王彥富, 閆培娜, 孫小斐, 劉　洋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島　266580)

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頂部豎井隧道自然通風(fēng)排煙實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王彥富, 閆培娜, 孫小斐, 劉洋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島266580)

以某頂部豎井自然通風(fēng)隧道為原型,自主研發(fā)了1∶10縮比例隧道模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展多豎井隧道自然通風(fēng)排煙實(shí)驗(yàn),觀察不同頂部豎井設(shè)計(jì)工況的排煙效果,并測(cè)量煙氣逆流距離、縱向溫度分布、頂棚附近煙氣最高溫度、煙氣縱向擴(kuò)散速率和煙氣的沉降速率,為頂部豎井的優(yōu)化分析提供數(shù)據(jù)支持。教學(xué)實(shí)踐表明,采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況,既減少了實(shí)驗(yàn)工作量,又保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性,同時(shí)幫助學(xué)生深刻理解頂部豎井自然通風(fēng)排煙的基本原理,培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和探索創(chuàng)新的能力。

多豎井隧道； 自然通風(fēng)排煙； 正交試驗(yàn)法

隨著我國(guó)隧道數(shù)量的增加,發(fā)生隧道火災(zāi)的潛在危險(xiǎn)性也越來越大。隧道火災(zāi)具有煙氣蔓延迅速、救援難度大、人員逃生困難等特點(diǎn),使其具有嚴(yán)重的事故后果[1-3]。新型多豎井隧道采用頂部豎井自然通風(fēng)方式,相比于傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng),降低工程總投資30%左右,在緩解我國(guó)交通壓力方面起到重要作用,因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。

研究豎井對(duì)隧道火災(zāi)自然排煙影響的文獻(xiàn)中,大多通過改變豎井尺寸的單一參數(shù),尚缺少考慮豎井尺寸多參數(shù)同時(shí)變化對(duì)自然通風(fēng)排煙影響的研究[6]。本文開展豎井尺寸多參數(shù)同時(shí)變化時(shí)隧道通風(fēng)排煙實(shí)驗(yàn),以研究豎井高度、寬度、間距和個(gè)數(shù)對(duì)排煙的影響。由于全尺寸實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、規(guī)模大、費(fèi)用高等缺點(diǎn),而正交試驗(yàn)具有均勻分散和整齊可比的優(yōu)點(diǎn),且所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與全面實(shí)驗(yàn)相比相差不大。本文運(yùn)用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)頂部豎井隧道自然通風(fēng)排煙的教學(xué)實(shí)驗(yàn),使學(xué)生掌握多豎井自然通風(fēng)排煙的基本原理。

本文設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn),把100個(gè)學(xué)生分成10組,按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案開展隧道通風(fēng)排煙實(shí)驗(yàn),收集并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),自主設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理與分析方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,以小組為單位提交實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告。培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和探索創(chuàng)新的能力。

1　實(shí)驗(yàn)原理

1.1煙氣逆流

火災(zāi)發(fā)生時(shí),熱煙氣在熱浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng),冷空氣從隧道下方向火源點(diǎn)補(bǔ)充,火源兩側(cè)形成對(duì)稱的循環(huán)流動(dòng)。如果隧道內(nèi)有縱向風(fēng),且縱向風(fēng)速較小,不足以克服熱浮力驅(qū)動(dòng)下的熱煙氣運(yùn)動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生煙氣回流現(xiàn)象,如圖1所示。

圖1　煙氣回流現(xiàn)象示意圖

由于縱向風(fēng)速與逆流煙氣的運(yùn)動(dòng)方向相反,因此縱向風(fēng)流與熱煙氣發(fā)生反向剪切作用,此時(shí),縱向風(fēng)流阻礙煙氣的蔓延。煙氣蔓延的水平慣性力是由煙氣與環(huán)境溫度之間的溫差所引起的。隨著煙氣蔓延距離的延長(zhǎng),煙氣與隧道壁面和環(huán)境之間不斷進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致煙氣與環(huán)境之間的溫差逐漸降低,因此煙氣擴(kuò)散速率也不斷降低。當(dāng)煙氣的水平慣性力與縱向風(fēng)阻力相當(dāng)時(shí),煙氣逆流前鋒將停滯不前,煙氣逆流前鋒與環(huán)境之間的靜壓差與縱向自然風(fēng)的動(dòng)壓相等,此時(shí)煙氣的擴(kuò)散距離稱為“煙氣逆流距離”[7]。在火源下游,縱向風(fēng)與煙氣蔓延方向相同,則縱向風(fēng)與煙氣表現(xiàn)為同向剪切作用,因此,煙氣蔓延速率往往大于火源上游。

1.2煙氣層吸穿原理

頂部豎井隧道是利用熱壓進(jìn)行自然通風(fēng)的。進(jìn)入豎井的高溫?zé)煔馀c隧道內(nèi)的冷空氣存在溫度差,溫度差導(dǎo)致密度壓,這種密度壓使煙氣在隧道內(nèi)受浮力作用向上運(yùn)動(dòng),溫差越大,煙囪效應(yīng)越明顯[8]。煙氣通過豎井排出的過程主要受到自身的水平慣性力與煙囪效應(yīng)引起的豎向慣性力作用,在豎井下方由于豎向慣性力的作用會(huì)使大量空氣卷吸進(jìn)入煙氣層。此時(shí),豎井下方出現(xiàn)凹陷區(qū)。卷吸進(jìn)入煙氣層的空氣一部分通過豎井排出,另一部分隨煙氣在隧道內(nèi)繼續(xù)縱向流動(dòng)。當(dāng)煙囪效應(yīng)增大到一定程度時(shí),凹陷區(qū)域的最高點(diǎn)進(jìn)入豎井內(nèi),豎井下方煙氣層的厚度為0,即發(fā)生煙氣層吸穿現(xiàn)象[9-11](如圖2所示)。進(jìn)入豎井內(nèi)的煙氣一部分經(jīng)豎井排出,一部分隨熱煙氣繼續(xù)縱向蔓延。

圖2　煙氣層吸穿示意圖

2　實(shí)驗(yàn)裝置

2.1模型介紹

以南京市某豎井隧道為原型,綜合考慮相似性和可操作性等各因素的影響,通過多次模擬和反復(fù)論證,確定相似比為1∶10的隧道模型[12-13]。隧道通風(fēng)和排煙實(shí)驗(yàn)裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　隧道通風(fēng)和排煙實(shí)驗(yàn)裝置安裝結(jié)構(gòu)示意圖

該單元主要由8個(gè)基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成:

(1) 豎井間隔板,該結(jié)構(gòu)用以輔助控制豎井的高度和寬度；

(2) 第二層豎井,基于第一層豎井,變化不同的高度；

(3) 豎井組間距結(jié)構(gòu)體,用于控制豎井組之間的距離；

(4) 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)裝置體,用于保證模型整體的穩(wěn)定性；

(5) 側(cè)面立板；

(6) 底板結(jié)構(gòu)體；

(7) 頂板結(jié)構(gòu)體,用于控制豎井的寬度；

(8) 第一層豎井(高度為265 mm)。

為了便于清楚地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,隧道模型側(cè)壁采用透明度較好的聚碳酸酯材料,隧道頂板則采用耐熱的普通鐵皮制成,模型底板和豎井均采用材質(zhì)較輕的鍍鋅鐵皮制成。隧道模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由5組單元通過螺栓連接組成。單個(gè)豎井的尺寸為0.3 m×0.26 m×0.465 m,相鄰豎井間距為0.02 m。每組模型主體均安裝4個(gè)直徑為50 mm的鋼制萬向輪,便于模型的組裝和移動(dòng)。隧道模型實(shí)物如圖4所示。

圖4　隧道模型實(shí)物圖

為了研究頂部豎井參數(shù)變化對(duì)自然排煙效果的影響,設(shè)計(jì)不同豎井工況的實(shí)驗(yàn)方案,其中各個(gè)豎井參數(shù)變化如表1所示。

表1　頂部豎井參數(shù)變化值

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

用KANE950煙氣分析儀和SUMMIT708煙氣分析儀/燃燒效率分析儀測(cè)量煙氣濃度；火源附近煙氣溫度較高,采用耐高溫K型熱電偶進(jìn)行測(cè)量,并用HIOKI8860-50存儲(chǔ)記錄儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)；近火源的煙氣溫度由USB7410采集模塊和16個(gè)T型熱電偶進(jìn)行采集和記錄；遠(yuǎn)火源位置處的煙氣溫度采用YM232TM-1溫度采集模塊及其測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行采集和記錄；同時(shí),采用數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻記錄；在模型內(nèi)部特定位置安裝感煙報(bào)警器,當(dāng)煙氣擴(kuò)散至該位置并達(dá)到一定濃度時(shí),感煙探測(cè)器發(fā)出感應(yīng)信號(hào),結(jié)合秒表記錄煙氣擴(kuò)散數(shù)據(jù)；環(huán)境風(fēng)速與溫度采用Kestrel 4100便攜式微電腦多用途風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)方案總體設(shè)計(jì)

通過借鑒相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)[14-17],設(shè)計(jì)頂部豎井隧道通風(fēng)、排煙模型實(shí)驗(yàn),觀察在頂部豎井寬度、豎井高度、豎井?dāng)?shù)量、單個(gè)豎井間距、豎井組間距等參數(shù)變化工況下的排煙效果,測(cè)量不同工況下的縱向溫度分布、頂棚附近煙氣最高溫度、煙氣的擴(kuò)散速率、沉降速率,為頂部豎井的優(yōu)化分析提供數(shù)據(jù)支持。

若在其他實(shí)驗(yàn)條件固定不變的情況下考慮單一因素對(duì)整體效果的影響開展實(shí)驗(yàn),則實(shí)驗(yàn)工況眾多,工作量較大。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性并減少開展實(shí)驗(yàn)的工作量,采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況,且不考慮因素之間的交互作用。正交試驗(yàn)法是針對(duì)多因素、多水平,并根據(jù)正交性從全面實(shí)驗(yàn)中挑選出部分具有代表性的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。正交試驗(yàn)具有均勻分散和整齊可比的特點(diǎn),且所得結(jié)果與全面實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相比相差不大[18]。實(shí)驗(yàn)中豎井長(zhǎng)度保持300 mm,單個(gè)豎井間距保持20 mm不變,選擇豎井寬度、高度、豎井組間距以及每組豎井個(gè)數(shù)作為可控因素。

本實(shí)驗(yàn)的可控因素及水平如表2所示,實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表3所示。

表2　可控因子及水平表

表3　正交試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)工況

3.2實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)布置如圖5所示,豎井布置以每組豎井為單位,以火源為中心沿縱向?qū)ΨQ布置。通過改變每組豎井的寬度、高度、數(shù)量和組間距,觀察隧道的排煙效果及煙氣層吸穿現(xiàn)象,記錄各觀察點(diǎn)煙氣層的沉降時(shí)間和蔓延時(shí)間,測(cè)量不同工況下煙氣縱向溫度分布和頂棚附近煙氣最高溫度。

圖5　實(shí)驗(yàn)布置示意圖(單位:mm)

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:

(1) 用螺栓將隧道模型單元依次固定連接,將柴油油盤放置在隧道模型中央,按圖5所示布置煙氣溫度測(cè)點(diǎn)。

(2) 在上游和下游分別安排一名實(shí)驗(yàn)人員跟隨煙氣到達(dá)指定位置,當(dāng)煙氣擴(kuò)散至各熱電偶束的最高溫度測(cè)點(diǎn)時(shí),由實(shí)驗(yàn)人員記錄煙氣層到達(dá)該位置的時(shí)間。同時(shí)分別在上游S2—S6、下游X2—X6熱電偶束一側(cè)安裝感煙探測(cè)器。當(dāng)煙氣擴(kuò)散到每個(gè)熱電偶束,并且達(dá)到一定濃度時(shí),感煙探測(cè)器發(fā)出感應(yīng)信號(hào),傳到報(bào)警主機(jī),報(bào)警主機(jī)顯示報(bào)警位置和報(bào)警時(shí)間。

(3) 實(shí)驗(yàn)前在模型側(cè)壁用記號(hào)筆畫好刻度,同時(shí)貼好熒光膠條,作為輔助判斷。在上游的S1—S4支架和下游的X1—X4支架分別安排實(shí)驗(yàn)觀察人員,當(dāng)煙氣層沉降到穩(wěn)定位置處,記錄沉降時(shí)間。

(4) 采用風(fēng)速儀測(cè)量環(huán)境風(fēng)速與溫度,同時(shí)開啟攝像機(jī)記錄煙氣擴(kuò)散、蔓延現(xiàn)象。

(5) 實(shí)驗(yàn)人員就位,點(diǎn)火后實(shí)驗(yàn)人員開始觀察記錄,注意觀察是否發(fā)生了煙氣層吸穿現(xiàn)象。

(6) 改變實(shí)驗(yàn)工況,觀察隧道排煙效果,分別記錄煙氣蔓延和沉降時(shí)間。

(7) 實(shí)驗(yàn)完畢,清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)并將實(shí)驗(yàn)設(shè)備存放。

(8) 分別繪制煙氣逆流距離、煙氣蔓延速率、煙氣沉降速率曲線圖,找出容易發(fā)生煙氣層吸穿的工況。

實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)統(tǒng)一指揮、互相配合，煙氣沉降和煙氣擴(kuò)散應(yīng)以穩(wěn)定煙氣層為觀察對(duì)象。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于篇幅有限,僅給出豎井寬度對(duì)自然排煙的影響分析。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的觀測(cè)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得到:

(1) 頂棚附近無量綱溫升變化規(guī)律。圖6和圖7為當(dāng)豎井寬度變化時(shí),上下游頂棚附近無量綱溫升分布規(guī)律圖。從圖6可以看出,隨著豎井寬度的增加,頂棚附近的溫度呈下降趨勢(shì)。從圖7可以看出,在近火源區(qū),頂棚附近的溫度隨排煙口寬度的增加變化不大,而在遠(yuǎn)火源區(qū),隨著豎井寬度的增加,頂棚附近的溫度基本呈下降趨勢(shì),但相鄰兩個(gè)工況的下降幅度與上游相比較小。

圖6　上游頂棚附近無量綱溫升分布規(guī)律

圖7　下游頂棚附近無量綱溫升分布規(guī)律

(2) 煙氣擴(kuò)散變化規(guī)律。圖8和圖9為當(dāng)豎井寬度變化時(shí),上下游煙氣的擴(kuò)散規(guī)律圖。從圖8可以看出,在上游,當(dāng)豎井的寬度為260 mm時(shí),煙氣的擴(kuò)散速率最低,且擴(kuò)散至離火源3.3 m時(shí),所用時(shí)間為300 s,且煙氣基本不再向前蔓延；當(dāng)豎井寬度為360 mm時(shí),煙氣的擴(kuò)散速率最快。從圖9可以看出,在下游,當(dāng)排煙口寬度為60 mm或260 mm時(shí),煙氣的擴(kuò)散速率較慢。

圖8　上游擴(kuò)散情況

圖9　下游擴(kuò)散情況

(3) 煙氣層沉降變化規(guī)律。圖10和圖11為當(dāng)豎井寬度變化時(shí),上下游煙氣層的沉降變化圖。從圖10可以看出,在離地面435 mm高度以上,當(dāng)豎井間距為160 mm和260 mm時(shí),煙氣層的沉降速率較慢,而后豎井寬度為260 mm的工況煙氣沉降速率有所加快。從圖11可以看出,在435 mm高度以上,隨著豎井寬度的增加,煙氣的沉降速率逐漸減小。當(dāng)沉降高度低于435 mm時(shí),豎井寬度為60 mm的工況,沉降速率下降較大。

圖10　上游煙氣層沉降情況

圖11　下游煙氣層沉降情況

綜合考慮,豎井的設(shè)計(jì)寬度應(yīng)為60～260 mm,對(duì)應(yīng)原型的尺寸為0.6～2.6 m。

5　結(jié)語(yǔ)

以科研成果反哺教學(xué)是科學(xué)研究的一項(xiàng)本質(zhì)工作。根據(jù)完成的山東省自然基金項(xiàng)目和國(guó)家自然基金項(xiàng)目,將“基于正交試驗(yàn)法的豎井隧道通風(fēng)排煙優(yōu)化技術(shù)”引入到我校安全科學(xué)與工程本科專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為目標(biāo),不斷拓寬實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,促進(jìn)科研成果向教學(xué)成果的二次轉(zhuǎn)化。

本文首次運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法研究多個(gè)豎井參數(shù)同時(shí)變化對(duì)火災(zāi)規(guī)律的動(dòng)態(tài)影響,確定最佳豎井方案組合和最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式,指導(dǎo)該新型隧道的豎井設(shè)計(jì)。與以往研究豎井單一參數(shù)對(duì)自然排煙影響的實(shí)驗(yàn)相比,基于正交試驗(yàn)方法的多豎井隧道火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),可以同時(shí)考慮頂部豎井高度、寬度、組間距、個(gè)數(shù)對(duì)隧道內(nèi)煙氣流動(dòng)的影響,有效降低了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù),大大減少了工作量,從而節(jié)約了大量的人力、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。本系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展,學(xué)生以小組團(tuán)隊(duì)參與其中,自主動(dòng)手實(shí)踐探究獲取知識(shí),幫助學(xué)生深刻理解多豎井自然通風(fēng)排煙的基本原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,以小組為單位自主設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理與分析方案,并提交實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告,培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新能力。

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Design and practice on experiment of tunnel natural ventilation and smoke evacuation in vertical shafts

Wang Yanfu, Yan Peina, Sun Xiaofei, Liu Yang

(Electrical Engineering School, China University of Petroleum，Qingdao，266580, China)

Taking a real tunnel adopting natural ventilation in a vertical shaft as aprototype,an experimental platform for a 1:10 reduced-scale tunnel model is independently developed.The experiments of natural ventilation and smoke evacuation of the tunnel with vertical shafts are carried out, the efficiency of evacuation smoke in the vertical shafts is observed, and the back-layer distance, the longitudinal temperature, the maximum smoke temperature, the longitudinal propagation velocity and the sedimentation velocity are measured so as to provide experimental data for the optimization analysis of vertical shafts. The teaching practice proves that using the orthogonal experimental method to design the experiment can not only reduce the amount of experimental work,but also ensure the validity of experiments. At the same time, it can help the students to well understand the basic principle of natural ventilation and cultivate their cooperative ability for team work and their innovation ability during the experiment.

tunnel with vertical shaft；natural ventilation and smoke evacuation；model experiment；orthogonal experimental method

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.044

2016-04-13修改日期：2016-05-26

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51409260)；山東省自然基金面上項(xiàng)目(ZR2012EEM023)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(14CX05035A)

王彥富(1981—),女,山東威海,博士,副教授,研究方向?yàn)樗淼阑馂?zāi)、海洋平臺(tái)火災(zāi).E-mail：wangyanfu@upc.edu.cn

G643.423

A

1002-4956(2016)10-0176-05