CN110490426A - 一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，包括以下步骤：通过理论分析确定水幕挡烟隔热效果有效指标和隧道安全疏散有效指标；根据水幕挡烟隔热效果有效指标和隧道安全疏散有效指标确定隧道模型的尺寸、火灾场景、水幕的基础设定参数；在几何模型中通过数值模拟，获得开启水幕前后的隧道安全疏散有效指标的数值，根据隧道安全疏散有效指标的数值计算出水幕挡烟隔热效果有效指标；以水幕挡烟隔热效果有效指标中的喷水强度和动量比为变量，模拟分析喷水强度和动量比对水幕挡烟隔热效果的影响；根据上述分析结果建立水幕挡烟隔热效果评估体系。有益效果：为隧道水幕挡烟隔热效果提高一套有效的评估方法，从而为隧道消防设计提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及隧道火灾控烟技术领域，具体涉及一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法。
背景技术
近年来，水幕作为一种能够隔烟、阻火、清洗毒气的“软性分隔”，让受困人员可以方便地穿过水幕安全疏散，基于诸多优势，它越来越多的被应用于隧道。但到目前为止，水幕挡烟隔热的效果却未有一个定性、定量的评估方法去体现，如挡烟效率、隔热效率、有效挡烟隔热动量比等；同时，水幕在隧道火灾中的应用更是缺少现行标准规范指导，需要切实可行的相关参数作指导，以期为地下道路消防设计提供参考。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，方法简单，为隧道水幕挡烟隔热效果提高一套有效的评估方法，从而为隧道消防设计提供参考。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，包括以下步骤：
S1：通过理论分析确定水幕挡烟隔热效果有效指标和隧道安全疏散有效指标；
S2：根据选择的所述水幕挡烟隔热效果有效指标和所述隧道安全疏散有效指标确定隧道模型的尺寸、火灾场景、水幕的基础设定参数；
S3：在几何模型中通过数值模拟，获得开启水幕前后的所述隧道安全疏散有效指标的数值，根据所述隧道安全疏散有效指标的数值计算出所述水幕挡烟隔热效果有效指标；
S4：以所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的喷水强度和动量比为变量，在所述几何模型中进行数值模拟，分析所述喷水强度和所述动量比对水幕挡烟隔热效果的影响；
S5：根据上述分析结果建立水幕挡烟隔热效果评估体系。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤S1中的所述隧道安全疏散有效指标包括水幕挡下烟气质量mi、穿过水幕烟气质量mj、烟气总质量mp、水幕启动前隧道辐射热通量E0、水幕启动后隧道辐射热通量E1、烟气密度ρs、烟气体积Vs、烟气入口面积As、水幕喷射角度θ、水幕入口面积Aj、水的密度ρj和水幕流下的水的体积Vj。
进一步，所述步骤S1中的所述水幕挡烟隔热效果有效指标包括挡烟效率η、隔热效率λ、所述喷水强度Q和所述动量比R。
进一步，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述挡烟效率η的计算公式为：
进一步，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述隔热效率λ的计算公式如下：
进一步，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述动量比R的计算公式如下：
进一步，所述步骤S4中，根据所述步骤S3中数值模拟的结果，以所述挡烟效率η和所述隔热效率λ为评估指标，选取所述挡烟效率η为30-50％和隔热效率λ为90％以上时的所述喷水强度Q和动力比R，以确定最佳喷水强度范围和最佳动力比范围。
进一步，所述步骤S5中，根据所述步骤S4中确定的所述最佳喷水强度范围和所述最佳动力比范围确定水幕安全评估指标，以建立水幕多指标评估体系。
进一步，所述步骤S2中的所述隧道模型包括单向双车道隧道，其尺寸的宽×高为9m×(4-5)m，所述单向双车道隧道(1)的断面尺寸均相同；所述步骤S2中的所述火灾场景中火源的功率为5～15MW，所述火源的尺寸长×宽×高为5m×2m×(0.1-0.3)m，所述火源位于所述单向双车道隧道的中心线上。
进一步，所述步骤S2中的所述隧道模型还包括支路隧道，所述支路隧道一端与所述单向双车道隧道连接，且所述支路隧道与所述单向双车道隧道垂直；所述步骤S2中的水幕包括多个水幕喷头，多个所述水幕喷头均匀布置所述支路隧道与所述单向双车道隧道连通的一端的顶部，所述水幕喷头的喷射角度为45-75°、喷水强度为1.5-2.5L/(s·m)以及启动时间为140-150s，喷射角度优选为60°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：方法简单，可根据实际情况调整参数，适用于多种不同的地下隧道。基于安全疏散及挡烟隔热有效性原则，对水幕挡烟特性进行了分析，验证了水幕挡烟隔热特性的有效性，解决了传统技术评估水幕指标的单一性，此方法更具科学指导性；确定了水幕在隧道应用中喷水强度的目标值或者基准值，并通过隔热效率、隔烟效率将水幕挡烟隔热效果定性、定量化；提出新的关键性指标动量比R，通过改变送风风速，可改变水幕与烟气的耦合程度，以动量比来定量化表征，间接解决了水与烟耦合效果无法量化的问题，同时为地下隧道消防设计提供参考。
附图说明
图1为本发明水幕挡烟隔热效果评估的流程图；
图2为本发明中隧道水幕挡烟的示意图；
图3为本发明中喷水强度对水幕挡烟效率的关系图；
图4为本发明中动量比对水幕挡烟效率的关系图；
图5为本发明中喷水强度对水幕隔热效率的关系图；
图6为本发明中动量比对水幕隔热效率的关系图；
图7为本发明中无水幕时火源为5MW的隧道温度场分布图；
图8为本发明中无水幕时火源为10MW的隧道温度场分布图；
图9为本发明中无水幕时火源为15MW的隧道温度场分布图；
图10为本发明中有水幕时火源为5MW的隧道温度场分布图；
图11为本发明中有水幕时火源为10MW的隧道温度场分布图；
图12为本发明中有水幕时火源为15MW的隧道温度场分布图；
图13为本发明中火源为5MW在最佳动量比临界值时的隧道温度场分布图；
图14为本发明中火源为10MW在最佳动量比临界值时的隧道温度场分布图；
图15为本发明中火源为15MW在最佳动量比临界值时的隧道温度场分布图；
图16为本发明中喷水强度与隧道清洗高处能见度的关系图；
图17为本发明中动量比与隧道清洗高处能见度的关系图；
图18为本发明中火源为5MW时水幕附近流场分布图；
图19为本发明中火源为10MW时水幕附近流场分布图；
图20为本发明中火源为15MW时水幕附近流场分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、单向双车道隧道，2、支路隧道，3、水幕喷头。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图20所示，本发明提供一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，包括以下步骤：
S1：通过理论分析确定水幕挡烟隔热效果有效指标和隧道安全疏散有效指标；
S2：根据选择的所述水幕挡烟隔热效果有效指标和所述隧道安全疏散有效指标确定隧道模型的尺寸、火灾场景、水幕的基础设定参数；
S3：在几何模型中通过数值模拟，获得开启水幕前后的所述隧道安全疏散有效指标的数值，根据所述隧道安全疏散有效指标的数值计算出所述水幕挡烟隔热效果有效指标；
S4：以所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的喷水强度和动量比为变量，在所述几何模型中进行数值模拟，分析所述喷水强度和所述动量比对水幕挡烟隔热效果的影响；
S5：根据上述分析结果建立水幕挡烟隔热效果评估体系。
本发明中，所述步骤S1中的所述隧道安全疏散有效指标包括水幕挡下烟气质量mi、穿过水幕烟气质量mj、烟气总质量mp、水幕启动前隧道辐射热通量E0、水幕启动后隧道辐射热通量E1、烟气密度ρs、烟气体积Vs、烟气入口面积As、水幕喷射角度θ、水幕入口面积Aj、水的密度ρj和水幕流下的水的体积Vj。
本发明中，所述步骤S1中的所述水幕挡烟隔热效果有效指标包括挡烟效率η、隔热效率λ、所述喷水强度Q和所述动量比R。
其中，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述挡烟效率η的计算公式为：
式中：η为水幕的挡烟效率(％)，mi为水幕挡下烟气质量(kg/s)，mj为穿过水幕烟气质量(kg/s)，mp为烟气总质量kg/s)。
其中，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述隔热效率λ的计算公式如下：
式中：λ为烟气隔热率(％)，E0为水幕启动前隧道辐射热通量，E1为水幕启动后隧道辐射热通量。
其中，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述动量比R的计算公式如下：
式中：R为动量比(％)，ρs为烟气密度，Vs为烟气体积，As为烟气入口面积，θ为水幕喷射角度，Aj为水幕入口面积，ρj为水的密度，Vj为水幕流下的水的体积。
本发明中，所述步骤S2中的所述隧道模型还包括支路隧道2，所述支路隧道2一端与所述单向双车道隧道1连接，且所述支路隧道2与所述单向双车道隧道1垂直；所述步骤S2中的水幕采用水幕喷头3，所述水幕喷头3的喷水强度为1.5-2.5L/(s·m)，优选以2.0L/(s·m)为基准，所述水幕喷头3的工作压力0.1MPa；多个所述水幕喷头3均匀布置所述支路隧道2与所述单向双车道隧道1连通的一端的顶部，每个所述水幕喷头3与所述支路隧道2顶部的垂直间距≥0.1m；每个所述水幕喷头3的喷射角度为45-75°，喷射角度优选为60°，水幕的启动时间为140-150s，最不利的水幕启动时间为145s。
本发明中，所述步骤S2中的所述隧道模型包括单向双车道隧道1，其尺寸的宽×高为9m×(4-5)m，模拟时采用的单向双车道隧道1的尺寸为宽×高为9m×4.5m，所述单向双车道隧道1的断面尺寸均相同。
本发明中，所述步骤S2中的所述火灾场景中火源的功率为5～15MW，所述火源的尺寸长×宽×高为5m×2m×(0.1-0.3)m，模拟时采用的火源的尺寸为长×宽×高为5m×2m×0.2m，所述火源位于所述单向双车道隧道1的中心线上，距所述支路隧道2通道口13m的位置为最不利位置。
优选地，本发明中，所述火源可以为稳态火，也可以为t方火，优先采用t方火。
在上述条件的基础上，在所述几何模型中进行数值模拟，以水幕的喷水强度以及纵向风速为变量，研究不同条件下水幕的挡烟效率和隔热效率，具体模拟结果见表1和表二：
表1不同喷水强度下水幕的挡烟效率和隔热效率的数值模拟结果
表2不同纵向风速下水幕的挡烟效率和隔热效率的数值模拟结果
注：以喷水强度为变量时，纵向风速保持不变；以纵向风速为变量时，喷水强度保持不变。
根据表1和表2中数值模拟的结构，在所述几何模型中绘图，并以喷水强度和动量比R为变量，确定喷水强度对水幕挡烟隔热效果的影响以及动量比R对水幕挡烟隔热效果的影响，具体研究结构如图3至图20所示，分析结果如下：
①喷水强度、动量比R对挡烟效率的影响(图3和图4)
得到以挡烟效率为判据的基准值：以95％的挡烟效率为有效值，则判断火源功率为15MW时，喷水强度需小于2.5L/(m·s)；而火源功率为5MW、10MW时，喷水强度需小于2.0L/(m·s)才能保证挡烟效率达95％以上；有效挡烟动量比R范围，分别为R≤1.54×103、R≤1.82×103、R≤0.83×103。
②喷水强度、动量比R对隔热效率的影响(图5和图6)
得到以隔热效率为判据的基准值：若以40％的隔热效率为有效值，则三种火源功率下，喷水强度的大小与隔热效率几乎无关系；有效隔热动量比R范围，分别为R≤1.22×103、R≤2.7×103、R≤18.37×103。
③喷水强度、动量比R对温度场分布的影响(图7至图15)
最佳有效动量比临界值时，隧道温度场分布：
通过温度场分布判断疏散有效性：无论是改变喷水强度还是水幕动量比R，水幕的设置均可保证清晰高处2m以下温度在60℃以下，对人员疏散无影响。
④喷水强度、动量比R对清晰高处能见度的影响(图16和图17)
通过清晰高处能见度分布判断疏散有效性：喷水强度越大，能见度越低，动量比R越小能见度越差，但均不影响人员安全疏散，其能见度均在10m以上。
⑤观验证(图18至图20)
通过水幕附近流场分布验证水幕挡烟有效性：可以发现，在水幕周围流场分布呈“上层流速大、下层流速小”并形成向下“俯冲”的趋势，在与水幕发生“碰撞”时，流速减缓且部分折返，在水幕周围形成漩涡，这种折返的趋势微观上验证了水幕挡烟的有效性。
本发明中，所述步骤S4中，根据所述步骤S3中数值模拟的结果，以所述挡烟效率η和所述隔热效率λ为评估指标，选取所述挡烟效率η为30-50％和隔热效率λ为90％以上时的所述喷水强度Q和动力比R，同时以能见度为辅助评估指标，以确定最佳喷水强度范围和最佳动力比范围(见表3)。
本发明中，所述步骤S5中，根据所述步骤S4中确定的所述最佳喷水强度范围和所述最佳动力比范围确定水幕安全评估指标，以建立水幕多指标评估体系，见表3：
表3多指标评估结果
因此，建立基于疏散安全和挡烟隔热效果有效性的多指标评估体系：
f(x)＝f(η,λ,R,Q,Tz,Vz)
η≥95％
λ≥40％
R≤2×103
Q≤2.5L/(m·s)
TZ≤60℃
VZ≥10m
式中，η—挡烟效率(％)，λ—隔热效率(％)，R—动量比，Q—喷水强度L/(m·s)，Vz—最小清晰高处能见度(m)，Tz—最小清晰高处温度(℃)。
通过此体系进行评估的方法，改变其中一个水幕关键参数，很方便的可得到最佳挡烟隔热效果时所对应的参数值；同时，根据需要还可改变参数或者增加新的变量，如火灾规模、水幕粒径大小、喷头喷射速度等，为隧道中水幕的设计提供参考，提高隧道发生火灾时的安全性。
本发明的有益效果是：方法简单，可根据实际情况调整参数，适用于多种不同的地下隧道。基于安全疏散及挡烟隔热有效性原则，对水幕挡烟特性进行了分析，验证了水幕挡烟隔热特性的有效性，解决了传统技术评估水幕指标的单一性，此方法更具科学指导性；确定了水幕在隧道应用中喷水强度的目标值或者基准值，并通过隔热效率、隔烟效率将水幕挡烟隔热效果定性、定量化；提出新的关键性指标动量比R，通过改变送风风速，可改变水幕与烟气的耦合程度，以动量比来定量化表征，间接解决了水与烟耦合效果无法量化的问题，同时为地下隧道消防设计提供参考。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过理论分析确定水幕挡烟隔热效果有效指标和隧道安全疏散有效指标；
S2：根据选择的所述水幕挡烟隔热效果有效指标和所述隧道安全疏散有效指标确定隧道模型的尺寸、火灾场景、水幕的基础设定参数；
S3：在几何模型中通过数值模拟，获得开启水幕前后的所述隧道安全疏散有效指标的数值，根据所述隧道安全疏散有效指标的数值计算出所述水幕挡烟隔热效果有效指标；
S4：以所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的喷水强度和动量比为变量，在所述几何模型中进行数值模拟，分析所述喷水强度和所述动量比对水幕挡烟隔热效果的影响；
S5：根据上述分析结果建立水幕挡烟隔热效果评估体系。
2.根据权利要求1所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于：所述步骤S1中的所述隧道安全疏散有效指标包括水幕挡下烟气质量mi、穿过水幕烟气质量mj、烟气总质量mp、水幕启动前隧道辐射热通量E0、水幕启动后隧道辐射热通量E1、烟气密度ρs、烟气体积Vs、烟气入口面积As、水幕喷射角度θ、水幕入口面积Aj、水的密度ρj和水幕流下的水的体积Vj。
3.根据权利要求2所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于：所述步骤S1中的所述水幕挡烟隔热效果有效指标包括挡烟效率η、隔热效率λ、所述喷水强度Q和所述动量比R。
4.根据权利要求3所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述挡烟效率η的计算公式为：
5.根据权利要求3所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述隔热效率λ的计算公式如下：
6.根据权利要求3所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于，所述步骤S3中所述水幕挡烟隔热效果有效指标中的所述动量比R的计算公式如下：
7.根据权利要求3所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据所述步骤S3中数值模拟的结果，以所述挡烟效率η和所述隔热效率λ为评估指标，选取所述挡烟效率η为30-50％和隔热效率λ为90％以上时的所述喷水强度Q和动力比R，以确定最佳喷水强度范围和最佳动力比范围。
8.根据权利要求7所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于：所述步骤S5中，根据所述步骤S4中确定的所述最佳喷水强度范围和所述最佳动力比范围确定水幕安全评估指标，以建立水幕多指标评估体系。
9.根据权利要求1-8任一项所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于：所述步骤S2中的所述隧道模型包括单向双车道隧道(1)，其尺寸的宽×高为9m×(4-5)m，所述单向双车道隧道(1)的断面尺寸均相同；所述步骤S2中的所述火灾场景中火源的功率为5～15MW，所述火源的尺寸长×宽×高为5m×2m×(0.1-0.3)m，所述火源位于所述单向双车道隧道(1)的中心线上。
10.根据权利要求9所述的用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法，其特征在于：所述步骤S2中的所述隧道模型还包括支路隧道(2)，所述支路隧道(2)一端与所述单向双车道隧道(1)连接，且所述支路隧道(2)与所述单向双车道隧道(1)垂直；所述步骤S2中的水幕包括多个水幕喷头(3)，多个所述水幕喷头(3)均匀布置所述支路隧道(2)与所述单向双车道隧道(1)连通的一端的顶部，所述水幕喷头(3)的喷射角度为45-75°、喷水强度为1.5-2.5L/(s·m)以及启动时间为140-150s。
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| CN201910673859.1A CN110490426A (zh) | 2019-07-24 | 2019-07-24 | 一种用于隧道火灾水幕挡烟隔热效果的评估方法 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003250928A (ja) * | 2002-03-04 | 2003-09-09 | Kajima Corp | 防火システムの評価システム、放射計、および、防火システムの評価方法 |
| CN103285545A (zh) * | 2013-05-29 | 2013-09-11 | 北京工业大学 | 一种单流体细水雾型水幕喷头 |
| CN108187283A (zh) * | 2018-03-08 | 2018-06-22 | 公安部四川消防研究所 | 一种组合式消防水幕喷头及由其组成的隧道防火分隔系统 |
| CN109404036A (zh) * | 2018-10-18 | 2019-03-01 | 武汉科技大学 | 一种隧道火灾阻烟水幕装置 |
-
2019
- 2019-07-24 CN CN201910673859.1A patent/CN110490426A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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| 闫治国等: "侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热性能研究", 《隧道建设(中英文)》 * |
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