CN111027176A

CN111027176A - 一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法

Info

Publication number: CN111027176A
Application number: CN201911082568.1A
Authority: CN
Inventors: 郭昆; 姜学鹏
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: CN111027176B

Abstract

本发明涉及一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，包括以下具体步骤：确定烟气逆流长度L的影响因素，建立烟气逆流长度L与影响因素的关系式；确定基本量纲，建立烟气逆流长度L与影响因素的量纲关系式；确定基本物理量，根据π定理得到影响因素的无量纲项，推导得到烟气逆流长度L的无量纲计算公式；通过数值模拟得到不同工况下火灾的烟气逆流长度L的数值，将模拟结果绘制成散点图，明确影响因素对烟气逆流长度L的影响；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，进而建立无量纲烟气逆流长度L的计算公式。有益效果是方法简单，适用于不同的隧道，为侧向重点排烟隧道火灾烟气控制及消防救援提供指导。

Description

一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法

技术领域

本发明涉及隧道火灾烟气控制技术领域，具体涉及一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法。

背景技术

为缓解城市交通压力，隧道的应用越来越广泛，截至2017年末，全国公路隧道共计16229处、总长达1528.51万米。隧道的修建给人们的生活带来了便利，与之相关的隧道安全成为人们重点关注的问题，其中隧道火灾日益得到社会各界的关注。由于隧道空间密闭，一旦发生火灾，高温烟气不易排出，不仅严重威胁司乘人员的生命财产安全，还会造成恶劣的社会影响。烟气逆流是指火灾烟气顺着隧道顶板向隧道两端扩散，控制火灾烟气的逆流能够保证隧道内的人员疏散安全以及灭火救援工作的开展。

目前，已有的集中排烟隧道火灾烟气逆流长度计算方法多是针对排烟口位于隧道顶部的情况，应用侧向重点排烟模式的隧道中排烟口位于隧道侧壁，相比于顶部排烟，此时烟气的受力状态与运动状态已发生改变，国内外尚无针对侧向重点排烟模式隧道火灾烟气逆流长度的计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，旨在解决上述技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，包括以下具体步骤：

S1：确定隧道火灾场景下烟气逆流长度L的影响因素，建立所述烟气逆流长度L与所述影响因素的关系式；

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，建立所述烟气逆流长度L与所述影响因素的量纲关系式；

S3：确定所述影响因素的基本物理量，根据π定理得到所述影响因素的无量纲项，进而将所述步骤S2中的所述量纲关系式转变为无量纲关系式，再获得所述烟气逆流长度L的无量纲计算公式；

S4：通过火灾动力模拟软件进行数值模拟得到不同工况下火灾的所述烟气逆流长度L的数值，将模拟结果绘制成散点图，明确所述影响因素对烟气逆流长度L的影响；

S5：对所述散点图的结果进行非线性拟合，得到所述步骤S3中的所述无量纲计算公式中的各未知系数的取值，进而建立无量纲式的所述烟气逆流长度L的计算公式。

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，所述影响因素包括排烟口排烟速率v、火灾热释放速率Q、空气密度ρ₀、空气定压比热c_p、空气温度T₀、重力加速度g、隧道高度H_D、排烟口间距l、排烟口距离顶板高度h、隧道宽度W_D、排烟口面积S、排烟口长宽比α。

进一步，所述步骤S1中，所述烟气逆流长度L与所述影响因素的关系式为：

f(L,v,Q,ρ₀,C_P,T₀,g,H_D,l,h,W_D,S,α)＝0。

进一步，所述步骤S2中，所述基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T。

进一步，所述步骤S2中，所述烟气逆流长度L与所述影响因素的量纲关系式为：

f(L,Lt^-1,ML²t^-3,ML^-3,L²t^-2T^-1,T,Lt^-2,L,L,L,L,L²,1)＝0。

进一步，所述步骤S3中，所述基本物理量为所述隧道高度H_D、所述重力加速度g、所述空气密度ρ₀和所述空气温度T₀。

进一步，所述步骤S3中，所述影响因素的无量纲项为：

进一步，所述烟气逆流长度L的无量纲计算公式为：

即

进一步，所述隧道为单向三车道隧道，所述单向三车道隧道的尺寸长×宽×高为800m×11m×(4～5)m；所述单向三车道隧道内的一侧壁上设有多个排烟口，且其内顶壁上均匀间隔设有多个温度测点。

进一步，所述火灾场景的火源采用稳态火或t平方火，所述火源位于所述单向三车道中间车道的中心线上，其尺寸长×宽×高为6m×2m×(0.1～0.3)m；所述火源的功率为5～15MW。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

方法简单，可根据隧道实际情况设置参数，适用于采用侧向重点排烟方式的不同隧道。方法科学有效，应用了π定理和量纲分析，更具理论基础。已有的隧道火灾烟气逆流长度的计算方法均是针对顶部排烟模式下的，尚无侧向重点排烟模式下的计算方法，相比于此，侧向重点排烟模式时需要考虑的影响因素更多，本方法在量纲关系推导过程中基本考虑了全部的影响因素，得到的结果更具创新性和指导意义。隧道火灾烟气的逆流对人员疏散和消防救援会产生极大的影响，通过预测计算火灾烟气的逆流长度能够为侧向重点排烟隧道火灾烟气控制及消防救援提供指导。

附图说明

图1为本发明烟气逆流长度的计算方法流程图；

图2为本发明中侧向重点排烟模式下烟气逆流长度示意图；

图3为本发明中建立的隧道模型示意图；

图4为本发明中烟气逆流长度与排烟速率的关系图；

图5为本发明中烟气逆流长度与火灾热释放速率的关系图；

图6为本发明中烟气逆流长度与排烟口间距的关系图；

图7为本发明中烟气逆流长度与排烟口距隧道顶板高度的关系图；。

图8为本发明中烟气逆流长度与排烟口面积的关系图；

图9为本发明中烟气逆流长度与排烟口长宽比的关系图；

图10为本发明中烟气逆流长度数值模拟结果图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、单向三车道隧道，2、排烟口，3、温度测点。

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10所示，本发明提供一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，包括以下具体步骤：

S4：根据无量纲计算公式确定隧道尺寸、火灾场景，根据要研究的影响因素确定工况中的各参数设置；

S5：通过火灾动力模拟软件进行数值模拟得到不同工况下火灾的所述烟气逆流长度L的数值，将模拟结果绘制成散点图，明确所述影响因素对所述烟气逆流长度L的影响；上述火灾动力模拟软件(FDS)是现有技术；

S6：对所述散点图的结果进行非线性拟合，得到所述步骤S3中的所述无量纲计算公式中的各未知系数的取值，进而建立无量纲烟气逆流长度L的计算公式。

本发明中，所述步骤S1中，所述影响因素包括排烟口排烟速率v、火灾热释放速率Q、空气密度ρ₀、空气定压比热c_p、空气温度T₀、重力加速度g、隧道高度H_D、排烟口间距l、排烟口距离顶板高度h、隧道宽度W_D、排烟口面积S、排烟口长宽比α。

本发明中，所述步骤S1中，所述烟气逆流长度L与所述影响因素的关系式为：

f(L,v,Q,ρ₀,C_P,T₀,g,H_D,l,h,W_D,S,α)＝0。

本发明中，所述步骤S2中，所述基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T。

本发明中，所述步骤S2中，所述烟气逆流长度L与所述影响因素的关系式为：

f(L,Lt^-1,ML²t^-3,ML^-3,L²t^-2T^-1,T,Lt^-2,L,L,L,L,L²,1)＝0。

本发明中，所述步骤S3中，所述基本物理量为所述隧道高度H_D、所述重力加速度g、所述空气密度ρ₀和所述空气温度T₀。

本发明中，所述步骤S3中，所述影响因素的无量纲项为：

本发明中，所述烟气逆流长度L的无量纲计算公式为：

即

本发明中，所述隧道为单向三车道隧道1，所述单向三车道隧道1的尺寸长×宽×高为800m×11m×(4～5)m，优选为长×宽×高为800m×11m×4.5m；所述单向三车道隧道1内的一侧壁上设有多个排烟口2，且其内顶壁上均匀间隔设有多个温度测点3，每个温度测点3处通过本领域技术人员所能想到的方式安装有温度传感器(型号PT100)，每个温度传感器均通过线路与控制器(型号TC-SCR)连接，温度传感器检测对应温度测点3处的温度，并将对应的温度信号发送给控制器，控制器接收对应的温度信号储存。上述控制器和温度传感器均采用现有技术，各个温度传感器与控制器之间的控制线路同样为现有技术。

本发明中，所述火灾场景的火源采用稳态火或t平方火，所述火源位于所述单向三车道1中间车道的中心线上，其尺寸长×宽×高为6m×2m×(0.1～0.3)m，优选为长×宽×高为6m×2m×0.2m；所述火源的功率为5～15MW，优选为10MW。

在上述条件的基础上，在所述几何模型中进行数值模拟，依次改变某个影响因素的取值，得到不同取值下的烟气逆流长度数值，具体模拟结果见表1：

表1数值模拟结果

根据表1数值模拟结果，绘制散点图，得到烟气逆流长度L与各影响因素的变化关系，具体见图4-图9：

图4为烟气逆流长度L与排烟速率V的关系图，由图4可以获知烟气逆流长度L随排烟速率V的增大而减小；

图5为烟气逆流长度L与火灾热释放速率Q的关系图，由图5可以获知烟气逆流长度L随火灾热释放速率Q的增大而增大；

图6为烟气逆流长度L与排烟口间距l的关系图，由图6可以获知烟气逆流长度L随排烟口间距l的增大而减小；

图7：烟气逆流长度L与排烟口距隧道顶板高度h的关系图，由图7可以获知烟气逆流长度L不随排烟口距隧道顶板高度h的变化而变化；

图8：烟气逆流长度L与排烟口面积S的关系图，由图8可以获知烟气逆流长度L不随排烟口面积S的变化而变化；

图9：烟气逆流长度L与排烟口长宽比α的关系图，由图9可以获知烟气逆流长度L不随排烟口长宽比α的变化而变化。

利用Origin软件对图4进行非线性拟合，可得L^*与v^*的函数关系为L^*＝a₁v^*-1.67，即k₂＝-1.67；

对图5进行非线性拟合可得L^*＝a₂Q^*0.⁵⁶²，即k₃＝0.562；

对图6进行非线性拟合可得L^*＝a₄l^*-0.23，即k₄＝-0.23；

由于烟气逆流长度L不随排烟口距隧道顶板高度h、排烟口面积S、排烟口长宽比α的变化而变化，所以k₅＝k₆＝k₇＝0，故式(1)可化为：

L^*＝k₁(v^*)^-1.67(Q^*)^0.56(l^*)^-0.23 (2)

为了确定式(2)中系数k₁的值，将所得的L^*，v^*-1.67Q^*0.56l^*-0.23的计算值绘制于图10，由图10可见数值模拟结果均在一条直线附近波动，k₁为76，相关系数为0.99223，表明了无量纲烟气逆流长度L的数值计算公式和数值模拟结果的一致性。将k₁＝76代入式(2)可得无量纲烟气逆流长度L的计算公式为：

L^*＝76(v^*)^-1.67(Q^*)^0.56(l^*)^-0.23

式中：L^*：无量纲逆流长度，v^*：无量纲排烟速率，Q^*：无量纲火灾热释放速率，l^*：无量纲排烟口间距。

通过此方法，改变一个或多个影响因素，可以快速方便的得到烟气逆流长度L的数值。

本发明的有益效果是：方法简单，可根据隧道实际情况设置参数，适用于采用侧向重点排烟方式的不同隧道。方法科学有效，应用了π定理和量纲分析，更具理论基础。已有的隧道火灾烟气逆流长度L的计算方法均是针对顶部排烟模式下的，尚无侧向重点排烟模式下的计算方法，相比于此，侧向重点排烟模式时需要考虑的影响因素更多，本方法在量纲关系推导过程中基本考虑了全部的影响因素，得到的结果更具创新性和指导意义。隧道火灾烟气的逆流对人员疏散和消防救援会产生极大的影响，通过预测计算火灾烟气逆流长度L能够为侧向重点排烟隧道火灾烟气控制及消防救援提供指导。

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

1.一种隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S4：通过火灾动力模拟软件进行数值模拟得到不同工况下火灾的所述烟气逆流长度L的数值，将模拟结果绘制成散点图，明确所述影响因素对所述烟气逆流长度L的影响；

2.根据权利要求1所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述影响因素包括排烟口排烟速率v、火灾热释放速率Q、空气密度ρ₀、空气定压比热c_p、空气温度T₀、重力加速度g、隧道高度H_D、排烟口间距l、排烟口距离顶板高度h、隧道宽度W_D、排烟口面积S、排烟口长宽比α。

3.根据权利要求2所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述烟气逆流长度L与所述影响因素的关系式为：

f(L,v,Q,ρ₀,C_P,T₀,g,H_D,l,h,W_D,S,α)＝0。

4.根据权利要求3所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T。

5.根据权利要求4所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述烟气逆流长度L与所述影响因素的量纲关系式为：

f(L,Lt^-1,ML²t^-3,ML^-3,L²t^-2T^-1,T,Lt^-2,L,L,L,L,L²,1)＝0。

6.根据权利要求5所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述基本物理量为所述隧道高度H_D、所述重力加速度g、所述空气密度ρ₀和所述空气温度T₀。

7.根据权利要求6所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述影响因素的无量纲项为：

8.根据权利要求7所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于，所述烟气逆流长度L的无量纲计算公式为：

即

9.根据权利要求1-8任一项所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于：所述隧道为单向三车道隧道(1)，所述单向三车道隧道(1)的尺寸长×宽×高为800m×11m×(4～5)m；所述单向三车道隧道(1)内的一侧壁上设有多个排烟口(2)，且其内顶壁上均匀间隔设有多个温度测点(3)。

10.根据权利要求1-8任一项所述的隧道侧向重点排烟火灾烟气逆流长度的计算方法，其特征在于：所述火灾场景的火源采用稳态火或t平方火，所述火源位于所述单向三车道(1)中间车道的中心线上，其尺寸长×宽×高为6m×2m×(0.1～0.3)m；所述火源的功率为5～15MW。