顶部竖井隧道自然通风排烟实验的设计与实践

王彦富, 闫培娜, 孙小斐, 刘　洋

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛　266580)



顶部竖井隧道自然通风排烟实验的设计与实践

王彦富, 闫培娜, 孙小斐, 刘洋

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛266580)

以某顶部竖井自然通风隧道为原型,自主研发了1∶10缩比例隧道模型实验平台,开展多竖井隧道自然通风排烟实验,观察不同顶部竖井设计工况的排烟效果,并测量烟气逆流距离、纵向温度分布、顶棚附近烟气最高温度、烟气纵向扩散速率和烟气的沉降速率,为顶部竖井的优化分析提供数据支持。教学实践表明,采用正交试验法设计实验工况,既减少了实验工作量,又保证了实验结果的有效性,同时帮助学生深刻理解顶部竖井自然通风排烟的基本原理,培养了学生的团队合作和探索创新的能力。

多竖井隧道； 自然通风排烟； 正交试验法

随着我国隧道数量的增加,发生隧道火灾的潜在危险性也越来越大。隧道火灾具有烟气蔓延迅速、救援难度大、人员逃生困难等特点,使其具有严重的事故后果[1-3]。新型多竖井隧道采用顶部竖井自然通风方式,相比于传统的机械通风,降低工程总投资30%左右,在缓解我国交通压力方面起到重要作用,因此具有十分广阔的应用前景[4-5]。

研究竖井对隧道火灾自然排烟影响的文献中,大多通过改变竖井尺寸的单一参数,尚缺少考虑竖井尺寸多参数同时变化对自然通风排烟影响的研究[6]。本文开展竖井尺寸多参数同时变化时隧道通风排烟实验,以研究竖井高度、宽度、间距和个数对排烟的影响。由于全尺寸实验周期长、规模大、费用高等缺点,而正交试验具有均匀分散和整齐可比的优点,且所得实验结果与全面实验相比相差不大。本文运用正交试验方法设计顶部竖井隧道自然通风排烟的教学实验,使学生掌握多竖井自然通风排烟的基本原理。

本文设计的教学实验,把100个学生分成10组,按照设计好的实验方案开展隧道通风排烟实验,收集并记录实验数据,自主设计数据处理与分析方案。实验结束后,以小组为单位提交实验分析报告。培养学生的团队合作和探索创新的能力。

1　实验原理

1.1烟气逆流

火灾发生时,热烟气在热浮力的作用下向上运动,冷空气从隧道下方向火源点补充,火源两侧形成对称的循环流动。如果隧道内有纵向风,且纵向风速较小,不足以克服热浮力驱动下的热烟气运动时,将产生烟气回流现象,如图1所示。

图1　烟气回流现象示意图

由于纵向风速与逆流烟气的运动方向相反,因此纵向风流与热烟气发生反向剪切作用,此时,纵向风流阻碍烟气的蔓延。烟气蔓延的水平惯性力是由烟气与环境温度之间的温差所引起的。随着烟气蔓延距离的延长,烟气与隧道壁面和环境之间不断进行热交换,导致烟气与环境之间的温差逐渐降低,因此烟气扩散速率也不断降低。当烟气的水平惯性力与纵向风阻力相当时,烟气逆流前锋将停滞不前,烟气逆流前锋与环境之间的静压差与纵向自然风的动压相等,此时烟气的扩散距离称为“烟气逆流距离”[7]。在火源下游,纵向风与烟气蔓延方向相同,则纵向风与烟气表现为同向剪切作用,因此,烟气蔓延速率往往大于火源上游。

1.2烟气层吸穿原理

顶部竖井隧道是利用热压进行自然通风的。进入竖井的高温烟气与隧道内的冷空气存在温度差,温度差导致密度压,这种密度压使烟气在隧道内受浮力作用向上运动,温差越大,烟囱效应越明显[8]。烟气通过竖井排出的过程主要受到自身的水平惯性力与烟囱效应引起的竖向惯性力作用,在竖井下方由于竖向惯性力的作用会使大量空气卷吸进入烟气层。此时,竖井下方出现凹陷区。卷吸进入烟气层的空气一部分通过竖井排出,另一部分随烟气在隧道内继续纵向流动。当烟囱效应增大到一定程度时,凹陷区域的最高点进入竖井内,竖井下方烟气层的厚度为0,即发生烟气层吸穿现象[9-11](如图2所示)。进入竖井内的烟气一部分经竖井排出,一部分随热烟气继续纵向蔓延。

图2　烟气层吸穿示意图

2　实验装置

2.1模型介绍

以南京市某竖井隧道为原型,综合考虑相似性和可操作性等各因素的影响,通过多次模拟和反复论证,确定相似比为1∶10的隧道模型[12-13]。隧道通风和排烟实验装置安装结构如图3所示。

图3　隧道通风和排烟实验装置安装结构示意图

该单元主要由8个基本结构构成:

(1) 竖井间隔板,该结构用以辅助控制竖井的高度和宽度；

(2) 第二层竖井,基于第一层竖井,变化不同的高度；

(3) 竖井组间距结构体,用于控制竖井组之间的距离；

(4) 稳定结构装置体,用于保证模型整体的稳定性；

(5) 侧面立板；

(6) 底板结构体；

(7) 顶板结构体,用于控制竖井的宽度；

(8) 第一层竖井(高度为265 mm)。

为了便于清楚地观察实验现象,隧道模型侧壁采用透明度较好的聚碳酸酯材料,隧道顶板则采用耐热的普通铁皮制成,模型底板和竖井均采用材质较轻的镀锌铁皮制成。隧道模型实验平台由5组单元通过螺栓连接组成。单个竖井的尺寸为0.3 m×0.26 m×0.465 m,相邻竖井间距为0.02 m。每组模型主体均安装4个直径为50 mm的钢制万向轮,便于模型的组装和移动。隧道模型实物如图4所示。

图4　隧道模型实物图

为了研究顶部竖井参数变化对自然排烟效果的影响,设计不同竖井工况的实验方案,其中各个竖井参数变化如表1所示。

表1　顶部竖井参数变化值

2.2实验设备

用KANE950烟气分析仪和SUMMIT708烟气分析仪/燃烧效率分析仪测量烟气浓度；火源附近烟气温度较高,采用耐高温K型热电偶进行测量,并用HIOKI8860-50存储记录仪对数据进行记录和存储；近火源的烟气温度由USB7410采集模块和16个T型热电偶进行采集和记录；远火源位置处的烟气温度采用YM232TM-1温度采集模块及其测量系统进行采集和记录；同时,采用数码摄像机对实验过程进行实时视频记录；在模型内部特定位置安装感烟报警器,当烟气扩散至该位置并达到一定浓度时,感烟探测器发出感应信号,结合秒表记录烟气扩散数据；环境风速与温度采用Kestrel 4100便携式微电脑多用途风速仪进行测量。

3　实验设计

3.1实验方案总体设计

通过借鉴相关实验教学的经验[14-17],设计顶部竖井隧道通风、排烟模型实验,观察在顶部竖井宽度、竖井高度、竖井数量、单个竖井间距、竖井组间距等参数变化工况下的排烟效果,测量不同工况下的纵向温度分布、顶棚附近烟气最高温度、烟气的扩散速率、沉降速率,为顶部竖井的优化分析提供数据支持。

若在其他实验条件固定不变的情况下考虑单一因素对整体效果的影响开展实验,则实验工况众多,工作量较大。为了保证实验结果的有效性并减少开展实验的工作量,采用正交试验法设计实验工况,且不考虑因素之间的交互作用。正交试验法是针对多因素、多水平,并根据正交性从全面实验中挑选出部分具有代表性的工况进行实验的设计方法。正交试验具有均匀分散和整齐可比的特点,且所得结果与全面实验所得结果相比相差不大[18]。实验中竖井长度保持300 mm,单个竖井间距保持20 mm不变,选择竖井宽度、高度、竖井组间距以及每组竖井个数作为可控因素。

本实验的可控因素及水平如表2所示,实验工况设计如表3所示。

表2　可控因子及水平表

表3　正交试验法实验工况

3.2实验步骤设计

该实验测量系统布置如图5所示,竖井布置以每组竖井为单位,以火源为中心沿纵向对称布置。通过改变每组竖井的宽度、高度、数量和组间距,观察隧道的排烟效果及烟气层吸穿现象,记录各观察点烟气层的沉降时间和蔓延时间,测量不同工况下烟气纵向温度分布和顶棚附近烟气最高温度。

图5　实验布置示意图(单位:mm)

实验操作步骤如下:

(1) 用螺栓将隧道模型单元依次固定连接,将柴油油盘放置在隧道模型中央,按图5所示布置烟气温度测点。

(2) 在上游和下游分别安排一名实验人员跟随烟气到达指定位置,当烟气扩散至各热电偶束的最高温度测点时,由实验人员记录烟气层到达该位置的时间。同时分别在上游S2—S6、下游X2—X6热电偶束一侧安装感烟探测器。当烟气扩散到每个热电偶束,并且达到一定浓度时,感烟探测器发出感应信号,传到报警主机,报警主机显示报警位置和报警时间。

(3) 实验前在模型侧壁用记号笔画好刻度,同时贴好荧光胶条,作为辅助判断。在上游的S1—S4支架和下游的X1—X4支架分别安排实验观察人员,当烟气层沉降到稳定位置处,记录沉降时间。

(4) 采用风速仪测量环境风速与温度,同时开启摄像机记录烟气扩散、蔓延现象。

(5) 实验人员就位,点火后实验人员开始观察记录,注意观察是否发生了烟气层吸穿现象。

(6) 改变实验工况,观察隧道排烟效果,分别记录烟气蔓延和沉降时间。

(7) 实验完毕,清理实验现场并将实验设备存放。

(8) 分别绘制烟气逆流距离、烟气蔓延速率、烟气沉降速率曲线图,找出容易发生烟气层吸穿的工况。

实验过程中实验人员应统一指挥、互相配合，烟气沉降和烟气扩散应以稳定烟气层为观察对象。

4　实验结果与分析

由于篇幅有限,仅给出竖井宽度对自然排烟的影响分析。通过对实验过程的观测和对实验数据的分析可以得到:

(1) 顶棚附近无量纲温升变化规律。图6和图7为当竖井宽度变化时,上下游顶棚附近无量纲温升分布规律图。从图6可以看出,随着竖井宽度的增加,顶棚附近的温度呈下降趋势。从图7可以看出,在近火源区,顶棚附近的温度随排烟口宽度的增加变化不大,而在远火源区,随着竖井宽度的增加,顶棚附近的温度基本呈下降趋势,但相邻两个工况的下降幅度与上游相比较小。

图6　上游顶棚附近无量纲温升分布规律

图7　下游顶棚附近无量纲温升分布规律

(2) 烟气扩散变化规律。图8和图9为当竖井宽度变化时,上下游烟气的扩散规律图。从图8可以看出,在上游,当竖井的宽度为260 mm时,烟气的扩散速率最低,且扩散至离火源3.3 m时,所用时间为300 s,且烟气基本不再向前蔓延；当竖井宽度为360 mm时,烟气的扩散速率最快。从图9可以看出,在下游,当排烟口宽度为60 mm或260 mm时,烟气的扩散速率较慢。

图8　上游扩散情况

图9　下游扩散情况

(3) 烟气层沉降变化规律。图10和图11为当竖井宽度变化时,上下游烟气层的沉降变化图。从图10可以看出,在离地面435 mm高度以上,当竖井间距为160 mm和260 mm时,烟气层的沉降速率较慢,而后竖井宽度为260 mm的工况烟气沉降速率有所加快。从图11可以看出,在435 mm高度以上,随着竖井宽度的增加,烟气的沉降速率逐渐减小。当沉降高度低于435 mm时,竖井宽度为60 mm的工况,沉降速率下降较大。

图10　上游烟气层沉降情况

图11　下游烟气层沉降情况

综合考虑,竖井的设计宽度应为60～260 mm,对应原型的尺寸为0.6～2.6 m。

5　结语

以科研成果反哺教学是科学研究的一项本质工作。根据完成的山东省自然基金项目和国家自然基金项目,将“基于正交试验法的竖井隧道通风排烟优化技术”引入到我校安全科学与工程本科专业的实践教学体系,以培养学生创新实践能力为目标,不断拓宽实践教学内容,构建研究型实验教学模式,促进科研成果向教学成果的二次转化。

本文首次运用正交试验的方法研究多个竖井参数同时变化对火灾规律的动态影响,确定最佳竖井方案组合和最优结构形式,指导该新型隧道的竖井设计。与以往研究竖井单一参数对自然排烟影响的实验相比,基于正交试验方法的多竖井隧道火灾模型实验设计,可以同时考虑顶部竖井高度、宽度、组间距、个数对隧道内烟气流动的影响,有效降低了实验的重复次数,大大减少了工作量,从而节约了大量的人力、时间和经费。本系列教学实验的开展,学生以小组团队参与其中,自主动手实践探究获取知识,帮助学生深刻理解多竖井自然通风排烟的基本原理。实验结束后,以小组为单位自主设计数据处理与分析方案,并提交实验分析报告,培养学生的探索创新能力。

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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

国家自然基金项目(51409260)；山东省自然基金面上项目(ZR2012EEM023)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(14CX05035A)

王彦富(1981—),女,山东威海,博士,副教授,研究方向为隧道火灾、海洋平台火灾.E-mail：wangyanfu@upc.edu.cn

G643.423

A

1002-4956(2016)10-0176-05