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        基于多指標(biāo)約束的V形坡隧道煙氣控制方案

        2022-08-01 02:35:14李國棟
        制冷與空調(diào) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速煙氣

        李國棟

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

        0 引言

        近年來,城市水下隧道得到了長足發(fā)展。為保障火災(zāi)時(shí)人員安全,水下隧道多采用重點(diǎn)排煙模式。但水下隧道“V”形連續(xù)縱坡使得隧道內(nèi)煙氣流動(dòng)更為復(fù)雜[1,2],亟需考慮不同坡度段發(fā)生火災(zāi)對煙氣控制效果的影響,進(jìn)而明確隧道煙氣控制最佳方案,以提升救援有效性。

        部分學(xué)者對隧道火災(zāi)煙氣控制方案進(jìn)行了研究。徐志勝[3]建立了+3%坡度隧道數(shù)值模型,研究了集中排煙模式下排煙口的最佳開啟方式;林鵬[4]針對水平、3.2%單坡隧道進(jìn)行研究,結(jié)果表明傾斜隧道中排煙效率對排煙口位置更加敏感;曾艷華[5]研究了坡度隧道通風(fēng)排煙方式和排煙口開啟狀態(tài)對排煙效果的影響,發(fā)現(xiàn)同時(shí)開啟火源上下游排煙口時(shí)排煙效率更高;王國卓[6]通過縮尺寸實(shí)驗(yàn),得出縱向與橫向排煙相結(jié)合能達(dá)到較好煙氣控制效果;肖志行[7]對“相向射流+豎井自然排煙”組合模式進(jìn)行了研究,分析得出射流風(fēng)速和火源位置對煙氣控制的影響;蔡崇慶[8]針對單坡隧道不同重點(diǎn)排煙模式進(jìn)行研究,制定了合理的排煙方案;潘一平[9]研究了重點(diǎn)排煙模式下排煙口的數(shù)量、間距、位置和面積,結(jié)果表明火源兩側(cè)的排煙口都打開時(shí)排煙效果更好;李保軍[10]針對單側(cè)集中排煙隧道研究了排煙口開啟數(shù)量對煙控效果的影響,結(jié)果表明開啟火源附近4個(gè)排煙口時(shí)煙氣控制效果最好;姜學(xué)鵬[11,12]提出將排煙效率、煙氣蔓延范圍、能見度作為縱向合理機(jī)械補(bǔ)風(fēng)的判定三個(gè)指標(biāo),并通過縮尺寸模型試驗(yàn)對重點(diǎn)排煙與縱向補(bǔ)風(fēng)共同作用下的臨界風(fēng)速進(jìn)行了研究,提出合理縱向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速應(yīng)小于臨界風(fēng)速值。上述研究多通過構(gòu)建單一水平和單坡隧道數(shù)值模型對煙氣控制方案進(jìn)行探討,未針對非對稱V形坡隧道不同位置火災(zāi)的煙氣控制方案進(jìn)行研究,且對排煙效果的評價(jià)指標(biāo)零散,缺少系統(tǒng)性的評價(jià)方法。

        以武漢兩湖隧道為研究對象,構(gòu)建全尺寸水下V形坡隧道數(shù)值模型,針對不同坡度段火災(zāi)位置,探究不同縱向通風(fēng)與重點(diǎn)排煙口開啟方式下的煙控效果,依據(jù)評價(jià)指標(biāo),進(jìn)而提出科學(xué)合理的隧道火災(zāi)煙氣控制方案。

        1 數(shù)值建模及工況設(shè)計(jì)

        1.1 工程概況

        武漢兩湖隧道為雙層超大直徑隧道,其中省博緊急出入口—光谷大橋段長3720m,整個(gè)隧道呈不對稱“V”字形,最大縱坡為4.5%。隧道內(nèi)徑13.7m,上層行車道凈高4.25m。排煙道橫斷面面積7.27m2,在排煙道頂隔板上間隔60m設(shè)長1m×寬4m排煙口。隧道出入端各設(shè)置一處豎井雙向均衡排煙,總排煙量為90m3/s。隧道上層橫斷面如圖1所示,隧道縱斷面如圖2所示。

        圖1 兩湖隧道上層橫斷面Fig.1 Upper cross section of Lianghu tunnel

        圖2 火源設(shè)置示意Fig.2 Schematic diagram of fire source setting

        1.2 數(shù)值模型建立

        為真實(shí)模擬兩湖隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)情況,采用FDS構(gòu)建3720m長的全尺寸隧道模型??紤]2~3輛小汽車碰撞火災(zāi),設(shè)火災(zāi)規(guī)模為15MW超快速t2火?;鹪次挥谒淼乐行木€,尺寸為長5.5m×寬2m(高度忽略不計(jì)),火源燃料默認(rèn)為丙烷。網(wǎng)格大小選擇1/16~1/4倍火源特征直徑作為模擬網(wǎng)格尺寸[13],火源上下游采用0.5m×0.5m×0.5m局部加密網(wǎng)格,其余網(wǎng)格尺寸均為1m×1m×1m。隧道兩端出口設(shè)置為自然開口,排煙道端口處設(shè)為EXHAUST,壓力為101325Pa,其環(huán)境溫度設(shè)置為20℃。墻體為混凝土,模擬計(jì)算時(shí)間為1200s,選取1100s~1200s的模擬數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行研究討論。

        1.3 工況設(shè)定

        考慮火災(zāi)位置、排煙口開啟方式、縱向通風(fēng)等對排煙效果的影響,設(shè)定在隧道出入段、隧道最低點(diǎn)發(fā)生火災(zāi),如圖2所示。負(fù)號代表隧道下坡方向,近省博緊急出入口側(cè)為上游,近光谷大橋側(cè)為下游。采用“雙向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)(隧道兩端洞口同時(shí)補(bǔ)風(fēng))”+排煙口對稱開啟(上游、下游各開啟3個(gè))及“單向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)(沿行車方向單向機(jī)械補(bǔ)風(fēng))”+排煙口對稱開啟/不對稱開啟(上游2個(gè)、下游4個(gè))3種不同通風(fēng)排煙控制方案,每種方案配合不同補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速,共計(jì)27組模擬工況,詳見表1。

        表1 不同火源位置煙氣蔓延長度Table 1 Smoke spread length at different fire source locations

        2 隧道火災(zāi)煙氣控制效果評價(jià)模型

        2.1 排煙控制評價(jià)指標(biāo)

        火災(zāi)時(shí),隧道重點(diǎn)排煙系統(tǒng)應(yīng)滿足如下目標(biāo):

        (1)保障人員安全疏散需要,避免縱向風(fēng)擾亂煙氣分層,使清晰高度處煙氣溫度、濃度保持在安全范圍內(nèi),最大程度減小煙氣對人員疏散影響。

        (2)有效地將煙氣排入煙道,盡可能將煙氣控制在火源附近排煙口開啟區(qū)域內(nèi),控制高溫?zé)煔庥绊懛秶?/p>

        基于以上控制目標(biāo),有效的重點(diǎn)通風(fēng)排煙系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn):火災(zāi)煙氣控制在排煙口開啟區(qū)段內(nèi),清晰高度處煙氣溫度與能見度安全化,且排煙有效化。

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        將上述排煙效果評價(jià)指標(biāo),凝煉為煙氣前鋒蔓延長度、排煙效率、清晰高度處能見度和溫度等4個(gè)指標(biāo)[14,15]。構(gòu)建基于疏散安全和排煙有效的多指標(biāo)約束的通風(fēng)排煙策略的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

        其中,式(1)為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),式(2)為約束條件。式中,L60℃為排煙道底板下方60℃煙氣溫度前鋒蔓延距離,m;Tz為清晰高度處溫度,℃;Vz為清晰高度處能見度,m;η為排煙效率,%;n為上游側(cè)排煙口開啟數(shù)量,個(gè);mesi為第i個(gè)排煙口單位時(shí)間排出的CO2量,kg/s;mp為單位時(shí)間內(nèi)CO2生成總量,kg/s。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 煙氣蔓延長度

        表1為不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的煙氣蔓延長度。

        隧道2.2%-1%下坡段A點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)時(shí),上游煙氣受到縱向風(fēng)流的抑制作用,其蔓延長度隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大而減小,最小蔓延長度為45m;下游則隨風(fēng)速增大而增加,蔓延總長均<300m。由式(2)中煙氣蔓延長度判據(jù)可得:排煙口上3+下3開啟時(shí),煙氣蔓延長度均滿足L上60℃≤L=150m、L下60℃≤L=150m;排煙口上2+下4開啟,單向1m/s補(bǔ)風(fēng),上游煙氣蔓延長度不滿足L上60℃≤L=90m。

        隧道最低點(diǎn)B發(fā)生火災(zāi)時(shí),上游煙氣受到縱向風(fēng)流的抑制作用,其蔓延長度隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大而減小,最小蔓延長度為25m;下游則由于煙囪效應(yīng)耦合增大的風(fēng)速而增加,總蔓延長度均<300m。由判據(jù)可得:排煙口上3+下3開啟,補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速≤1.5m/s時(shí),煙氣蔓延長度均滿足L上60℃≤L=150m、L下60℃≤L=150m;排煙口上2+下4開啟,不同補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速均能將煙氣控制在排煙口開啟區(qū)段。

        隧道1%-4.5%上坡段C點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)雙向補(bǔ)風(fēng)時(shí),隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速的增大,上游煙氣逐漸增加,下游逐漸減小;單向補(bǔ)風(fēng)時(shí),煙氣則被吹往下游,呈現(xiàn)上游減小,下游增加的趨勢??偮娱L度<300m。由判據(jù)可得:雙向補(bǔ)風(fēng)≥1m/s時(shí),滿足判據(jù);排煙口上3下3開啟+單向補(bǔ)風(fēng)≤1.5m/s、排煙口上2下4開啟+單向補(bǔ)風(fēng)≥1.5m/s時(shí),滿足煙控要求。

        3.2 清晰高度處溫度分析

        圖3-圖5為不同火源位置、不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的溫度分布。

        由圖3可知,A點(diǎn)火災(zāi)時(shí):溫度呈現(xiàn)不對稱分布,上游的溫度稍高于下游。隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大,上游溫度迅速降低,下游逐漸升高,距離火源越近L1-R1排煙口開啟區(qū)段受火羽流影響溫度波動(dòng)較大。60℃以上高溫?zé)煔饩刂圃谂艧熆陂_啟區(qū)段(375m-675m)。由式(2)中Tz≤60℃判據(jù)可得:不同煙控組合方式均滿足要求。

        圖3 火源A點(diǎn)清晰高度處溫度分布Fig.3 Temperature distribution at the clear height of point A of fire source

        由圖4可知,B點(diǎn)火災(zāi)時(shí):隧道右側(cè)坡度更大,故下游的溫度稍高于上游。由于雙向補(bǔ)風(fēng)將煙氣控制在排煙口開啟區(qū)段(1490m-1790m)內(nèi),整體溫度有緩慢上升的趨勢。沿行車方向補(bǔ)風(fēng)時(shí),上游溫度隨風(fēng)速增大迅速降低,而下游則逐漸升高。上游溫度均低于60℃,下游R1-R2開啟區(qū)段溫度在60℃上下波動(dòng)。由判據(jù)可得:不同煙控組合方式均滿足要求。

        圖4 火源B點(diǎn)清晰高度處溫度分布Fig.4 Temperature distribution at the clear height of point B of fire source

        由圖5可知,C點(diǎn)火災(zāi)時(shí):因其位于連續(xù)上坡段,煙氣朝上坡蔓延,故下游的溫度高于上游。C點(diǎn)距離隧道出口僅675m,遠(yuǎn)小于與入口的距離,故雙向補(bǔ)風(fēng)時(shí),下游補(bǔ)風(fēng)將煙氣吹往上游,使上游溫度升高、下游降低。單向補(bǔ)風(fēng)時(shí),規(guī)律同B點(diǎn)類似,但補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速為2m/s時(shí),“煙囪效應(yīng)”得到促進(jìn),高溫?zé)煔獗淮罅看低掠?,使R1-R3排煙口開啟區(qū)段(3045m-3195m)內(nèi)溫度驟升超過60℃。由判據(jù)可得:除單向補(bǔ)風(fēng)2m/s外,不同煙控組合方式均滿足要求。

        圖5 火源C點(diǎn)清晰高度處溫度分布Fig.5 Temperature distribution at the clear height of point C of fire source

        3.3 清晰高度處能見度分析

        圖6~圖8為不同火源位置、不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的溫度分布。

        A點(diǎn)火災(zāi)時(shí)(見圖6):較小補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速下,下游能見度高于上游。隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大,煙氣逐漸聚集在下游,上游能見度逐漸增加,下游能見度逐漸降低。由式(2)中Vz≤10m判據(jù)可得:雙向補(bǔ)風(fēng)煙控效果較好;單向補(bǔ)風(fēng)+排煙口上3下3開啟時(shí),1m/s補(bǔ)風(fēng)煙控效果較好、上2下4開啟時(shí),除2m/s補(bǔ)風(fēng)外,基本滿足要求。

        圖6 火源A清晰高度處能見度分布Fig.6 Visibility distribution at clear height of fire source A

        B、C點(diǎn)火災(zāi)時(shí)(圖7、圖8):由于右側(cè)整體坡度大于左側(cè),上游能見度高于下游。雙向補(bǔ)風(fēng)時(shí),下游煙囪效應(yīng)被抑制,上游能見度隨風(fēng)速增大而降低、下游則相反。單向補(bǔ)風(fēng)時(shí),煙囪效應(yīng)得到促進(jìn),上游能見度逐漸升高而下游逐漸降低。由判據(jù)可得:B點(diǎn)火災(zāi)時(shí),雙向補(bǔ)風(fēng)以及單向1m/s補(bǔ)風(fēng)時(shí)煙控效果較好;C點(diǎn)火災(zāi)時(shí),雙向補(bǔ)風(fēng)≤1.5m/s以及單向1m/s補(bǔ)風(fēng)時(shí)煙控效果較好。

        圖7 火源B清晰高度處能見度分布Fig.7 Visibility distribution at clear height of fire source B

        圖8 火源C清晰高度處能見度分布Fig.8 Visibility distribution at clear height of fire source C

        3.4 排煙效率分析

        排煙效率η≥95%是衡量排煙系統(tǒng)效果最直接的指標(biāo)。不同火源位置,不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的排煙效率如表2所示。

        表2 不同火源位置排煙效率Table 2 Smoke exhaust efficiency at different fire source locations

        A點(diǎn)火災(zāi)時(shí)(位于2.2%-1%下坡段),各工況排煙效率呈不對稱分布,上游側(cè)(2.2%坡度)排煙口效率最高。隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大,上游側(cè)排煙效率逐漸降低而下游逐漸升高。當(dāng)單向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速≤1.5m/s時(shí),隨排煙口向下游偏移(上2下4),排煙效率呈增加趨勢。由式(2)中判據(jù)可得:雙向補(bǔ)風(fēng)+排煙口上3下3開啟時(shí),風(fēng)速≥1.5m/s;單向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合時(shí),風(fēng)速≤1.5m/s滿足要求。

        B、C點(diǎn)火災(zāi)時(shí),各工況排煙效率呈不對稱分布,下游側(cè)整體排煙效率較高。雙向補(bǔ)風(fēng)時(shí),上游側(cè)L1-L3效率逐漸增加,下游則減小。單向補(bǔ)風(fēng)時(shí),煙氣被大量吹往下游,隨縱向風(fēng)速的增大,上游排煙效率逐漸降低,出現(xiàn)負(fù)值,表明該排煙口失效,而下游則逐漸升高。B點(diǎn)火災(zāi)時(shí),雙向補(bǔ)風(fēng)≤1.5m/s、單向補(bǔ)風(fēng)1m/s時(shí),排煙效率大于95%;C點(diǎn)火災(zāi)時(shí),雙向補(bǔ)風(fēng)效果不佳,排煙口上3下3開啟、單向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速1m/s和排煙口上2下4開啟、單向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速≤1.5m/s時(shí)煙控效果較好。

        3.5 討論

        通過對不同火源位置、不同補(bǔ)風(fēng)方式+排煙口開啟方式進(jìn)行探究,考慮煙氣蔓延長度、清晰高度處溫度、能見度、排煙效率4個(gè)煙氣控制指標(biāo),進(jìn)而得出煙氣控制方案,如表3所示。

        表3 排煙方案Table 3 Smoke exhaust scheme

        由于隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生位置的隨機(jī)性,控制模式多樣化則不便于工程實(shí)際操作。當(dāng)采用雙向補(bǔ)風(fēng)時(shí),C點(diǎn)無合適的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速滿足煙控要求;當(dāng)單向補(bǔ)風(fēng)配合排煙口上2下4時(shí),三種火災(zāi)位置無統(tǒng)一的風(fēng)速可滿足要求;當(dāng)排煙口上3下3配合1m/s單向補(bǔ)風(fēng)時(shí),均可較好實(shí)現(xiàn)煙氣控制效果,故推薦此方案。

        4 結(jié)論與討論

        本文依托武漢市兩湖V形坡隧道,對隧道不同坡度段位置發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析討論得到如下結(jié)論:

        (1)基于人員安全疏散、煙氣是否有效排出的要求,構(gòu)建了包含60℃煙氣前鋒蔓延長度、排煙效率、清晰高度處溫度與能見度4個(gè)約束指標(biāo)的隧道火災(zāi)煙氣控制效果評價(jià)模型。

        (2)針對武漢兩湖非對稱V形坡隧道,通過對不同火源位置、縱向通風(fēng)+排煙口開啟組合方式進(jìn)行模擬分析,得到:發(fā)生在任意坡度段的火災(zāi),均采用上游隧道洞口處單向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)、排煙口上游、下游各開啟3個(gè)、配合1m/s的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速,均可保證達(dá)到較好的煙氣控制效果。

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