抽出式通风机数量对地铁区间隧道通风排烟能力影响的实验研究*

朱祝龙,赵亚平,宫 宇,田 峰

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133;2.天津市隧道设计及安全评估重点实验室,天津 300133;3.青岛地铁集团有限公司,山东 青岛 266000)

0 引言

统计表明，火灾占地铁事故数量的46%，且85%的受害者是由窒息或浓烟引起的[1-2]。因此，通风排烟是隧道防灾减灾的支撑，而系统性能是支撑中的关键[3-4]。

围绕隧道通风排烟系统，研究方法有现场实验、小尺寸模型实验、数值模拟和理论分析[5-7]。在理论分析的基础上，Lugin等[8]提出具有高效、经济特点的双线隧道通风排烟系统。围绕自然通风，Li等[9]、Goswami等[10]推导自然通风下热压预测方程。然而，量化热压力对地下机械通风系统的影响更具有工程意义。针对这一问题，高明亮等[11]验证区间隧道临界风速对两端纵向通风的影响。应用数值模拟方法，吴妍等[12]得出风井的位置、数量和组合对自然通风性能的定量影响。在自然通风条件下，Liu等[13]预测受坡度影响的烟道气体温度。通过实验数据的定量分析，Li等[14]提出隧道火灾放热率相对增量模型。抑制与控制热灾害是隧道通风的难点之一，基于隧道通风排烟系统，张培红等[15]、Tian等[16]开展喷细水雾灭火与雾化参数研究。针对长江水下隧道，为解决通风排烟系统和气流组织问题，张之启[17]提出大断面和小断面方案。从上述结论及其所涉及的方法来看，地铁区间隧道通风排烟系统的系统实验，尚需深入研究和量化讨论。

本文基于相似理论和量纲分析搭建地铁区间隧道的通风排烟系统物理模型。开展双压零抽、双压一抽、双压二抽的单机输入频率、单机电功消耗、行车道静压、行车道风速和排烟道风速的实时测定。进一步探讨抽出式通风机及其数量对功耗、静压和风速的量化影响，并指出其行车道和排烟因变规律的差异性，为解决此差异导致的评价不明确问题，提出1个新的准则——通风排烟系统性能系数，最后得出性能系数最优的通风机组合——2通风机的双压零抽通风排烟系统。

1 工程原型与实验模型

1.1 工程原型与模型律

本模型实验系统的原型为某地铁区间隧道，全长约8.1 km。以该区间隧道行车道与专用排烟道断面为计算依据，应用相似原理、量纲分析和尼古拉兹自模区效应设计实验模型，简则如下：

1)主体围护结构的材料选用具有超高透光率的聚甲基丙烯酸甲酯。

2)针对车辆活塞风效应等多种力，采用轴流通风机等效进行模拟，满足动力相似性的要求。

3)使模型流动进入阻力平方区，选定模型几何比尺为1∶10，则断面面积比为1∶100；速度比为1∶1，压力比尺为1∶1；为满足流动充分发展的需要，确定隧道模型水平轴向总长为20 m。

1.2 模型实验系统

模型实验系统包括物理模型和动力系统。

1)物理模型

本文采用的隧道模型断面，如图1所示，在模型中部设置有“吊顶排烟口”。“吊顶排烟口”是排烟道与行车道的贯通装置，来自双侧行车道的气流，流经该吊顶排烟口后经排烟道排出。

图1 隧道模型断面

模型实验系统及其主要功能段位，如图2所示，上部圆弧断面为排烟道，下部左右为单洞双线行车道。针对此单线行车道，位于吊顶排烟口右侧的，称之为右行车道，左侧的则为左行车道。

图2 模型实验系统及其主要功能段位

2)动力系统

①“2#风机及风井”，直连该风井的2#通风机为压入式轴流通风机，该通风机的额定功率为11 kW。1#通风机与2#通风机型号相同。

②“4#风机及风井”，直连该风井的4#通风机为抽出式轴流通风机，通风机额定功率为5.5 kW。3#通风机为与4#通风机同型号。

2 通风机组合及其功耗与流动参数

2.1 3种组合的通风机频率与功耗

3种通风机组合依次为双压零抽、双压一抽和双压二抽。双压零抽组合的2台通风机频率与功耗的对应关系，如表1所示。

表1 双压零抽组合的2台通风机频率与功耗

2#通风机的起始输入频率为7.8 Hz，对应的功耗为71 W；输入频率步进值为1 Hz，共计完成18组实验。第18组的输入频率值为24.8 Hz，对应的功耗为1 043 W；在此工况下，1#通风机的功耗为709 W，其输入的频率为19.9 Hz。从1#通风机的第18组数据开始，步退的输入频率为0.3～1.0 Hz，直至6.0 Hz起始的输入频率，此时，对应的1#通风机功耗为35 W。2#与1#通风机之间同频率下的功耗差异表明，即使通风机型号相同，乃至为同一台通风机，应用频率比与功耗比之间的等比线性关系，存在显著的理论误差，并举证了变频调节理论的非等比变化律[18-19]。

1、从农业机械维修的技术方面，无维修设计是其理想的目标，即使需要维修也是很简单的，基本上不花费时间费用。但现实情况不能兼备理想的设计制造工艺、理想的工作环境、理想的操作使用程序以及理想的使用者。因此无维修设计只能是在一定范围内的。这就对农业机械的故障诊断技术及维修技术提出了更深更广的要求。以前由于农业机械基本是由各级国营农机站掌握和使用的，维修体制基本沿袭前苏联计划维修体制，也就是预防维修制，即按一定的时间周期进行大修或更换部件，而维修周期都是基于过去的统计数据确定下来的，所以又叫定期维修。

根据非等比变化律，通风机输入频率与功耗之间的关系，受到变频调节百分比的影响，更受到所服务管网阻力特性的影响。双压零抽的2通风机组合可以克服流动阻力，亦可以采用双压一抽的3通风机组合，或者双压二抽的4通风机组合。双压一抽3通风机组合频率与功耗对应关系，如图3所示。双压二抽4通风机组合频率与功耗对应关系，如图4所示。

图3 双压一抽三通风机组合频率与功耗

图4 双压二抽四通风机组合频率与功耗

结合图3～4可知，在频率值均为24.4 Hz的情况下，双压一抽的4#通风机、双压二抽中的4#通风机和双压二抽中的3#通风机功耗不相等，且三者依次降低。这表明，功耗主要受到通风机所服务管网环路的影响。

2.2 功耗对行车道静压与流速的影响

3种通风机组合下测定的左右两侧行车道静压，如图5所示。在图5中，横轴均为通风机组合功耗，其数值为表1、图3～4中3种组合下单台通风机功耗的算术和，单位为W；左纵轴为双压零抽静压，单位为Pa。

图5 测定的左右两侧行车道静压

对于双压零抽而言，随着功耗增加，双侧行车道静压变大且双侧行车道数值始终保持动态相等。这个动态相等极其类似于物理天平效应，类似于通风排烟系统中的吊顶排烟口。

为探究在3种通风机组合中出现的行车道静压对称分布是否会出现双侧行车道的风速上，测定3种通风机组合下左右两侧行车道风速，如图6所示。对于右侧行车道风速而言，2通风机组合的双压零抽、3通风机组合的双压一抽和4通风机组合双压二抽，对应的数值依次为0.48，0.72，0.73 m/s，左侧依次为1.30，1.67，1.89 m/s，3种通风机组合下的左侧风速均依次大于右侧。从双压零抽的组合来看，虽然2#，1#通风机为压入式通风机的对称布设，但是行车道风速为明显的偏置分布。

图6 测定的左右两侧行车道风速

相比行车道风速偏置分布的双压零抽，同为压入式通风机对称布设的双压一抽和双压二抽，行车道风速呈现近对称分布。

显然，开启抽出式通风机是行车道速度分布具有近对称性的重要动力学条件；对称开启抽出式通风机，是进一步提高行车道速度近对称分布的优化动力学条件。

3 排烟道风速、排风量与系统性能系数

3.1 通风机组合对排烟道风速的影响

3种通风机组合下测定的左右2边排烟道风速，如图7所示。双压二抽组合功耗为299 W时，左排烟道风速为2.72 m/s，右排烟道风速为2.89 m/s，两者偏差为0.17 m/s；随着功耗的增加，该偏差逐渐减少，逼近于0.00 m/s的临界点。显然，双压二抽的排烟道风速分布具有近对称性，乃至对称性，其对称轴为吊顶排烟口。

图7 测定的左右2边排烟道风速

3.2 新指标——通风排烟系统性能系数

为保障安全和司乘逃生，压入式通风机提供的气流稀释、掺混和裹挟行车道中烟雾，形成烟雾气流。为排走烟雾气流，抽出通风机或通过风井排出的风量之和，如式(1)所示：

(1)

式中：Qe为抽出通风机或通过风井排出的风量之和，m3/s；Qe(1)，Qe(j)，…，Qe(m)分别为排风量之和的分项，m3/s；ve(1)，ve(j)，…，ve(m)分别为对应的平均风速，m/s；Ae(1)，Ae(j)，…，Ae(m)分别为对应的截面面积，m2；1，…，j，m分别为序列下标。

为量化不同通风机组合对通风排烟的影响，等效于风压的性能系数，如式(2)所示：

(2)

式中：HVSES为性能系数，Pa；N为通风机及其组合功耗，W；Nk为通风机组合功耗中的某一通风机功耗，W；k为从1到s的序列数。

3.3 抽出式通风机数量及其组合与性能系数

为量化双压零抽、双压一抽和双压二抽对通风排烟实效的影响，利用确定的排烟道断面面积、测得的排烟道风速和通风机组合功耗，具体可依次查阅图3、图7中的纵轴数据和图7中的横轴数据，并代入相应公式，即得3种通风机组合的功耗与通风排烟系统性能系数的关系，如图8所示。实测的性能系数，即为利用已知数据，代入式(1)～(2)计算所得数值。拟合计算表明，性能系数与功耗之间的关系，可表达为二次多项式；这表明，性能系数直接受到通风机组合功耗的影响，且二者关系为二次多项式。类似的二次多项式，亦适用于双压一抽和双压二抽性能系数与通风机组合功耗之间的量化关系。

图8 功耗与通风排烟系统性能系数的关系

在相同通风机组合功耗下，分别得到3种通风机组合的性能系数；进行3个性能系数的算术平均，即得预测的性能系数平均值，即图8中的右纵轴所示，在该轴中，“偏差值”指双压二抽性能系数与预测的性能系数平均值的差值。显然，在相同功耗下双压零抽的性能系数最小，双压一抽次之，双压二抽最高。

4 结论

1)在行车道内，以吊顶排烟口为镜像面，静压呈水平对称分布，且与通风机组合无关。

2)在行车道内，受到2台抽出式通风机的动力作用，双压二抽的风速呈现为对称分布，其镜像面为吊顶排烟口；在1台抽出式通风机的作用下，双压一抽的风速为近对称分布，而双压零抽的风速为偏置分布。

3)对于通风排烟系统性能系数而言，最高的通风机组合为双压二抽，次之为双压一抽，最低的为双压零抽。