CN110909474B - 一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，包括：确定地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响因素并建立关系式；确定影响因素的基本量纲并由基本量纲表示，建立地铁区间隧道竖井送风有效风量与影响因素的量纲关系式；确定影响因素中的基本物理量，根据定理得到各无量纲项，进而建立的量纲关系式转化为无量纲关系式，再根据相似理论推导最终得到地铁区间隧道竖井送风有效风量的无量纲计算公式；通过数值模拟得到不同火灾工况下地铁区间隧道竖井送风有效风量的数值，将模拟结果绘制成散点图，并确定影响结果；对上述结果进行非线性拟合，得到无量纲关系式中的各未知系数的取值，进而建立地铁区间隧道竖井送风有效风量的计算公式。

Description

一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法

技术领域

本发明涉及地铁区间隧道通风关键参数技术领域，具体涉及一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法。

背景技术

随着中国经济的快速发展和城市化进程的加快，地铁以其运载量大、污染小、舒适性好、速度快、时间准时且节省空间等优点，逐渐成为我国各大城市主要的公共交通工具。一旦地铁列车在区间隧道内发生火灾事故，高温火灾烟气迅速在隧道内蔓延，将严重威胁人员生命财产安全，甚至损坏区间隧道主体建筑物和附属设备。此时，需启动区间隧道通风排烟系统，以控制火灾烟气蔓延，确保人员安全疏散。

地铁区间隧道纵向通风排烟系统采用竖井送风时，若竖井两侧边界条件相同，则两侧风流分配比例相同；当竖井两侧边界条件不同时，两侧风流分配比例则不同，实际作用于火灾事故区间的风量，即竖井送风有效风量Qe是火灾烟气控制的关键，因此竖井送风有效风量的确定显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种竖井送风有效风量的确定方法及系统，便于为纵向通风排烟地铁区间隧道消防设计提供参考。

为解决上述技术问题，本发明提供一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，包括以下步骤：

S1：确定地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响因素，建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量与所述影响因素之间的关系式；

S2：确定所述影响因素的基本量纲，将所述影响因素由所述基本量纲表示，建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量与所述影响因素的量纲关系式；

S3：确定所述影响因素中的基本物理量，根据π定理得到各无量纲项，进而将上述S2中建立的量纲关系式转化为无量纲关系式，再根据相似理论推导最终得到所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的无量纲计算公式；

S4：通过数值模拟得到不同火灾工况下所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的数值，将模拟结果绘制成散点图，并确定所述影响因素对所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响；

S5：对上述结果进行非线性拟合，得到无量纲关系式中的各未知系数的取值，进而建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的计算公式。

优选的，所述步骤S1中所述影响因素包含火灾热释放率Q、火源距离L、隧道阻塞比β、竖井送风风量Q_s、空气密度ρ₀、空气定压比热c_p、空气温度T₀、重力加速度g、隧道水力直径H_D。

优选的，所述步骤S1中所述竖井送风有效风量与不同影响因素之间的关系式为：

f(Q,L,β,Q_s,ρ₀,c_p,T₀,g,H_D)＝0。

优选的，所述步骤S2中所述竖井送风有效风量与不同影响因素之间的量纲公式为：

f(ML²t^-3,L,1,L³t^-1,ML^-3,L²t^-2T^-1,T,Lt^-2,L)＝0

式中M为质量量纲、t为时间量纲、L为长度量纲、T为温度量纲。

优选的，所述步骤S3中所述基本物理量外影响因素的无量纲项为：

优选的，所述步骤S4中所述无量纲竖井送风有效风量与上述无量纲项之间的无量纲关系式为：

即，Q_e ^*＝f(Q^*,L^*,β^*,Q_s ^*)。

优选的，所述步骤S4中的隧道尺寸为长2600m×宽4.8m×高4.4m；所述竖井的尺寸为长6m×宽3.2m；所述区间断面布置为地铁列车行车区间。

优选的，所述步骤S4中所述火灾工况下火源功率为5～10MW，火源尺寸为长6m×宽2m，火灾增长速率0.04689kW/s²；所述火源位于地铁列车底部中间位置。

优选的，所述竖井在区间端部各建立一个；所述区间断面布置包含行车区间、行车区间左侧烟道及管廊、行车区间右侧安全通道。

本发明的有益效果是：本方法可根据不同隧道实际情况调整参数，可计算多种不同地铁区间隧道竖井送风有效风量，方法简单、高效实用。本方法以量纲分析为基础，根据π定理及量纲方程求解得到不同影响因素的无量纲项；依据相似理论得到无量纲竖井送风有效风量与上述无量纲项之间的无量纲关系式，公式包含各无量纲项相互影响程度差异的信息。本方法运用数值模拟方法，通过数据拟合，得到无量纲竖井送风有效风量与相关无量纲项之间的函数曲线，清晰展现了各影响参数与竖井送风有效风量之间的相对关系。本方法首次提出纵向通风排烟地铁区间隧道竖井送风有效风量，确定了影响竖井送风有效风量的影响因素，间接解决了区间隧道纵向通风竖井送风量的问题，可为纵向通风排烟地铁区间隧道消防设计提供参考。

附图说明

图1为本发明竖井单侧列车停靠竖井送风示意图；

图2为本发明竖井两侧列车停靠竖井送风示意图；

图3为本发明几何模型横断面布置示意图；

图4为本发明无量纲火源功率与无量纲竖井送风有效风量关系图；

图5为本发明无量纲火源位置与无量纲竖井送风有效风量关系图；

图6为本发明阻塞比与无量纲竖井送风有效风量关系图；

图7为本发明无量纲竖井送风风量无量纲竖井送风有效风量关系图；

图8为本发明无量纲竖井送风有效风量与阻塞比及无量纲竖井送风风量关系图；

图9为本发明的一实施例的流程示意图。

附图3中，各标号所代表的部位列表如下：

1、公路隧道，2、地铁区间隧道，3、地铁区间排烟道，4、管廊，5、楼梯，6、安全通道，7、疏散通道，8、轨行区。

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9并结合图1至图8所示，本发明提供一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，包括以下具体步骤：

S1：确定地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响因素，建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量与所述影响因素之间的关系式；

S2：确定所述影响因素的基本量纲，将所述影响因素由所述基本量纲表示，建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量与所述影响因素的量纲关系式；

S3：确定所述影响因素中的基本物理量，根据π定理得到各无量纲项，进而将上述S2中建立的量纲关系式转化为无量纲关系式，再根据相似理论推导最终得到所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的无量纲计算公式；

S4：通过数值模拟得到不同火灾工况下所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的数值，将模拟结果绘制成散点图，并确定所述影响因素对所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响；

S5：对上述结果进行非线性拟合，得到无量纲关系式中的各未知系数的取值，进而建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的计算公式。

本发明中：所述步骤S1中所述影响因素包含火灾热释放率Q、火源距离L、隧道阻塞比β、竖井送风风量Q_s、空气密度ρ₀、空气定压比热c_p、空气温度T₀、重力加速度g、隧道水力直径H_D。

本发明中：所述步骤S1中所述竖井送风有效风量与不同影响因素之间的关系式为：

f(Q,L,β,Q_s,ρ₀,c_p,T₀,g,H_D)＝0。

本发明中：所述步骤S2中所述竖井送风有效风量与不同影响因素之间的量纲公式为：

f(ML²t^-3,L,1,L³t^-1,ML^-3,L²t^-2T^-1,T,Lt^-2,L)＝0

式中M为质量量纲、t为时间量纲、L为长度量纲、T为温度量纲。

本发明中：所述步骤S3中所述基本物理量外影响因素的无量纲项为：

本发明中：所述步骤S4中所述无量纲竖井送风有效风量与上述无量纲项之间的无量纲关系式为：

即，Q_e ^*＝f(Q^*,L^*,β^*,Q_s ^*)。

本发明中：所述步骤S4中的隧道尺寸为长2600m×宽4.8m×高4.4m；所述竖井的尺寸为长6m×宽3.2m；所述区间断面布置为地铁列车行车区间。

本发明中：所述步骤S4中所述火灾工况下火源功率为5～10MW，火源尺寸为长6m×宽2m，火灾增长速率0.04689kW/s²；所述火源位于地铁列车底部中间位置。

本发明中：所述竖井在区间端部各建立一个；所述区间断面布置包含行车区间、行车区间左侧烟道及管廊、行车区间右侧安全通道。

在上述条件的基础上，在所述几何模型中进行数值模拟，以无量纲火源功率Q^*、无量纲火源距离L^*、阻塞比β和无量纲竖井送风量Q_s ^*为变量，研究不同条件下上述影响因素与竖井送风有效风量之间的函数关系，具体模拟结果见表1、表2、表3、表4：

表1不同火源功率下竖井送风有效风量数值模拟结果

表2不同火源距离下竖井送风有效风量数值模拟结果

表3不同阻塞比下竖井送风有效风量数值模拟结果

表4不同竖井送风量下竖井送风有效风量数值模拟结果

注：以火源功率为变量时，其它因素保持不变；其它工况类同。

根据表1至表4中数值模拟结果，运用数据拟合方法，确定不同影响因素对竖井送风有效风量的影响，并得到无量纲影响因素对无量纲竖井送风有效风量之间的关系函数曲线，具体研究结果如图4至图7所示，分析结果如下：

①火源功率对竖井送风有效风量的影响(图4)

列车发生火灾停靠于距送风竖井400m位置、竖井送风风量120m³/s时，不同火源功率下竖井送风有效风量数值模拟结果如图4所示。随着火源功率的增大，火灾烟气及火风压的变化相对较小，无法对竖井送风风流分配产生较大影响。由此可知无量纲竖井送风有效风量Q_e ^*基本不随无量纲火源功率Q^*的增大而改变。

②火源距离对竖井送风有效风量的影响(图5)

在火灾热释放速率为7.5MW，竖井送风风量120m³/s情况下，火源距送风竖井不同距离时竖井送风有效风量数值模拟结果如图5所示。由图5可知无论竖井单侧列车停靠或两侧列车停靠，无量纲竖井送风有效风量均不随无量纲火源距离的改变而改变，即竖井送风有效风量与火源距离之间不存在函数关系。

③阻塞比对竖井送风有效风量的影响(图6)

在火灾热释放速率为7.5MW、火灾列车距送风竖井400m、竖井送风风量120m³/s情况下，不同阻塞比时竖井送风有效风量数值模拟结果如图6所示。竖井单侧列车停靠时，无量纲竖井送风有效风量Q_e ^*与Expβ^*关系曲线呈-1.08次方曲线；两侧列车停靠时，无量纲竖井送风有效风量Q_e ^*与Expβ^*关系曲线呈-0.22次方曲线。两条曲线的相关系数均为0.98，拟合曲线函数可靠性较高。随着阻塞比的增大，竖井送风有效风量逐渐减小；当单侧列车停靠时，有效风量减小比例更大。

④竖井送风量对竖井送风有效风量的影响(图7)

在火灾热释放速率为7.5MW，火灾列车距送风竖井400m情况下，竖井不同送风风量与竖井送风有效风量数值模拟结果如图7所示。由图7可知竖井单侧列车停靠时，无量纲竖井送风有效风量与无量纲竖井送风量关系曲线呈1.11次方曲线；双侧列车停靠时，无量纲竖井送风有效风量与无量纲竖井送风风量关系曲线呈1.07次方曲线。两条曲线的相关系数均为0.99，拟合曲线函数可靠性较高。随着竖井送风风量的增大，有效风量逐渐增大，且有效风量增大趋势高于送风风量。

根据上述分析可得竖井送风有效风量Q_e ^*与Expβ^*、Q_s ^*的函数关系，结合式(5)、式(6)可得：

为了确定式(7)中系数k₁、k₁'的值，将所得的Q_e ^*、(Expβ)^-1.08(Q_s ^*)^1.11、Expβ)^-0.22(Q_s ^*)^1.07的计算值绘制于图8。由图8可知竖井送风有效风量模拟结果在一条直线附近波动，k₁为1.45，相关系数为0.99；k₁'为1.81，相关系数为0.99，表明无量纲竖井送风有效风量计算模型和数值模拟结果的一致性。将k₁＝1.45、k₁'＝1.81带入式(7)可得无量纲竖井送风有效风量的计算模型为：

式中：Q_e ^*为无量纲竖井送风有效风量、β为隧道阻塞比、Q_s ^*为无量纲竖井送风风量。

通过此确定方法，依据隧道实际工程参数，可方便快速的得到竖井送风有效风量，可为纵向通风排烟地铁区间隧道消防设计提供参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例，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，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响因素，建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量与所述影响因素之间的关系式；

S2：确定所述影响因素的基本量纲，将所述影响因素由所述基本量纲表示，建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量与所述影响因素的量纲关系式；

S3：确定所述影响因素中的基本物理量，根据π定理得到各无量纲项，进而将上述S2中建立的量纲关系式转化为无量纲关系式，再根据相似理论推导最终得到所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的无量纲计算公式；

S4：通过数值模拟得到不同火灾工况下所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的数值，将模拟结果绘制成散点图，并确定所述影响因素对所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的影响；

S5：对上述结果进行非线性拟合，得到无量纲关系式中的各未知系数的取值，进而建立所述地铁区间隧道竖井送风有效风量的计算公式。

2.根据权利要求1所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S1中所述影响因素包含火灾热释放率Q、火源距离L、隧道阻塞比β、竖井送风风量Q_s、空气密度ρ₀、空气定压比热c_p、空气温度T₀、重力加速度g、隧道水力直径H_D。

3.根据权利要求2所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S1中所述竖井送风有效风量与不同影响因素之间的关系式为：

f(Q,L,β,Q_s,ρ₀,c_p,T₀,g,H_D)＝0。

4.根据权利要求3所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S2中所述竖井送风有效风量与不同影响因素之间的量纲公式为：

f(ML²t^-3,L,1,L³t^-1,ML^-3,L²t^-2T^-1,T,Lt^-2,L)＝0

式中M为质量量纲、t为时间量纲、L为长度量纲、T为温度量纲。

5.根据权利要求4所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S3中所述基本物理量外影响因素的无量纲项为：

6.根据权利要求5所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S4中所述竖井送风有效风量与上述无量纲项之间的无量纲关系式为：

即，Q_e ^*＝f(Q^*,L^*,β^*,Q_s ^*)，其中，Q_e ^*表示所述竖井送风有效风量，Q^*表示无量纲火源功率，L^*表示无量纲火源距离，β^*表示无量纲隧道阻塞比，Q_s ^*表示无量纲竖井送风风量。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S4中的隧道尺寸为长2600m×宽4.8m×高4.4m；所述竖井的尺寸为长6m×宽3.2m；所述区间断面布置为地铁列车行车区间。

8.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述步骤S4中所述火灾工况下火源功率为5～10MW，火源尺寸为长6m×宽2m，火灾增长速率0.04689kW/s²；所述火源位于地铁列车底部中间位置。

9.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的地铁区间隧道竖井送风有效风量确定方法，其特征在于：所述竖井在区间端部各建立一个；所述区间断面布置包含行车区间、行车区间左侧烟道及管廊、行车区间右侧安全通道。