摘要：

多分支隧道的排煙與補(bǔ)風(fēng)路徑較多，熱壓與風(fēng)機(jī)動(dòng)力的競(jìng)爭(zhēng)可能造成其通風(fēng)排煙模式具有多解性。針對(duì)某一多分支隧道的防排煙工況，利用理論分析建立了各種氣流模式的控制方程，通過數(shù)學(xué)方法獲得了理論解。結(jié)果證明，在按照預(yù)期設(shè)計(jì)選定通風(fēng)排煙模式與風(fēng)機(jī)以后，多分支隧道內(nèi)的排煙氣流仍然可能存在多種狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)也會(huì)隨之漂移，導(dǎo)致排煙方向可能與設(shè)計(jì)預(yù)期完全相反。研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變風(fēng)機(jī)選型能起到抑制排煙氣流出現(xiàn)多解的作用。

關(guān)鍵詞：

多分支隧道；通風(fēng)；風(fēng)機(jī)性能曲線；火災(zāi)防控；多解性

中圖分類號(hào)：

TU96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2015）01000106

為了改善城市交通擁堵問題，城市地下空間被廣泛利用，隨之出現(xiàn)了多種形式的地下交通隧道，如地下快速通道、城市地下交通聯(lián)系隧道與地鐵區(qū)間隧道等。由于功能的需要，新建與擬建的城市交通隧道呈現(xiàn)出體系龐大與分支較多的特點(diǎn)[12]；同時(shí)，這些交通隧道往往存在多條匝道與地面連接，匝道的首尾具有高差，容易產(chǎn)生熱壓。該類多分支隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給其火災(zāi)時(shí)的防排煙氣流組織造成了難度。

隧道的防排煙問題一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]，其中縱向排煙被認(rèn)為是兼顧排煙效率與經(jīng)濟(jì)性的措施[46]。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)以城市地下交通聯(lián)系隧道為代表的多分支隧道投入了更多的關(guān)注。如，華高英[7]針對(duì)北京CBD地下交通聯(lián)系隧道進(jìn)行了不同火災(zāi)場(chǎng)景的煙氣控制模擬研究，姜學(xué)鵬等[8]研究了蘇州火車站地下交通聯(lián)系隧道的防排煙模式。上述研究表明，采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行分段補(bǔ)風(fēng)與排煙的模式可以較好地解決多分支隧道的防排煙氣流組織。但值得注意的是，隧道中風(fēng)機(jī)動(dòng)力與熱壓的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使流動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)多樣性，從而造成氣流路徑的不確定性。前人已經(jīng)對(duì)風(fēng)壓與熱壓相互競(jìng)爭(zhēng)下的建筑通風(fēng)氣流模式進(jìn)行了一定的研究。Li等[9]、Gladstone等[10]指出，熱壓和風(fēng)壓的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致自然通風(fēng)系統(tǒng)存在3個(gè)可能的理論解。Heiselberg等[11]對(duì)單室自然通風(fēng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和CFD模擬，證明了多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的存在性。Gong等[12]研究了兩個(gè)水平連接的建筑中由于相互競(jìng)爭(zhēng)的浮力引起的煙氣流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)浮力的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)導(dǎo)致多種流動(dòng)模式。Chenvidyakarn等[13]對(duì)雙豎井誘導(dǎo)的置換通風(fēng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)豎井高度不同時(shí)可能產(chǎn)生3種氣流狀態(tài)。該方面的研究還有王曉東等[14]、陽麗娜[15]等的工作。對(duì)于多分支隧道，氣流可選擇的路徑更多，因此其通風(fēng)與排煙的氣流組織可能具有更大的不確定性。特別是在軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系須滿足風(fēng)機(jī)特性曲線，這使得實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)可能沿著風(fēng)機(jī)特性曲線漂移，客觀上也造成了氣流不確定性的增強(qiáng)。

陽東，等：熱壓與風(fēng)機(jī)動(dòng)力共同作用下多分支隧道內(nèi)排煙氣流的多解性

排煙氣流的不確定性可能造成實(shí)際排煙方向與設(shè)計(jì)的人員疏散路徑發(fā)生交叉，進(jìn)而引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的擴(kuò)大。為了減輕或杜絕多分支隧道氣流的不確定性造成的危害，獲取可靠的通風(fēng)排煙手段，需要利用定量方法對(duì)氣流組織模式及流量分配情況進(jìn)行計(jì)算。筆者結(jié)合具體多分支隧道，利用理論分析的方法，研究了風(fēng)機(jī)動(dòng)力與熱壓競(jìng)爭(zhēng)時(shí)排煙氣流路徑的多解性，并對(duì)其抑制措施進(jìn)行了探討。

1隧道結(jié)構(gòu)及其通風(fēng)、排煙模式的選擇

11多分支隧道結(jié)構(gòu)

圖1為某多分支隧道結(jié)構(gòu)示意圖。隧道截面尺寸為8 m（寬）×435 m（高）。分支1、分支2和分支3的坡度均為4°。分支1是入口連接隧道，長(zhǎng)115 m，首尾高差是802 m；分支2 是出口連接隧道，總長(zhǎng)102 m，首尾高差是712 m；分支3由一段48 m主隧道和長(zhǎng)125 m的出口連接隧道組成，總長(zhǎng)173 m，其中出口連接隧道的首尾高差是872 m。分支5表示分支1底部與排風(fēng)口的距離，其長(zhǎng)度為205 m。分支4為與風(fēng)機(jī)房連接的排風(fēng)管道，排風(fēng)由軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

12通風(fēng)排煙模式的選擇

火災(zāi)規(guī)模限定為5 MW，其對(duì)應(yīng)一輛小型車輛的最大燃燒功率[16]?；馂?zāi)發(fā)生在分支1的底部（如圖1所示）。美國NFPA92B提出了受限空間中火災(zāi)產(chǎn)煙量的計(jì)算方法[17]。

M=0071E1/3z5/3+0001 8Ez>z1（1）

M=0032E3/5zz≤z1（2）

z1=0166E2/5（3）

式中：M為煙氣的質(zhì)量流率，kg/s；E為火源對(duì)流熱釋放速率，kW；根據(jù)PIARC的結(jié)果[18]，認(rèn)為對(duì)流熱釋放速率約為火源總熱釋放速率的70%；z為煙氣層高度，m；z1為平均火焰高度，m。

由此，可確定煙氣的體積流率

Ve=MTsρ0T0（4）

Ts=EMcp+T0（5）

式中：Ve為體積產(chǎn)煙量，m3/s；ρ0為空氣密度，取12 kg/m3；Ts為煙氣層平均溫度，K；cp為空氣比熱容，取101 kJ/（kg·k）；T0為環(huán)境溫度，取293 K。

將空氣和煙氣均視為理想氣體，則有

ρa(bǔ)Ta=ρiTi（6）

式中：ρa(bǔ)和Ta分別為空氣密度與室外溫度；ρi和Ti分別為各分支內(nèi)的氣體密度和溫度。

由式（1）與式（4）、（5）可得：Ve=293m3/s。為避免排煙方向（即圖2中箭頭所示方向）與車流方向（車流的入口與出口見圖2）相逆，理想的排煙與補(bǔ)風(fēng)路徑如圖2所示，即分支1、2、3補(bǔ)風(fēng)，煙氣由軸流風(fēng)機(jī)房（即分支4）排出。為保證煙氣不進(jìn)入分支1，需滿足兩個(gè)條件：分支1的補(bǔ)風(fēng)量Q1不小于產(chǎn)煙量Ve；分支5的補(bǔ)風(fēng)速度達(dá)到臨界風(fēng)速。根據(jù)Wu等[19]提出臨界風(fēng)速預(yù)測(cè)方法，取Q1=293 m3/s時(shí)可同時(shí)滿足上述約束條件。因此，以其為基準(zhǔn)計(jì)算各分支的風(fēng)量及所需風(fēng)機(jī)全壓Pw。在該排煙/補(bǔ)風(fēng)模式下，多分支隧道內(nèi)的氣流分配受如下方程組控制

式中：Qi（i=1，2，…，5）為各分支的氣體流量，m3/s；Pw為軸流風(fēng)機(jī)的全壓，Pa；E為火源的對(duì)流熱釋放速率，kW；cp為空氣的定壓比熱容，取101 kJ/（kg·K），si（i=1，2，…，5）為各分支的體積流量阻抗，kg/m7。

各分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)及阻力情況如表1所示，阻力系數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[20]。隧道壁面的沿程阻力系數(shù)取002；主風(fēng)道（含風(fēng)井）壁面的沿程阻力系數(shù)取0022；隧道入口損失系數(shù)取06；出口損失系數(shù)取10。

表1各分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)及阻力情況

Table 1The length and resistance coefficient of each branch

分支長(zhǎng)度/m局部阻力系數(shù)

情形1情形2情形3情形4情形5情形6

1115進(jìn)口+合流三通=11出口+分流三通=15出口=1出口+分流三通=15進(jìn)口=06進(jìn)口+合流三通=11

2102進(jìn)口+彎頭+合流三通=16進(jìn)口+彎頭=11進(jìn)口+彎頭+合流三通=16出口+彎頭+分流三通=2出口+彎頭+分流三通=2出口+彎頭=15

3173進(jìn)口+彎頭+合流三通=16進(jìn)口+彎頭+合流三通=16進(jìn)口+彎頭=11進(jìn)口+彎頭=11進(jìn)口+彎頭+合流三通=16進(jìn)口+彎頭=11

415出口=1出口=1出口+分流三通=15出口+分流三通=15出口=1出口+分流三通=15

5205合流三通=05分流三通+合流三通=1分流三通+合流三通=1分流三通=05分流三通+合流三通=1分流三通+合流三通=1

聯(lián)立式（7）～（14），利用非線性方程組的迭代求解算法，可得：Q2=25709 6，Q3=38842 1，Q4=103731 8，Q5=64889 7，Pw=133427 6 Pa。根據(jù)所需風(fēng)機(jī)總流量Q4與風(fēng)機(jī)全壓Pw，選取兩臺(tái)大流量高溫消防排煙軸流風(fēng)機(jī)NXT17No18A/24進(jìn)行并聯(lián)排煙。單臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)如表2所示，并聯(lián)后的特性曲線可表示為二次函數(shù)[21]：

p=-0138 98Q2+14858Q+28855（15）

風(fēng)機(jī)特性曲線與該多分支隧道的阻抗特性曲線如圖3所示。其中，A點(diǎn)為設(shè)計(jì)的防排煙模式所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)。

2氣流組織模式的多解性分析

值得注意的是，上文所述的防排煙模式（情形1）及其所對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)A僅為風(fēng)機(jī)開啟后隧道流場(chǎng)達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)之一，代表煙氣在發(fā)展過程中未能進(jìn)入到具有高差的隧道分支（如分支1、2）的情形。但是，煙氣在發(fā)展過程中有可能進(jìn)入到具有高差的隧道分支，引起熱壓與風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而造成流場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)的其他可能性。經(jīng)分析，分支4的軸流風(fēng)機(jī)開啟后，除了設(shè)計(jì)的防排煙模式（情形1）外，還可能出現(xiàn)另外5種氣流組織模式。

21各排煙模式的控制方程

1）情形1如圖2所示。將式（7）～（14）與風(fēng)機(jī)特性曲線方程（15）聯(lián)立后，可獲得設(shè)計(jì)的防排煙模式所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)及各分支的體積流量。

2）情形2如圖4所示。在該情形中，高溫?zé)煔膺M(jìn)入了具有高差的分支1，因此，熱壓對(duì)氣流組織造成影響。其控制方程為

Fig.3The impedance characteristic curve of the multibranch tunnel and the fan performance curve

（ρa(bǔ)-ρ1）gh1=s1Q21+s2Q22（16）

Pw=s2Q22+s5Q25+s4Q24（17）

Pw=s3Q23+s4Q24（18）

ρa(bǔ)Q2=ρ1（Q1+Q5）（19）

E=ρ1（Q1+Q5）cp（T1-Ta）（20）

ρa(bǔ)Q3+ρ1Q5=ρ4Q4（21）

ρa(bǔ)Ta=ρ1T1=ρ4T4（22）

ρa(bǔ)Q3cpTa+ρ1Q5cpT1=ρ4Q4cpT4（23）

圖4情形2的排煙、補(bǔ)風(fēng)路徑

Fig.4The smoke exhaust and air supply route of scenario 2

將式（16）～（23）與風(fēng)機(jī)特性曲線方程（15）聯(lián)立，可獲得情形2對(duì)應(yīng)的各分支的流量。

3）情形3如圖5所示，其控制方程為

（ρa(bǔ)-ρ1）gh1=s1Q21+s2Q22（24）

（ρa(bǔ)-ρ1）gh1=s1Q21+s3Q23+s5Q25（25）

Pw=s3Q23+s4Q24（26）

ρa(bǔ)Q3=ρa(bǔ)（Q4+Q5）（27）

E=ρ1Q1cp（T1-Ta）（28）

ρ1Q1=ρa(bǔ)Q5+ρa(bǔ)Q2（29）

ρa(bǔ)Ta=ρ1T1（30）

圖5情形3的排煙、補(bǔ)風(fēng)路徑

Fig.5The smoke exhaust and air supply route of scenario 3

4）情形4中如圖6所示，其控制方程為

（ρa(bǔ)-ρ1）gh1=s1Q21+s5Q25+s3Q23（31）

（ρa(bǔ)-ρ2）gh2=s2Q22+s3Q23+s5Q25（32）

Pw=s3Q23+s4Q24（33）

E=ρ1（Q1+Q2）cp（T1-Ta）（34）

ρa(bǔ)Q3=ρa(bǔ)（Q4+Q5）（35）

ρa(bǔ)Q5=ρ1（Q1+Q2）（36）

ρa(bǔ)Ta=ρ1T1（37）

ρ1=ρ2（38）

圖6情形4的排煙、補(bǔ)風(fēng)路徑

Fig.6The smoke exhaust and air supply route of scenario 4

5）情形5如圖7所示，其控制方程為

（ρa(bǔ)-ρ2）gh2=s1Q21+s2Q22（39）

Pw=s1Q21+s5Q25+s4Q24（40）

Pw=s3Q23+s4Q24（41）

ρa(bǔ)Q1=ρ2（Q2+Q5）（42）

E=ρ2（Q2+Q5）cp（T2-Ta）（43）

ρa(bǔ)Q3+ρ2Q5=ρ4Q4（44）

ρa(bǔ)Ta=ρ2T2=ρ4T4（45）

ρa(bǔ)Q3cpTa+ρ2Q5cpT2=ρ4Q4cpT4（46）

圖7情形5的排煙、補(bǔ)風(fēng)路徑

Fig.7The smoke exhaust and air supply route of scenario 5

6）情形6中如圖8所示，其控制方程為

（ρa(bǔ)-ρ2）gh2=s1Q21+s2Q22（47）

（ρa(bǔ)-ρ2）gh2=s2Q22+s3Q23+s5Q25（48）

Pw=s3Q23+s4Q24（49）

ρa(bǔ)Q3=ρa(bǔ)（Q4+Q5）（50）

E=ρ2Q2cp（T2-Ta）（51）

ρ2Q2=ρa(bǔ)Q5+ρa(bǔ)Q1（52）

ρa(bǔ)Ta=ρ2T2（53）

22求解結(jié)果及分析

通過數(shù)值迭代方法對(duì)各情形的流量分配進(jìn)行求解，所得的結(jié)果如表3所示。當(dāng)流量為負(fù)時(shí)，代表流向與假定流向相反，此時(shí)解不存在。情形1、情形2、情形4與情形5存在解，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)如表3所示。

由此可見，將選定的風(fēng)機(jī)開啟以后，多分支隧道內(nèi)的氣流組織模式存在多解性，這導(dǎo)致實(shí)際氣流路徑可能與設(shè)計(jì)氣流路徑不同。其中，情形2和情形4中煙氣流向與車行方向相逆，是應(yīng)當(dāng)避免的氣流組織模式。

為此，討論風(fēng)機(jī)選型對(duì)氣流組織模式不確定性的影響。若采用2臺(tái)NXT17No18A/36軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行并聯(lián)排煙（風(fēng)機(jī)的參數(shù)見表2），其特性曲線可表示為：

p=-0100 44Q2+18845Q-10466（54）

將式（54）分別與情形1至情形6的控制方程組聯(lián)立求解，發(fā)現(xiàn)只有情形1的解存在，其結(jié)果為：Q1=4745，Q2=4160，Q3=6172，Q4=16062，Q12=9890，Pw=33093。這說明改變軸流風(fēng)機(jī)的選型可以有效抑制排煙氣流組織的不確定性。

3結(jié)論

排煙氣流的不確定性是在防排煙設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免的問題。在多分支隧道中，結(jié)構(gòu)的高差引起的熱壓與風(fēng)機(jī)動(dòng)力可能形成競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而造成氣流路徑及流量的多解性及不確定性。鑒于排煙氣流不確定性對(duì)人員疏散與消防救援造成的威脅，對(duì)其影響因素應(yīng)予以充分重視。隧道分支的數(shù)量、熱壓的強(qiáng)度、風(fēng)機(jī)選型與隧道阻力特性被認(rèn)為是造成隧道氣流不確定性的主要因素。

針對(duì)某多分支隧道，通過理論分析證明，風(fēng)機(jī)動(dòng)力與熱壓共同作用下會(huì)造成多分支隧道排煙氣流狀態(tài)呈現(xiàn)多個(gè)可能性，并使得實(shí)際風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)偏離原設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變風(fēng)機(jī)選型可以有效減少氣流組織數(shù)學(xué)解的個(gè)數(shù)，從而抑制排煙氣流的不確定性。

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（編輯胡英奎）