隧道横通道附近火源最不利位置的确定

姜学鹏，张　鹏，张剑高，何　超，于年灏

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉　430081; 2.建筑消防工程技术公安部重点实验室， 天津　300381)

横通道是指2条单线隧道之间设置的互为连通、用来疏散旅客的通道。火灾发生后，人员经火区附近横通道快速疏散至非事故隧道进行避难[1-2]。为防止烟气侵入横通道，需对横通道进行送风，使横通道防护门处保持不小于2 m·s-1[3]的风速，其中恰好能抑制烟气侵入横通道的风速称为横通道临界风速[4]。

采用火源与横通道洞口之间的距离表示火源位置。火源位置对横通道的防烟控制有较大影响，将烟气最易侵入横通道时的火源位置称为横通道附近火源最不利位置，此时横通道临界风速最大。因此在研究横通道临界风速时，需要先确定横通道附近火源的最不利位置。Kim等[5]将火源设置在横通道洞口处，以验证韩国Sol-An铁路隧道通风系统的可靠性；Hou[6]将火源设置于横通道上游2 m处，对某地铁隧道横通道防烟效果进行研究；李颖臻[7]将火源设于横通道上游1.5 m，通过1/20的缩尺模型试验建立了横通道临界风速计算模型。上述研究多认为火源最不利位置在横通道附近，但均未对火源最不利位置给予明确的设置依据。

本文拟通过量纲分析建立横通道附近火源最不利位置与相关参数的关系式，采用1∶20缩尺寸模型试验研究相关参数对横通道附近火源最不利位置的影响，进而明确无量纲火源最不利位置与隧道纵向风速、火源功率之间的关系，最终得到横通道附近火源最不利位置的无量纲计算公式。

1　量纲分析

隧道横通道附近火源最不利位置L的主要影响因素[8]有：火源功率Q、隧道纵向风速vt、送入空气密度ρ0、送入空气定压比热Cp、送入空气温度T0、重力加速度g、隧道高度H、横通道防护门高度Hd、防护门宽度W。考虑到在实际隧道中横通道防护门尺寸多为2.2 m×2.2 m[9]，因此防护门的门高Hd、门宽W可以忽略。根据量纲分析的π定理[10]有

f(L,Q,vt,ρ0,Cp,T0,g,H)=0

(1)

[M]，[t]，[L]，[T]为4个基本量纲，上述8个物理量均可由基本量纲表示，因而选择隧道纵向通风速度vt、送入空气密度ρ0、送入空气温度T0、隧道高度H作为4个基础物理量，则式(1)可变为

f(π1,π2,π3,π4)=0

(2)

其中

(3)

根据相似理论规则，式(2)可变为

(4)

其中的无量纲项为

(5)

则式(4)可简化为

(6)

将式(6)写成函数形式，即

(7)

式中：α，β和λ均为系数。

2　缩尺寸模型隧道火灾试验

2.1　试验装置

试验模型依据Froude相似准则[11-13]搭建：长度相似比CL=1∶20；温度相似比CT=1∶1；速度相似比Cv=(Lm/Lp)1/2；火源功率相似比CQ=(Lm/Lp)5/2，其中Lm为模型隧道长度，Lp为实体隧道长度。模型中：隧道的长×宽×高为10 000 mm×600 mm×415 mm，横通道的长×宽×高为1 500 mm×300 mm×300 mm；隧道及横通道的底板采用不锈钢板制造，隧道侧窗及顶板采用8 mm厚钢化玻璃，横通道的其余部分采用4 mm厚有机玻璃；火源置于横通道上游；隧道的左、右侧洞口及横通道洞口均为敞开状态，且隧道左侧洞口与横通道洞口为进风口；模型试验装置如图1所示。

烟气温度采用φ1.0 mm K型热电偶进行测量，其测点布置如图2所示，即在横通道防护门前后各50 mm处，分别设置2串电偶树共14个测点，在防护门内侧横通道顶壁下10 mm处布置9个测点，间距50 mm。试验中各测点温度取烟气状态稳定时100 s内的平均值。

图1　模型试验装置

图2　模型测点布置(单位：mm)

在火源上游隧道设置A-A风速测量断面，用于测量隧道的纵向风速，在横通道防护门处设B-B风速测面，用于测量防护门处的断面风速，A-A断面和B-B断面上风速测点布置见图2。风速采用6162型智能型高温风速仪及L型皮托管+ PY301差压变送器进行测量，其中高温风速仪测试精度为±3%FS，变送器量程范围0～50 Pa、精度为0.5%FS。试验中B-B断面上测点的风速取火灾稳态时60 s内风速的平均值，A-A断面上测点的风速取各测点风速的平均值。

2.2　工况设计

根据量纲分析结果，通过改变火源功率(A01—A09)和隧道纵向风速(B01—B06)，来确定无量纲火源最不利位置与各量纲之间的关系。设计15组试验工况，详见表1。

表1　火源位置的工况设计

2.3　火源最不利位置确定方法

当隧道有一定纵向风时，如果火源位于横通道下游，则该横通道处于烟气回流区域，与火源位于横通道上游时相比，由于烟气层较高而更易控制烟气的回流，由此可知，横通道附近火源最不利位置在横通道的上游。

通过不断改变火源与横通道洞口的距离L，并测得不同距离L时所对应的横通道临界风速，其中横通道临界风速最大的区域即为横通道附近火源最不利位置。如图3所示，随着火源与横通道距离的不断增大，横通道临界风速会在一定范围内保持数值最大，则该距离范围即为横通道附近火源的最不利位置。

图3　火源最不利位置示意图

3　模型试验结果分析

为便于与实际结合，下文分析的试验数据都是将模型试验数据通过相似准则转换后的实体数据。

3.1　隧道纵向风速的影响分析

在火源功率为20 MW及其他参数不变的情况下，隧道纵向风速对横通道附近火源最不利位置的影响见表2。

表2　不同隧道纵向风速下最不利情况时的火源位置

对表2中数据分别进行拟合得到2条拟合曲线，如图4所示。由图4可知：横通道附近火源最不利位置的最大值Lmax为2段曲线，其中当隧道纵向风速在1.0～2.5 m·s-1范围时，Lmax随纵向风速呈现出0.8次方增长趋势，该段曲线的相关系数为0.992 8；当隧道风速超过2.5 m·s-1时，Lmax基本保持在20 m左右，表明随着纵向风速增大到一定程度后，Lmax不再随着纵向风速的变化而变化；不同纵向风速下，横通道附近火源最不利位置的最小值Lmin基本保持不变，说明纵向风速对最小值Lmin基本无影响。由此可知，随着纵向风速的增大，横通道附近火源最不利位置的范围先增大后保持不变。这是由于纵向风速对火焰偏转角[14]作用的结果，火焰偏转角如图5所示。由图5可知：当纵向风速较小时，火焰偏转角随风速的增大而不断减小，导致了火焰直接作用的火区范围不断增大，从而使火源最不利位置范围也随之增大；当纵向风速增大到一定值的时候，火焰偏转角度近似为0°，火焰平行于地面燃烧，火羽流直接作用的火区范围基本不变，从而火源最不利位置范围也保持不变。

图4　不同隧道纵向风速下最不利情况时的火源位置

图5　火焰偏转角示意图

3.2　火源功率的影响分析

在隧道纵向风速为临界风速2.63 m·s-1(根据Wu[15]的公式计算火源功率为20 MW时所得)及其他参数不变的情况下，火源功率对横通道附近火源最不利位置的影响见表3。

表3　不同火源功率下最不利情况时的火源位置

对表3中数据进行拟合得到2条拟合曲线，如图6所示。由图6可知：在隧道纵向风速保持不变的情况下，不同火源功率下横通道附近火源的最不利位置范围基本不变，其中，Lmax保持在20 m左右，Lmin保持在7 m左右，表明火源功率对最不利位置基本无影响。这是由于在隧道纵向风速不变情况下，火焰偏转角基本保持不变，火羽流直接作用的火区范围不变，进而使不同火源功率下横通道附近火源最不利位置范围也保持不变。

图6　不同火源功率下最不利情况时的火源位置

3.3　无量纲公式确定

根据式(7)和模型试验数据，可得横通道附近火源最不利位置最大值Lmax、最小值Lmin的无量纲公式为

(8)

图7　最不利情况时的火源位置模型试验结果

由图7可知λ=6.907，将其带入式(8)，可得横通道附近火源最不利位置区域范围的无量纲公式为

表4　无量纲最不利情况时火源位置表

(9)

4　结　论

(2)随着火源功率增大，横通道附近火源最不利位置范围的最大值Lmax和Lmin均基本没有发生改变，表明火源功率对最不利位置没有影响。

(3)根据量纲分析π定理，推导出横通道附近火源最不利位置的无量纲关系式；通过对模型试验数据进行拟合，明确了无量纲火源最不利位置与各量纲之间的关系，进而得到了横通道附近火源最不利位置的无量纲计算公式。

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