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        長區(qū)間綜合管廊通風(fēng)及排煙數(shù)值模擬

        2021-10-27 07:01:28王紅藝田思楠
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年15期
        關(guān)鍵詞:沿程管廊風(fēng)量

        王紅藝 陳 康 田思楠

        (1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,北京 100037;2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124)

        0 前言

        城市地下綜合管廊能夠改善直埋市政管線的分散無序布置,正逐漸成為市政能源設(shè)施現(xiàn)代化的重要載體[1]。管廊內(nèi)須安排人員定期巡檢,為保障管線與運(yùn)維人員安全,須充分考慮通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置。以往設(shè)計(jì)工作中,通風(fēng)分區(qū)均按照200m防火區(qū)間對(duì)應(yīng)[2]。隨新舊城區(qū)的開發(fā)改造,管廊須結(jié)合既有建設(shè)條件、城市地下空間開發(fā)、城市景觀打造等共同推進(jìn),綜合考慮幾個(gè)方面的影響,結(jié)合國內(nèi)外管廊建設(shè)經(jīng)驗(yàn),探索延長通風(fēng)區(qū)間長度已成為綜合管廊設(shè)計(jì)改進(jìn)的一種必要手段。

        城市綜合管廊通風(fēng)多以機(jī)械通風(fēng)和自然+機(jī)械通風(fēng)為主。通風(fēng)機(jī)運(yùn)行一般可分為通風(fēng)和排煙2種模式。平時(shí)通風(fēng)模式用于控制艙室高溫、有害氣體濃度、人員巡檢的新風(fēng)需求[3]。事故后排煙模式用于管廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)且火源熄滅以后,盡快有效排除廊內(nèi)煙氣。一般來講,隨著通風(fēng)區(qū)間的延長,通風(fēng)機(jī)全壓將增大。通過改變區(qū)間長度和通風(fēng)量對(duì)管廊的平時(shí)通風(fēng)阻力和事故排煙進(jìn)行了研究,在風(fēng)機(jī)選型、實(shí)現(xiàn)綜合管廊附屬設(shè)備節(jié)能、節(jié)省運(yùn)維能耗方面具有現(xiàn)實(shí)意義,能夠?yàn)樘剿鏖L區(qū)間綜合管廊通風(fēng)區(qū)間的合理設(shè)置提供一定的指導(dǎo)。

        1 工況設(shè)定

        1.1 工程概況

        模擬研究對(duì)象為北京市某地下管廊。分別選擇燃?xì)馀撈綍r(shí)通風(fēng)和電力艙事故后排煙進(jìn)行研究。其中,燃?xì)馀搩舫叽?.5m×2.8m,電力艙凈尺寸2.6m×3.1m,斷面示意見圖1。

        模擬的燃?xì)馀摓橐呀ü芾?,防火區(qū)間按照既有區(qū)間長度設(shè)定,模擬的電力艙為另一個(gè)待建管廊,防火區(qū)間每200m設(shè)置一處,如表1。

        表1 模擬工況設(shè)定

        1.2 模型設(shè)置

        通風(fēng)阻力和排煙的數(shù)值模擬分別選擇研究領(lǐng)域內(nèi)常用的Fluent和Pyroism軟件。

        計(jì)算流體力學(xué)通過將流場控制方程區(qū)域離散化,通過反復(fù)迭代的手段求得流動(dòng)問題的數(shù)值解。軟件模擬計(jì)算的基礎(chǔ)是根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)中最基本的質(zhì)量(組分)守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律,建立基本方程[3-4]。

        通風(fēng)模擬設(shè)置基本情況:大氣壓101325Pa,管廊內(nèi)的溫度為20℃,內(nèi)部氣體為不可壓縮的理想氣體,模型僅考慮燃?xì)馀搩?nèi)2根燃?xì)夤艿?,不考慮自用支架。管廊進(jìn)出口均設(shè)置為速度邊界,進(jìn)出口速度根據(jù)通風(fēng)口尺寸及規(guī)范要求換氣次數(shù)設(shè)置。模擬針對(duì)管廊主體通風(fēng)情況進(jìn)行研究,未考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)出口與風(fēng)亭處的局部阻力。

        排煙模擬中,利用FDS求解描述熱驅(qū)動(dòng)的低速流動(dòng)的黏性流體方程,通過網(wǎng)格劃分把設(shè)定的空間分成多個(gè)計(jì)算單元,對(duì)單元內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分,能夠模擬火災(zāi)的發(fā)展和煙氣的蔓延狀況。數(shù)值模型按照?qǐng)D1設(shè)置?;鹪闯叽缭O(shè)置為0.5m×0.5m?;鹪礋後尫潘俾试O(shè)置為250kW。假定600s時(shí)火源熄滅,開啟排煙。

        圖1 綜合管廊斷面尺寸

        2 不同通風(fēng)區(qū)間長度下的通風(fēng)阻力研究

        2.1 通風(fēng)阻力理論計(jì)算

        管廊通風(fēng)系統(tǒng)的阻力包括沿程阻力和局部阻力。

        2.1.1 沿程阻力

        式中:ΔPm為單位長度沿程阻力,Pa/m;L為通風(fēng)區(qū)間長度。

        2.1.2 局部阻力

        式中: ΔPj為局部壓力損失,Pa;?為局部阻力系數(shù);V為風(fēng)管內(nèi)局部壓力損失發(fā)生處的空氣流速, m/s;p為空氣密度, kg/m3,取1.2 kg/m3。

        根據(jù)國標(biāo)圖集所給出的管廊通風(fēng)計(jì)算常用阻力系數(shù),通過理論計(jì)算得到一個(gè)防火分區(qū)總阻力約為183Pa。此時(shí)未考慮管廊斷面變化、管廊坡度變化、轉(zhuǎn)角等產(chǎn)生的局部阻力。通過理論計(jì)算分析,綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的沿程阻力很小,其主要阻力來自于管廊區(qū)間內(nèi)防火門局部阻力,管廊至風(fēng)機(jī)出口段局部阻力阻力主要集中在進(jìn)排風(fēng)百葉處。

        同樣的通過理論公式計(jì)算能夠得出通風(fēng)區(qū)間為150m/400m/600m/800m/1000m時(shí)的通風(fēng)阻力分別為183Pa/210Pa/277Pa/419Pa/665Pa。

        2.2 通風(fēng)阻力數(shù)值模擬

        取斷面中心點(diǎn)位研究沿程通風(fēng)風(fēng)速與壓力損失情況。從圖2可知,隨著通風(fēng)區(qū)間的增大,通風(fēng)量增加,管廊通風(fēng)風(fēng)速隨之增加。在防火分隔部位,因過流斷面面積減少,引起管廊風(fēng)速突變,對(duì)應(yīng)通風(fēng)阻力模擬結(jié)果,同樣是受防火分隔的影響,此處風(fēng)速增大,根據(jù)局部阻力計(jì)算公式,此處的局部阻力較大,氣流通過防火門處的壓力損失增大,導(dǎo)致管廊阻力沿著氣流方向呈“階梯狀”增加的趨勢。

        圖2 管廊沿程風(fēng)速與通風(fēng)阻力數(shù)值模擬結(jié)果

        區(qū)間總阻力增幅隨通風(fēng)區(qū)間長度增加而增大,模擬結(jié)果見表2。

        表2 主線管廊通風(fēng)阻力模擬結(jié)果

        將前述理論計(jì)算結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)分別進(jìn)行公式擬合如圖3,兩者趨勢基本一致。即隨著通風(fēng)區(qū)間的增大,通風(fēng)阻力增加更為明顯。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,克服管網(wǎng)內(nèi)空氣流動(dòng)阻力需要使用通風(fēng)機(jī)全壓,根據(jù)通風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率與單位風(fēng)量耗功率計(jì)算公式(3)、公式(4)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量增大和全壓增加將導(dǎo)致電機(jī)功率增加較多,單位風(fēng)量耗功率增大,不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能。

        圖3 不同通風(fēng)區(qū)間長度管廊通風(fēng)阻力計(jì)算結(jié)果擬合

        式中:N風(fēng)通風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率;WS—單位風(fēng)量耗功率;L—通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量, m3/h;P—通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓,Pa;K—機(jī)電機(jī)容量安全系數(shù);η—全壓效率;ηm—通風(fēng)機(jī)機(jī)械效率;ηCD一電機(jī)及傳動(dòng)效率,取 0. 855;ηF—風(fēng)機(jī)效率,%。

        3 不同通風(fēng)區(qū)間長度下的排煙研究

        由圖4知,200m通風(fēng)區(qū)間下,約300s時(shí),燃料燃燒耗氧已達(dá)到區(qū)間端頭處,排煙口附近氧氣含量開始逐漸下降。600s開啟排煙后,排煙口附近煙氣聚集造成此處氧氣含量進(jìn)一步下降,900s后開始逐漸升高。以氧氣含量恢復(fù)原始狀態(tài)的時(shí)間為煙氣排盡時(shí)間,自開啟排煙開始,200m時(shí)約900s排盡管廊內(nèi)的煙氣。400m通風(fēng)區(qū)間時(shí),廊內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速增大,有利于煙氣排除,約1400s時(shí)氧氣含量恢復(fù)正常。依次得到600m、800m、1000m區(qū)間下事故區(qū)間段和整個(gè)通風(fēng)區(qū)間煙氣排盡時(shí)間。如圖5所示。

        圖4 工況1-5近排風(fēng)口處氧氣含量監(jiān)測

        圖5 各工況排煙時(shí)間

        隨著通風(fēng)區(qū)間的增加,匹配風(fēng)量相應(yīng)增加,在斷面面積不變的情況下,斷面風(fēng)速將會(huì)增大。結(jié)合模擬結(jié)果,當(dāng)通風(fēng)區(qū)間為400m時(shí),排盡煙氣所需要的時(shí)間小于200m通風(fēng)區(qū)間;通風(fēng)區(qū)間增至600m時(shí),排盡煙氣所需要的時(shí)間大于400m通風(fēng)區(qū)間但小于200m通風(fēng)區(qū)間。通風(fēng)區(qū)間為800m、1000m時(shí),煙氣須經(jīng)過的防火分隔數(shù)量逐漸增加,一定程度影響了煙氣擴(kuò)散,排煙所需時(shí)間將隨通風(fēng)區(qū)間長度的增加而增大。同時(shí)分析了不同通風(fēng)區(qū)間下著火區(qū)間的煙氣排除情況,可知隨通風(fēng)區(qū)間的延長,斷面風(fēng)速增大,有利于事故區(qū)間段煙氣的排除。著火分區(qū)排煙時(shí)間逐漸縮短。著火分區(qū)的煙氣排除有利于消防運(yùn)維人員等進(jìn)入及時(shí)掌握廊內(nèi)管線受損情況制定對(duì)策,總的排煙時(shí)間影響管廊的安全運(yùn)行。

        4 結(jié)論

        根據(jù)平時(shí)通風(fēng)阻力模擬結(jié)果,隨著通風(fēng)區(qū)間的增加,風(fēng)機(jī)風(fēng)量也相應(yīng)增加,通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量增大和全壓增加將會(huì)造成電機(jī)功率增加較多,單位風(fēng)量耗功率增大,不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能。

        結(jié)合煙氣排除數(shù)值模擬結(jié)果,隨著通風(fēng)區(qū)間長度增加,事故區(qū)間段煙氣排盡時(shí)間逐漸縮短,總排煙時(shí)間600m以內(nèi)通風(fēng)區(qū)間增加有助于煙氣排除,超過600m煙氣須經(jīng)過的防火分隔數(shù)量逐漸增加,影響了煙氣擴(kuò)散,排煙所需時(shí)間將隨通風(fēng)區(qū)間長度的增加而增大。

        根據(jù)通風(fēng)阻力模擬結(jié)果,考慮事故區(qū)間段和總通風(fēng)分區(qū)的煙氣排盡時(shí)間,建議通風(fēng)分區(qū)可控制在600m以內(nèi)。對(duì)有特殊要求(城市景觀、施工工法)的,通風(fēng)分區(qū)適宜長度需結(jié)合具體要求進(jìn)一步研究。

        排煙數(shù)值模擬與實(shí)際情況可能存在火源功率、煙氣生成量的差異。近年新建綜合管廊內(nèi),已按照GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》設(shè)置有自動(dòng)滅火設(shè)施,同時(shí)綜合管廊逐步實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行,火源有可能來不及完全發(fā)展即被撲滅,因此所提供數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果僅供參考。

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