CN106703865A - 一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，通过在隧道内竖井下方设置一块挡板，来改变火灾发生时，隧道和竖井内的烟流运动情况，抑制烟气层吸穿的发生，改善排烟效果。以长60米、宽12米、高5.4米的隧道，竖井上部开口横截面尺寸为长3米、宽3米，下部开口截面尺寸为长5米，宽3米，竖井下部与隧道顶棚呈45度角，高度为5米的竖井为例说明此种设计，此时，挡板的面积为竖井下部开口面积的0.5‑2.0倍，挡板与隧道顶棚的垂直距离设置为隧道高度的0.06‑0.28倍，可以抑制吸穿现象的发生，极大地提高排烟效率。本发明结构简单，经济投入少，能有效的克服竖井自然排烟过程发生吸穿现象对排烟的不利影响，具有广阔的应用前景和重要的实际意义。

Description

一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法。

背景技术

随着世界各国城市化进程不断加快，城市用地与土地资源稀缺的矛盾越来越尖锐，城市人口的数量急剧增加，伴随而来的是人均道路面积持续下降。在这种背景下，开发利用地下空间就成了缓解这一矛盾的必然选择。近年来出现了大量的城市地下公路隧道，缓解了城市的交通压力。城市地下公路隧道是一种典型的狭长空间型建筑，在给人们的出行带来便利的同时，也给火灾防治带来了新的课题。近年来陆续发生了多起重特大隧道火灾，造成了惨重的人员伤亡和财产损失。统计结果表明，造成火灾中人员伤亡的主要因素是由于不完全燃烧所产生的高温有毒烟气。

为了隧道内日常通风换气和在火灾情况下排出烟气和热量以保障隧道内人员的安全疏散，公路隧道通常采用纵向、横向、半横向通风排烟系统。在城市隧道中，排烟的目的是在火灾早期排出烟气和热量，保持烟气层稳定，防止火灾跳跃式蔓延并确保人员安全疏散。若采用射流风机进行纵向通风，会造成隧道出口处污染物浓度过高，难以满足城市环保要求。而且在火灾条件下较大的纵向风速容易破坏隧道内的烟气分层，不利于火灾早期的人员疏散。采用横向和半横向机械排烟系统会极大增加隧道基建和运营管理费用。因此，在隧道顶部设置开口进行自然通风和排烟成为城市隧道的合理选择之一。

目前，若干城市地下隧道开始尝试采用自然排烟方式，并进行了现场实验，证明了在隧道顶部设置竖井进行自然排烟的可行性。城市隧道自然通风方式是指隧道的顶部每隔一定距离设置与外界大气相通的通风竖井，使得外界的空气与隧道内的空气进行交换，以达到对隧道空间的空气温度、湿度、流速等进行调节的目的。隧道发生火灾后，利用竖井中产生的烟囱效应可将烟气直接从隧道内排出，即排出了火灾产生的热量，也会延迟隧道顶棚下方烟气的沉降，为人员疏散争取了宝贵时间。

采用竖井自然排烟的城市公路隧道内发生火灾时，烟气有两种主要的蔓延途径：在远离竖井的区域，烟气在隧道顶棚下方水平蔓延；当蔓延至竖井下方时，部分烟气在浮力作用下向竖井内流动。而烟囱效应是隧道内发生火灾时烟气能够迅速通过竖井排出的主要因素，也是烟气在竖直方向运动的主要驱动力。烟囱效应主要是由隧道内热烟气和环境中冷空气的温度差引起的，温度差引起密度差，从而使烟气在竖井内受浮力作用向上运动。而温差越大，或竖井高度越高，烟囱效应就会越强。

近期，发明人采用小尺寸实验发现了竖井自然排烟过程中发生的边界层分离和吸穿现象。当竖井高度较低时，会发生边界层分离现象，在竖井的左侧壁面附近会存在一个烟气浓度比较低的区域，该区域内只有少量的烟气，也就是说在此高度下竖井的左侧区域基本没有烟气排出，竖井的有效排烟面积大大降低，这严重降低了竖井排烟的有效性。当竖井升高到一定高度时，竖井左侧低烟气浓度区域消失，而在竖井底部中心处出现了凹陷区，发生吸穿现象。

由于竖井下端与隧道顶棚之间的连接角度是直角，当烟气在较强的水平惯性力作用下运动到竖井下部并流入竖井时会立刻与竖井左侧壁面分离，以竖井与隧道顶棚连接外为分离点向下游运动，即发生了所谓的边界层分离现象，竖井排烟时边界层分离现象的发生将会大大降低竖井排烟的有效性。针对这种现象，发明人已经提出了将隧道内自然排烟的直角竖井改为斜角竖井，而且提出了斜角竖井的具体结构，在原直角竖井的基础上克服了边界层分离现象对竖井自然排烟带来的不利影响。

隧道内发生火灾时，烟气从火源区以顶棚射流的形式沿着隧道水平蔓延，形成一定厚度的烟气层。无排烟时，隧道内的烟气分层情况比较稳定。采用竖井排烟时，由于竖井内形成的烟囱效应导致的内外压差使竖井下方的烟气层受到竖向惯性力的作用，与空气分界面处的扰动增强，使得一部分空气被卷吸入烟气层中，在竖井下方形成了稳定的凹陷区。竖井下方出现明显的凹陷区，且随着竖井高度升高，烟囱效应逐渐增强，凹陷区也越来越增大。当竖井达到一定的高度时，凹陷区最高点进入竖井下端开口，竖井下方的烟气层厚度降为0，竖井排烟过程中的这种特殊现象称作吸穿现象。发生吸穿现象时，隧道下部的冷空气被直接吸入竖井，导致竖井的排烟效果显著下降。

本发明在采用竖井自然排烟的隧道中，当发生火灾进行排烟时，在竖井下方增加一块挡板，以抑制吸穿现象的发生对竖井自然排烟的不利影响。本发明不但提出了在竖井下方增加一块挡板，而且提出了挡板的具体结构、尺寸以及悬挂方式，这种方式对于改善竖井排烟效果具有非常重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法。

本发明采用的技术方案为：

一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，对于设有竖井排烟的隧道，在隧道内竖井正下方固定一个挡板，来抑制当火灾发生时隧道内烟气层吸穿现象的发生。

进一步的，以长60米、宽12米、高5.4米的隧道，竖井上部开口横截面尺寸为长3米、宽3米，下部开口截面尺寸为长5米、宽3米，竖井下部与隧道顶棚呈45度角，高度为5米的竖井为例说明此种设计，挡板的面积为竖井面积的0.5-2.0倍，挡板与隧道顶部的距离为隧道高度的0.06-0.28倍。

进一步的，在目前采用竖井排烟或者新建的采用竖井排烟的隧道的顶棚，固定有一个挡板，该挡板的材料为耐高温耐腐蚀的材料。

进一步的，在目前采用竖井排烟或者新建的采用竖井排烟的隧道的顶棚，固定有一个挡板，该挡板的四边有四个孔，通过钢筋与隧道顶棚相连，固定在竖井正下方。

进一步的，挡板的面积为竖井面积的0.5-2.0倍，但是挡板的形状和竖井口形状相似，边长成比例。

进一步的，竖井的形状可以是矩形，也可以是圆形，但要保证挡板的形状和竖井的形状相似且尺寸成比例。

进一步的，隧道的顶棚可以是平顶，也可以是弧形的。

对于设有竖井排烟的隧道，在隧道顶部设置一个挡板，悬挂在竖井正下方。以长60米、宽12米、高5.4米的隧道，竖井上部开口横截面尺寸为长3米、宽3米，下部开口截面尺寸为长5米、宽3米，竖井下部与隧道顶棚呈45度角，高度为5米的竖井为例说明此种设计，发明不应限制于这个隧道和竖井尺寸，因此，只要是利用竖井排烟，在竖井的下方增加一个挡板来改善排烟效果的方案，均属于本发明保护的范围。

本发明的优点和积极效果为：

(1)在实用性方面，通过在采用竖井排烟的隧道顶棚增加一块挡板，平时不会影响车辆的通行，发生火灾时，悬挂在竖井下部的挡板可显著抑制吸穿现象的发生，改善竖井的自然排烟效果；

(2)在安全性和环境友好方面，在隧道顶部增加一块挡板，这不会影响隧道结构安全，不增加额外的动力系统，安全可靠，同时也不会对环境造成影响；

(3)在施工操作和经济成本方面，不论是对于已经建成的采用自然排烟的隧道还是新建的采用竖井排烟的隧道，在顶棚增加一块挡板，操作简单，成本低，易于实现。

本发明在原来采用竖井排烟的隧道或者新建的采用竖井排烟的隧道顶部增加挡板抑制吸穿现象的发生，易于实现，成本低，操作简单，安全可靠性高。改善了隧道火灾发生后采用竖井自然排烟的排烟效果，具有广阔的应用前景和重要的实际意义，同时有利于推动竖井自然排烟方式的发展和应用。

附图说明

图1为挡板悬挂在竖井正下方的采用竖井排烟的隧道的结构示意图；

图2为挡板的结构示意图；

图3为没有挡板和增加挡板时的采用竖井排烟时竖井内部流场结构，其中，图3(a)为没有挡板时的采用竖井排烟时竖井内部流场结构，图3(b)为增加挡板时的采用竖井排烟时竖井内部流场结构；

图4为没有挡板和增加挡板时的采用竖井排烟时竖井内部温度场图，其中，图4(a)为没有挡板时的采用竖井排烟时竖井内部温度场图，图4(b)为增加挡板时的采用竖井排烟时竖井内部温度场图；

图5为挡板悬挂在竖井正下方的采用竖井排烟的隧道的实施例示意图。

图中标号：1-隧道；2-竖井；3-挡板；4-挡板长度；5-挡板宽度；6-挡板高度。

具体实施方式

下面结合附图，以设置有斜角竖井的隧道的纵向某一段结构为例，对本发明作进一步说明。

参见图1，顶棚上方设置斜角竖井的隧道包括隧道主体1、斜角竖井2和固定在顶棚的挡板3。隧道主体长度为60米，隧道内部高度为5.4米，宽度为12米，斜角竖井高度为6.0米(在实际工程中，竖井高度与隧道上方的土层厚度有关)，斜角竖井上部开口横截面尺寸为3米(长度)*3米(宽度)。竖井下部与隧道连接的部位(包括隧道上游和下游两个方向)有两个三棱柱空间，三棱柱的三角形切面的竖向边长(竖井高度方向)为1米，纵向边长(隧道长度方向)为1米，竖井与隧道的连接角度为45°，挡板固定在竖井正下方。

参见图2，挡板的具体结构，挡板采用耐高温防火材料，挡板形状与竖井下部开口截面保持一致，长度、宽度与竖井下部开口截面成比例，挡板的面积为竖井下部开口面积的0.5-2.0倍，挡板与隧道顶棚的垂直距离设置为隧道高度的0.06-0.28倍。

参见图3，图3给出了没有挡板(图3(a))和增加挡板(图3(b))排烟时斜角竖井内部的流场结构。图3所示的切面为图1中A-A剖面位置上竖井纵断面，借助计算流体动力学模拟程序Fire Dynamics Simulator获得。烟气由竖井下方左侧流入竖井(火源设置在隧道内竖井左侧区域，距离竖井中心30米)。没有挡板时，采用竖井排烟时，由于竖井内形成的烟囱效应导致的内外压差使竖井下方的烟气层受到竖向惯性力的作用，与空气分界面处的扰动增强，使得一部分空气被卷吸入烟气层中，在竖井下方形成了稳定的凹陷区。竖井下方出现明显的凹陷区，且随着竖井高度升高，烟囱效应逐渐增强，凹陷区也越来越增大。当竖井达到一定的高度时，凹陷区最高点进入竖井下端开口，竖井下方的烟气层厚度降为0，竖井排烟过程中的这种特殊现象称作吸穿现象。发生吸穿现象时，隧道下部的冷空气被直接吸入竖井，导致竖井的排烟效果显著下降。在竖井正下方增加挡板后，吸穿现象被基本消除。因此，从工程造价、技术层面和工程应用来说，该方案简单易行，便于工程应用。

参见图4，图4给出了没有挡板(图4(a))和增加挡板(图4(b))排烟时斜角竖井内部的温度场，此图借助计算流体动力学模拟程序Fire Dynamics Simulator获得。从图中可以看出，当没有挡板时，竖井内部存在一个很大的低温区域，环境空气通过竖井直接排出，大大降低了竖井的排烟效率。在竖井下方增加挡板之后，竖井内部低温区域消失，烟气层吸穿现象被很好的抑制，可显著改善竖井排烟的效果。

Claims (7)

1.一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：对于设有竖井排烟的隧道，在隧道内隧道正下方设置一个挡板，当火灾发生时，合适大小和位置的挡板可以改变隧道和竖井内的流场结构，抑制烟气吸穿的发生，改善排烟效果。

2.根据权利要求1所述的一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：对于长60米、宽12米、高5.4米的隧道，竖井上部开口横截面尺寸为长3米、宽3米，下部开口截面尺寸为长5米、宽3米，竖井下部与隧道顶棚呈45度角，高度为5米的竖井，挡板的面积为竖井面积的0.5-2.0倍，挡板与隧道顶部的距离为隧道高度的0.06-0.28倍。

3.根据权利要求1所述的一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：在采用竖井排烟或者新建的采用竖井排烟的隧道内竖井正下方，固定有一个挡板，该挡板的材料为耐高温耐腐蚀的材料。

4.根据权利要求1所述的一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：在采用竖井排烟或者新建的采用竖井排烟的隧道的顶棚，固定有一个挡板，该挡板的四边有四个孔，通过钢筋与隧道顶棚相连，固定在竖井正下方。

5.根据权利要求1所述的一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：挡板的面积为竖井面积的0.5-2.0倍，并且挡板的形状和竖井口形状相似，边长成比例。

6.根据权利要求1所述的一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：竖井的形状可以是矩形，也可以是圆形，但要保证挡板的形状和竖井的形状相似且尺寸成比例。

7.根据权利要求1所述的一种抑制烟气吸穿提升竖井自然排烟效率的方法，其特征在于：隧道的顶棚可以是平顶，也可以是弧形的。