨著時間的推移,周圍的冷空氣與熱煙氣換熱后,溫度逐漸上升,冷空氣卷吸能力下降,因此煙氣沉降速度先快后慢。

圖11 坡度為3%時煙氣層高度Fig.11 The smoke layer height with slope of 3%

Fig.12 The smoke layer height with slope of 5%

圖13 不同坡度及通風速度下距火源3.4m處煙氣層分布曲線圖Fig.13 The fuel gas layer distribution height at 3.4m aw ay from fire under different slope degrees and ventilation speeds

2.2.3 隧道縱向通風風速較大時,煙氣層分布情況

本實驗中通風風速超過0.6m/s煙氣分層就發(fā)生紊亂,如圖13、圖14所示。

圖14 風速為0.6時煙氣層變化情況Fig.14 Fuel gas layer at the speed of 0.6 m/s

實驗發(fā)現(xiàn)當煙控速度不超過0.6m/s時,隧道坡度對煙氣層沉降的影響超過風速對其的影響。但當煙控速度大于0.6m/s時,風速對煙氣層沉降的影響要遠大于坡度對其的影響,此時坡度的影響可忽略不計。原因是在火源功率不大或存在較大流速邊界條件的情況下,煙氣的溫度不高,和空氣的混合程度加強,煙氣容易發(fā)生彌散性沉降[12],進而煙氣層沉降發(fā)生紊亂。因此煙控風速不宜過大,這樣對煙氣層分布不利。由結(jié)果分析本實驗條件下的煙控速度臨界值不宜超過0.6m/s。

2.3 煙氣分層化臨界速度的理論驗證

根據(jù)分層流界面不穩(wěn)定性理論[13,14],選擇Richardson無量綱準則數(shù)作為判定煙氣層穩(wěn)定性的標準。推導不同火災條件下能夠維持煙氣層穩(wěn)定的射流風機出口臨界速度。

也就得到煙氣層與下部空氣層之間的速度差需滿足:

式中,g為重力加速度,Δ ρ為煙氣層與下層空氣密度差,ρg為煙氣層密度,ΔU煙氣層與空氣層的速度差(空氣層速度為零,因此此值實際上為煙氣層速度),Zg為煙氣層厚度,當煙氣與空氣相對速度很小時,Fr很小,則煙氣分層。因此欲保證實驗中煙氣分層,靜止空氣層上部的煙氣層速度應滿足:

表4 空氣密度Table 4 Air density

利用內(nèi)插法求出環(huán)境平均 13℃時密度為1.2344,煙氣45℃時密度為1.1105,實驗中觀察煙氣層厚度為0.3m,此時對應的煙氣分層化臨界速度為0.59m/s。所以縱向煙控風速宜小于0.59m/s,與我們通過實驗得到的煙氣層分層化臨界風速應小于0.6m/s是吻合的。

3 結(jié)論

本文研究了不同坡度及風速隧道內(nèi)煙氣的流動規(guī)律,利用比例模型隧道對隧道內(nèi)火災煙氣流動進行了現(xiàn)場實驗與分析,從實驗結(jié)果總結(jié)出的規(guī)律對火災救援與人員疏散具有一定的指導意義,根據(jù)本文可得出以下結(jié)論:

(1)隧道坡度對煙氣的擴散具有重要影響。一般情況下,由于浮升力作用,煙氣的擴散速度會隨著坡度的增加而增加。但并非坡度越大對排煙越有利。通過本文中兩種坡度的實驗結(jié)果比較可知,坡度為5%比3%的煙氣沉降速度要快得多,這是因為坡度越大冷空氣卷吸越強烈,煙氣降溫越快,因此煙氣沉降速度越快。

(2)控制煙氣蔓延是目的就是為了使人員停留區(qū)域盡可能是無煙區(qū)。這就意味著必須保證煙氣分層化,從而使煙氣層下部空間保留干凈并可供呼吸的空氣。而通風速度過大,會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象,影響火場下風向的煙氣層,使煙氣層發(fā)生紊亂。而速度太小,將不會達到阻止煙氣向上游流動,從而失去通風意義。所以找到一個通風臨界值是至關(guān)重要的。而在本文中,理論分析所得到的臨界值與實驗數(shù)據(jù)所得到的吻合較好。這將對研究煙氣流動規(guī)律具有一定程度上的指導意義。

(3)需要注意的是,本實驗中得到的煙氣分層化臨界速度為0.59m/s,并不適用于其它實驗及實際情況,因為小尺寸實驗結(jié)果的實際應用還需要考慮到相似性問題,這也將是我們下一步的研究重點。

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Experimental study on the effect of longitudinal ventilation and gradient on smoke movement in tunnels

XIA Zheng-wen1,LIU Xiao-yang2,ZHANG Li-li3

(1.Anhui Huang shan general Fire Brigade China,Anhui,245011,China;2.Beijing University of Technology,civil engineering,100124,China)

Vertical ventilation is the common means of tunnel smoke control.When the wind is large enough,the wind will make the smoke spread in one direction,so as to achieve longitudinal smoke evacuation.However,if the wind speed is too large,the smoke structure may be destroyed,and the smoke turbulence may endanger the human evacuation.Therefore the smoke stratification should maintain a reasonable time period.Many practical tunnels involve slope,which may produce the so-called"smoke stack effect".This paper uses bench-scale models to conduct experiments,in order to examine the slope and vertical ventilation under fire smoke.The results indicate that when the slope is increased,the air entrainment will be more significant,with more rapid smoke temperature decrease and smoke settlement.The experimental results agree well with the theoretical analysis.

Tunnel fire hazard;Longitudinal ventilation;Slope;Smoke movement;Stack effect

X93

A

1004-5309(2011)-0152-09

2010-04-04;修改日期:2011-05-19

國家自然科學基金項目“城市交通隧道火災羽流特性及安全評估研究”(項目編號:50878012)

夏正文(1967-)男,安徽黃山人,學士,安徽黃山市公安消防支隊高級工程師,主要從事建筑防火研究工作。