隧道火灾中重点排烟的排烟量及排烟口布置_李俊梅.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月北京工业大学学报 隧道火灾中重点排烟的排烟量及排烟口布置李俊梅,涂登凯,李炎锋,谢 飞,董启伟,毕 强(绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室,北京;北京工业大学城市建设学部,北京;北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京)摘 要:排烟量和排烟口布置是隧道重点排烟中影响烟气控制效果的关键因素 采用数值模拟的方法研究不同火源功率及不同隧道宽度时火灾烟气的生成量,并依据烟气生成量研究不同排烟量、不同排烟口布置对隧道内烟气蔓延长度和排热效率的影响 研究结果表明,烟气的生成量与火源功率、隧道宽度以及烟气的蔓延长度密切相关当前规范中推荐的排烟量难以达到公路隧道通风设计细则中建议的
2、的烟气控制目标 若以烟气的控制范围为排烟系统的设计目标,烟气的控制范围和排烟口的开启范围之间存在线性关系,设计中可依此优化排烟口的布置关键词:重点排烟;烟气产生量;排烟量;排烟口布置;蔓延长度;排热效率中图分类号:文献标志码:文章编号:():收稿日期:;修回日期:基金项目:北京市自然科学基金资助项目();国家自然科学基金资助项目()作者简介:李俊梅(),女,副教授,主要从事建筑火灾安全方面的研究,:,(,;,;,):,“”,:;北 京 工 业 大 学 学 报 年 近年来,全国范围内的公路隧道建设的数量越来越多里程越来越长 由于隧道内部的空间狭长且相对封闭、通风照明条件差、人员疏散路径长,因此,
3、隧道发生火灾时产生的高温烟气极易威胁隧道内的人员和隧道结构安全 因此,火灾时如何快速有效地排出和控制烟气是隧道安全运营的关键重点排烟是隧道发生火灾时打开火源上方附近的排烟口,利用独立排烟道将烟气集中排出,是一种有效控制火灾烟气的方法 采用重点排烟时,排烟量、排烟口布置是影响烟气控制效果的重要因素 规范中关于隧道重点排烟的相关规定重点排烟系统设计的关键参数之一是排烟量的确定 关于重点排烟的排烟量,我国的公路隧道通风设计细则()、建筑设计防火规范()、道路隧道设计规范()、城市地下道路工程设计规范()、湖南省地方标准公路隧道消防设计规范()及文献等都给出排烟量的推荐值,如表 所示表 规范推荐的隧道
4、重点排烟排烟量 规范标准火灾功率 公路隧道消防设计规范 车道 车道 公路隧道通风设计细则 建筑设计防火规范根据火灾规模、隧道空间形状等确定城市地下道路工程设计规范根据火灾热释放率计算 从表 可以看出,关于产烟量,各规范推荐值差异较大,湖南地标公路隧道消防技术规范中给出的排烟量远大于其他规范给出的推荐值重点排烟设计的另一个关键是排烟口的设计与布置 关于排烟口的布置,公路隧道通风设计细则中规定排烟口纵向间距不宜小于 ,而道路隧道设计规范中规定排烟口的间距不宜大于;湖南省的地标公路隧道消防设计规范中规定排烟口的间距不应大于 上述各规范中关于排烟口布置的规定,不但大不相同,而且还出现相互矛盾的条款 以
5、上这些都使得设计人员在设计隧道重点排烟时无所适从关于重点排烟的排烟量和排烟口参数的设定,国内外学者进行了相关研究 张甫仁等对集中排烟参数对侧向集中排烟系统排烟效果的影响进行研究,发现排烟效率和排烟效能随着排烟风量的增加呈现出先增后减的趋势 姜学鹏等研究不同排烟量对隧道火灾烟气控制效果的影响,对比分析排烟风速、排烟温度、排烟效率、处能见度及烟气蔓延范围,表明排烟量对排烟效率的影响 很 大,火 源 功 率 时 最 佳 排 烟 量 为 刘琪等分析在 火源功率下,从排烟效率和排热效能 个指标得出 火源功率的最佳排烟量为 等针对排烟时排烟口常见的干扰问题运用大尺寸试验和模型试验相结合的方法进行研究,得出
6、研究排烟口间距的必要性 等对重点排烟系统的排热系数进行试验研究,研究表明较小的排烟口有利于提高排热效率,排热效率随着排烟口总面积以及与火源距离的增加而增加 等采用模型试验研究不同排烟方式的排热效率和排烟效率,结果表明排热效率随着排烟口开启数量的减少而增加,随着排烟口面积的增加而降低 等采用数值模拟的方法对 种不同排烟口设置的火灾场景进行模拟,指出排烟口面积对排烟效果的影响较小,排烟口的间距及数量对重点排烟的烟气控制影响较大 等采用计算机建模和数值模拟方法进行单点排烟与多点排烟的排烟性能研 第 期李俊梅,等:隧道火灾中重点排烟的排烟量及排烟口布置究,研究发现单点排烟方式比多点排烟方式更有效由上述
7、研究结果可以看出,不同学者基于不同的研究场景,所得出的结论也不尽相同近年来,重点排烟在我国新建的特长隧道、城市隧道中应用越来越多,但是不同隧道规范中关于设计产烟量以及排烟口设置参数方面存在的差异,给设计人员在设计过程中带来较大的困惑 针对重点排烟,排烟量如何确定、排烟口如何设计才能达到有效控制烟气的效果,排烟口布置与烟气控制范围之间如何关联都需进行进一步的研究 基于此,针对重点排烟系统,本文将采用数值模拟的方法,对产烟量如何确定、排烟口布置和烟气控制效果之间的关系,进行深入地研究和探讨 隧道模型建立本研 究 将 采 用 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 院(,)开发的火灾动力学模拟专用软
8、件(,)对隧道火灾烟气扩散特性进行研究 能够很好地模拟火灾中的燃烧及空气流动,其模拟火灾的可靠性和精确性已经过大量试验和工程实践的验证.隧道模型的建立.模型尺寸本研究以典型的城市隧道结构为研究对象,车道隧道宽度为 、车道隧道宽 、车道隧道宽,行车道净高.为减少边界条件对隧道内火灾烟气特性影响,且考虑计算机资源的限制,模拟隧道长度设定为 火源位于隧道中部,火源尺寸为 (长 宽),火源距地面高度为 集中排烟时,行车道上方由顶隔板隔成排烟道,净高.,隔板厚度为.,隧道断面示意图如图 所示 排烟时,排烟口沿着隧道顶中心线纵向分布.网格划分在 模拟中,采用的是大涡模拟,一般来说网格划分越精细,结果精确度
9、越高,但是对于计算机硬件和计算时间要求越高 当火源特征直径 与计算网格尺寸 的比值范围在 时,模拟计算结果比较好 其中 为(c)()式中:为火源功率,;为环境空气密度,图 模拟隧道示意图(单位:)(:);c定压比热,();为环境空气温度,;为重力加速度,根据式()计算得到模拟火源中的最小火源功率 的网格尺寸 .图 为 火源功率下,不同网格尺寸的顶棚温度分布对比,.与 .的结果几乎重合,.时已达到网格独立 本文采用火源上下游 的网格尺寸为.,其余区域采用网格尺寸为.,以此平衡计算精度和计算时间图 顶棚温度分布 .研究工况设定本研究将对不同火灾规模及隧道结构对火灾产烟量的影响进行研究,并在此基础上
10、探讨重点排烟时,排烟口的布置对排烟效果的影响 研究分为烟气自由扩散工况探讨烟气产生量和排烟工况研究排烟口参数优化布置 种场景.隧道火灾产烟量研究.研究工况设定自由扩散工况为 种火源功率和 种车道数的组合,具体设定如表 所示北 京 工 业 大 学 学 报 年表 自由扩散工况 工况车道数宽度 、.模拟结果分析根据 ,火灾中需要排出的烟气,不仅是燃料燃烧的产物,还包括大量卷吸进来的空气因此火灾中的产烟量不仅与火源功率 有关,还和火源的结构特性及烟气的蔓延距离有关 基于此定义,不同火源功率、不同车道宽度的烟气的体积流量随离火源距离的变化如图 所示,图中给出的烟气流量为距离火源单侧的烟气量,断面烟气流量
11、会随着时间先增大然后再趋于稳定,图 的断面流量结果均选择所有断面的烟气流量稳定后的结果,大约为 后 从图()()()中可以看出,火源功率对不同断面烟气的体积流量影响较大,在火源附近,烟气温度较高,且流动速度较快,随着流动过程中不断地卷吸下部冷空气,烟气质量流量随着距离火源距离的增加而增加,但是由于烟气密度随着温度的降低而增大,因此烟气的体积流量的增加不显著;随着烟气卷吸冷空气以及与墙壁和空气散热,烟气温度降低、卷吸量减少,烟气体积流量随着距火源距离的增加逐渐降低 由于温度降低,烟气缺乏前行动力,烟气逐渐沉降并充满整个隧道断面 当隧道宽度不同时,由于火源产生的热烟气会卷吸更多的空气,因此,断面的
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