江　平

(貴州省消防總隊(duì)，貴州 貴陽　550001)

?

移動風(fēng)機(jī)距離對隧道排煙效果的影響研究

江平

(貴州省消防總隊(duì)，貴州 貴陽550001)

移動式風(fēng)機(jī)是一種操作更加靈活的排煙設(shè)備，在隧道火災(zāi)中能發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢。通過數(shù)值模擬分析了移動風(fēng)機(jī)距離對排煙效果的影響。結(jié)果表明移動風(fēng)機(jī)應(yīng)用于隧道火災(zāi)排煙時(shí)，其與火源之間存在一個(gè)臨界間距，距離大于或小于該間距，排煙效果都會受到不同程度的影響。

移動風(fēng)機(jī)；隧道火災(zāi)；風(fēng)機(jī)距離；排煙

0　引言

隨著公路交通建設(shè)的快速發(fā)展，目前我國已成為世界上公路隧道最多的國家。如貴州省是一個(gè)多山地區(qū)，高速公路隧道占公路總比重較大，特殊情況下其比例甚至達(dá)到70%～80%[1]。然而公路隧道內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔夂茈y排出，火災(zāi)蔓延速度快，隧道內(nèi)部很快會形成高溫環(huán)境，造成人員疏散與滅火救援困難[2-3]，甚至導(dǎo)致重大人員傷亡[4]。當(dāng)前隧道火災(zāi)煙氣的控制設(shè)備以隧道頂棚的固定射流排煙風(fēng)機(jī)為主，如果火源位置距離固定風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，其排煙效果可能會被弱化。而消防部隊(duì)裝備的一種車載式排煙風(fēng)機(jī)可以在這種特殊環(huán)境下得以更好的應(yīng)用，通過分析該型風(fēng)機(jī)控制煙氣效果的有效操作方式，找出合理的排煙模式，可以為滅火救援和人員疏散等方案的制定提供理論支撐。本文采用數(shù)值計(jì)算軟件FDS6.3.2[5]對移動風(fēng)機(jī)相距火源不同位置時(shí)的排煙效果進(jìn)行模擬研究。

1　隧道建模及場景設(shè)計(jì)

以貴州省遵義市的子尹隧道進(jìn)行建模，該隧道長600 m、寬14 m、高7 m，雙向四車道。其左洞隧道縱向設(shè)計(jì)為1.75%的上坡段和-1.41%的下坡段，相應(yīng)坡段長分別為138 m和457.842 m，隧道平面進(jìn)口段300.478 m為直線，出口段295.364 m位于R=600 m的左偏曲線上?；鹪丛O(shè)置在隧道中心線上，且距離洞口180 m。移動風(fēng)機(jī)參數(shù)依據(jù)遵義市特勤中隊(duì)的隧道專用A類消防車EXORCIST II型確定，該型消防車配置的風(fēng)機(jī)呈圓柱形，長1.5 m，內(nèi)徑0.8 m，軸承距地面2.75 m，最大風(fēng)速30 m·s-1。在FDS中射流風(fēng)機(jī)模型的搭建細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[6]。

根據(jù)隧道火災(zāi)設(shè)計(jì)和前人的試驗(yàn)可知，一輛小型汽車燃燒的火源功率峰值大約在3 MW左右[7]，因此，本文主要考慮火源功率為3 MW時(shí)的排煙情況?；鹪床捎迷趩挝幻娣e上設(shè)置相同的熱釋放速率(HRRPUA)，火源尺寸為長2 m、寬1 m。參照文獻(xiàn)[8]，在兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的前提下，在火源和風(fēng)機(jī)附近60 m范圍內(nèi)，如圖1中的虛線區(qū)域，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.25 m×0.25 m×0.25 m，其他區(qū)域網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m。全尺寸模擬工況如表1所示。

圖1　隧道計(jì)算模型平面圖

工況編號火源功率/MW風(fēng)機(jī)距離火源位置/m風(fēng)機(jī)風(fēng)速/m·s-1131030232030332530433030533530634030735030

2　隧道火災(zāi)煙氣控制

在隧道火災(zāi)中主要可以通過自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)兩種方式進(jìn)行排煙，本文研究的移動風(fēng)機(jī)屬于機(jī)械通風(fēng)中的縱向方式，其主要功能是通過產(chǎn)生高速氣流去抑制煙氣回流和加速煙氣縱向排出隧道，達(dá)到排煙或控制煙氣的目的[9]。此時(shí)，位于火源位置上風(fēng)向的人員能夠在縱向通風(fēng)的保障下，迅速逃生至安全地段，同時(shí)也有利于消防救援人員在上風(fēng)向順利開展滅火工作，這種能夠抑制煙氣回流的最小縱向通風(fēng)速度被定義為臨界風(fēng)速[10]。

Wu和Bakar[11]在同時(shí)考慮隧道截面對臨界風(fēng)速影響的基礎(chǔ)上，選取水力直徑作為特征高度，擬合出臨界風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

(2)

(3)

可見，臨界風(fēng)速對選取合適的縱向通風(fēng)方式具有重要意義。而本文研究的這種移動風(fēng)機(jī)，當(dāng)火源功率為3 MW時(shí)，由上面公式計(jì)算得出臨界風(fēng)速約為3.36 m·s-1，而該型號風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)速可以達(dá)到30 m·s-1，理論上滿足控制煙氣回流的要求。但根據(jù)能量守恒原理，由于移動風(fēng)機(jī)距離火源位置不同，導(dǎo)致到達(dá)火源面的風(fēng)速不同，從而產(chǎn)生排煙效果的差異，然而這個(gè)推導(dǎo)是否成立需要進(jìn)一步討論。

3　結(jié)果分析

3.1風(fēng)機(jī)距離對煙氣回流的影響

模擬結(jié)果顯示，隨著風(fēng)機(jī)與火源之間距離的增加，煙氣回流現(xiàn)象有加劇的趨勢，其中距離在35～50 m之間時(shí)煙氣回流現(xiàn)象并沒有明顯的區(qū)別。這表明，并不是風(fēng)機(jī)距離火源位置越近，其抑制煙氣回流的效果越好，如距離為10 m時(shí)抑制煙氣效果與相距20 m時(shí)相近，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因很可能是由于該型移動風(fēng)機(jī)是一種射流風(fēng)機(jī)。射流風(fēng)機(jī)的工作原理是先由尾部吸氣，然后通過風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行加速后高速噴出氣流，其產(chǎn)生的射流容易造成風(fēng)機(jī)周圍的流場紊亂。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)距離火源位置非常近的時(shí)候，比如10 m位置，風(fēng)機(jī)周圍的卷吸現(xiàn)象會在其附近產(chǎn)生漩渦區(qū)域，由此產(chǎn)生了風(fēng)機(jī)距離火源越近對抑制煙氣回流效果反而有所下降的現(xiàn)象。另外，由模擬煙氣流動圖可觀察到，當(dāng)風(fēng)機(jī)距離火源20和25 m時(shí)，其對煙氣回流的抑制效果相比其他間距要好，如果大于該間距，回流長度會增加，而且回流的煙氣沉降也會更快?？紤]到風(fēng)機(jī)操作人員的安全，為減少有毒有害煙氣對消防人員的危害，風(fēng)機(jī)相距火源不能過小，即風(fēng)機(jī)距離并非越小越好。

3.2風(fēng)機(jī)距離對煙氣溫度的影響

圖2給出了風(fēng)機(jī)距離火源不同位置時(shí)，上風(fēng)向即回流區(qū)域頂棚煙氣最大溫度分布。從圖中可以看出，風(fēng)機(jī)距離火源越近，如圖中的10和20 m位置，回流區(qū)域最大頂棚溫度下降速度快，其控制效果也好。而當(dāng)風(fēng)機(jī)距離火源25～50 m時(shí)，對于回流區(qū)域

圖2　不同距離時(shí)火源上風(fēng)向最大溫度分布

溫度的控制效果沒有明顯的差異，這說明風(fēng)機(jī)與火源距離超過一定臨界范圍后，其控制回流煙氣溫度的效果會明顯減弱，以至于距離對其影響可以忽略。

圖3給出了火源正上方頂棚煙氣最大溫度隨風(fēng)機(jī)距離的變化圖，其中由于火源長度為2 m，火源頂棚煙氣最大溫度取-1～1 m范圍內(nèi)的平均值。由圖可以看出，風(fēng)機(jī)距離對火源上方頂棚最大煙氣溫度呈階段性影響，當(dāng)距離為10 m時(shí)，溫度值相比更遠(yuǎn)的距離有明顯的降低。隨著風(fēng)機(jī)距離的增加，當(dāng)距離在20～30 m范圍內(nèi)時(shí)，距離對火源上方頂棚最大煙氣溫度的影響可以忽略不計(jì)，但距離在35～50 m范圍內(nèi)時(shí)，火源上方頂棚最大煙氣溫度有一個(gè)躍升，這說明在30與35 m之間可能存在一個(gè)臨界距離，如果風(fēng)機(jī)距離小于這個(gè)臨界值，其對火源上方頂棚附近的溫度降低有顯著的影響。顯然該型風(fēng)機(jī)距離火源位置在20～25 m范圍內(nèi)時(shí)，既能很好地抑制煙氣回流長度，也能很好地降低火源上方頂棚最大煙氣溫度。

圖3　火源上方頂棚煙氣最大溫度隨風(fēng)機(jī)距離變化圖

3.3風(fēng)機(jī)距離對煙氣沉降的影響

圖4給出了在火源上風(fēng)向-6 m位置處，風(fēng)機(jī)距離火源不同位置時(shí)，煙氣在該位置豎直方向的沉降時(shí)間變化情況。回流的沉降速度可以在一定程度上用來衡量風(fēng)機(jī)抑制煙氣逆流的實(shí)際效果。由圖可看出，風(fēng)機(jī)距離為25 m時(shí)，回流煙氣沉降速度最快。雖然當(dāng)風(fēng)機(jī)距離為10 m時(shí)，對煙氣初始沉降即豎直高度小于5.5 m的情況下，其控制煙氣沉降的效果最佳，但就總體來說，風(fēng)機(jī)距離為20 m時(shí)，煙氣沉降到豎直高度為3 m的時(shí)間最長，這說明風(fēng)機(jī)距離大于或小于20 m范圍，對控制煙氣回流沉降的效果都會有所減弱。

圖4　不同風(fēng)機(jī)距離時(shí)煙氣沉降時(shí)間變化圖

4　結(jié)論

通過全尺寸排煙模擬，得出移動風(fēng)機(jī)與火源的距離對隧道火災(zāi)煙氣控制效果的影響。(1)對于額定功率的移動風(fēng)機(jī)，在應(yīng)用于隧道火災(zāi)排煙時(shí)，其與火源之間存在一個(gè)臨界距離，距離過大或過小都不能達(dá)到很好地控制煙氣回流的效果。但需要指出的是風(fēng)機(jī)距離越小，對于上風(fēng)向頂棚煙氣溫度的控制效果會更好一些。本文提及的這種移動風(fēng)機(jī)，通過對回流溫度、沉降速度的定性定量分析，模擬結(jié)果表明最佳排煙距離可能在20～25 m范圍之間。(2)由于本文僅對3 MW的火源功率進(jìn)行了模擬分析，在隧道火災(zāi)救援現(xiàn)場，需要根據(jù)火災(zāi)規(guī)模的大小，合理安排移動風(fēng)機(jī)的臺數(shù)，因?yàn)轭~定功率的風(fēng)機(jī)可能并不適用于所有火災(zāi)場景。

[1] 肇啟明.淺談貴州高速公路隧道照明節(jié)能的措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(8):231.

[2] 楊瑞新,陳雪峰.高等級公路長隧道火災(zāi)特點(diǎn)及消防設(shè)計(jì)初探[J].消防科學(xué)與技術(shù),2002,21(5):50-52.

[3] 周旭,趙明華,劉義虎.長大隧道火災(zāi)與防治設(shè)計(jì)研究[J].中南公路工程,2002,27(4):87-90.

[4] BARBATO L,CASCETTA F,MUSTO M,et al.Fire safety investigation for road tunnel ventilation systems-an overview[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,43:253-265.

[5] MCGRATTAN K,HOSITIKKA S,MCDERMOTT R,et al.Fire dynamics simulator(Version 6), user’s guide.2015:NIST Special Pulication 1018-2[S].

[6] 陳碩,彭偉,霍然,等.射流風(fēng)機(jī)作用下的單隧道流場特性[J].消防科學(xué)與技術(shù),2008,27(10):728-730.

[7] LI J S,CHOW W.Numerical studies on performance evaluation of tunnel ventilation safety systems[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18(5):435-452.

[8] 彭偉.公路隧道火災(zāi)中縱向風(fēng)對燃燒及煙氣流動影響的研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.

[9] 胡隆華.隧道火災(zāi)煙氣蔓延的熱物理特性研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

[10] 李穎臻.含救援站特長隧道火災(zāi)特性及煙氣控制研究[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[11] WU Y,BAKAR M A.Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems-a study of the critical velocity[J].Fire Safety Journal,2000,35(4):363-390.

(責(zé)任編輯馬龍)

A Numerical Study on the Effect of Smoke Ventilation in Tunnel Fires by a Movable Fan

JIANG Ping

(FireCropsofGuizhouProvince,Guiyang550001,China)

A movable fan is flexible smoke ventilating equipment, which is applied at the tunnel fire scenarios. Based on numerical simulations, the influence of a fan distance on the effect of smoke ventilation was analyzed in-depth. Results show that there exists a critical value with the distance between a movable fan and a fire source. If the distance is greater or less than the critical value, the effect of smoke ventilation is influenced.

movable fan; tunnel fire; fan distance; smoke exhaust

2016-05-22

江平(1968—)，男，四川三臺人，高級工程師。

TU892

A

1008-2077(2016)08-0028-04