CN111075493B - 一种高原隧道火灾烟气控制风速设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高原隧道火灾烟气控制风速设计方法。包括：运用火灾动力学软件FDS，得到不同海拔条件下不同规模公路隧道火灾所对应的通风临界风速；结合临界风速结果，应用无量纲分析得到无量纲隧道临界风速表达式；开展隧道模型试验，确定并获得不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律；结合不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律，修正无量纲隧道临界风速表达式，获得不同海拔条件下隧道火灾烟气控制风速设计方法。本发明明确了高原，低气压、低温度、低含氧量环境对隧道火灾临界风速影响，揭示了不同海拔高度下公路隧道临界风速变化规律，能够获取任意海拔高度公路隧道火灾临界风速，尤其适用于高原地区公路隧道火灾临界风速。
Description
技术领域
本发明属于隧道防火减灾设计技术领域，尤其涉及高原地区气压低、气温低、含氧量低的特点的高原隧道火灾控制风速设计方法。
背景技术
高海拔地区公路隧道具有显著的“三低”环境特征，即气压低、气温低、含氧量低，其隧道防灾通风设计与平原区隧道必然存在明显差别。对于公路隧道火灾而言，临界风速作为防灾通风控制方法的关键参数，对于防灾通风设计尤为重要。根据现有公路隧道通风设计细则，采用纵向排烟的公路隧道，隧道发生火灾时，采用一端送风，一端排烟的通风方式，使隧道内气流沿着同一方向流动，依据不同隧道火灾规模，其断面气流流速控制大小存在差异，但均满足不小于临界风速的要求；另一方面，现有规范并未提供具体的临界风速计算方法，如采用最大通风风速设计会显得过于保守，同时隧道内容易形成涡流，影响下游火灾烟气层化，从而烟气扩散紊乱不利于火灾发生时下游人群安全疏散；采用最小通风设计，又有可能无法完全抵抗火灾热浮力作用所产生的顶棚射流，进而不满足隧道火灾临界风速的设计要求。
针对使烟气刚好不发生回流的临界风速值，现有研究通过理论计算、数值模拟、现场试验等方法对隧道火灾规模、隧道线形、隧道坡度、隧道宽度、隧道宽高比以及火灾物体在隧道内的阻塞率等影响隧道火灾临界风速的敏感因素进行了深入研究。然而现有研究成果主要基于平原地区隧道，其对高原公路隧道甚至超高海拔公路隧道的适用性、有效性有待进一步深入研究。
因此，现有隧道火灾临界风速研究主要集中在平原地区，对于高原地区公路隧道临界风速研究较少，缺乏具体的高原公路隧道临界风速获得方法。这对高原公路隧道防灾通风设计造成一定困难，对隧道运营安全和节能产生不利影响。显然，探索一种合适的高原地区公路隧道控制风速设计方法尤为重要。
发明内容
本发明根据现有技术的不足公开了一种高原隧道火灾烟气控制风速设计方法。本发明目的是弥补目前高原地区公路隧道临界风速计算研究的空白，指导高原地区公路隧道火灾烟气通风控制设计研究，为高原地区公路隧道防灾通风系统的设计提供科学依据，以保障高海拔隧道的节能与运营安全，同时有利于火灾发生时的人员疏散。
本发明通过以下技术方案实现：
高原隧道火灾烟气控制风速设计方法，其特征在于包括：
1)运用火灾动力学软件FDS，得到不同海拔条件下不同规模公路隧道火灾所对应的通风临界风速；
2)结合临界风速结果，应用无量纲分析得到无量纲隧道临界风速表达式；
3)开展隧道模型试验，确定并获得不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律；
4)结合不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律，修正无量纲隧道临界风速表达式，获得不同海拔条件下隧道火灾烟气控制风速设计方法。
本发明方法1)中，运用火灾动力学软件FDS，建立隧道原型尺寸模型，通过改变模型的大气压环境模拟获得不同海拔高度对临界风速的影响。
本发明隧道火灾火源热释放率采用失重法分析获得：
HRR＝χm&Δhc
式中：χ为燃料燃烧效率；m&为燃料燃烧质量损失速率；Δhc为可燃物的热值。
本发明不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律采用相似比1：10～1：25缩尺模型，在不同海拔地区开展现场试验，获得海拔高度对隧道火灾燃烧效率和燃料质量损失率的影响，得到不同海拔条件下隧道实际火灾热释放率。
以成都平原为基础，相对于成都平原海拔504米，本发明在不同海拔条件下隧道火灾烟气控制风速可以由下式获得：
式中，
为无量纲隧道火灾临界控制风速，Q*为无量纲火源热释放率，x为海拔高度。
本发明有益性：本发明针对高原隧道气压低、温度低、含氧量低的特点，研究了海拔高度即大气压强对隧道临界风速的影响，提出适用于高原隧道火灾控制风速设计方法，弥补目前高原地区公路隧道临界风速计算研究的空白，指导后续高原地区公路隧道火灾烟气通风控制设计研究，为高原地区公路隧道防灾通风系统的设计提供科学依据，进一步保障高海拔隧道的节能与运营安全。本发明明确了高原地区，低气压、低温度、低含氧量环境对公路隧道火灾临界风速影响，揭示了不同海拔高度下公路隧道临界风速变化规律，本发明方法能够获取任意海拔高度公路隧道火灾临界风速，尤其适用于高原地区公路隧道火灾临界风速。在高原地区，通过应用本发明方法得到的隧道火灾临界风速，有利于控制火灾烟气蔓延以及人员疏散，也将通风助燃的危险性降到最低，提高了隧道防火的安全性。
附图说明
图1是本发明FDS隧道模型示意图；
图2是本发明FDS隧道模型网格划分示意图；
图3是不同规模火灾临界风速随大气压强变化规律示意图；
图4A是本发明隧道缩尺模型正视示意图；
图4B是本发明隧道缩尺模型横截面示意图；
图5A是100×100mm油盘不同海拔条件下火源热释放率曲线；
图5B是130×130mm油盘不同海拔条件下火源热释放率曲线；
图6是不同海拔高度火灾热释放率比值与海拔高度关系示意图；
图7是无量纲火灾临界风速与无量纲火源热释放率关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
实施例：
本实施例选取典型双车道公路隧道断面，运用FDS软件建立隧道全尺寸曲顶模型；并以成都平原为基础，研究不同海拔条件下火源热释放率变化规律；获得高原隧道火灾烟气控制风速设计方法。
1)本实施例选取典型双车道公路隧道断面，运用FDS软件建立12m(宽)×9m(高)×300m(长)隧道全尺寸曲顶模型，如图1。在火源附近20米范围内网格尺寸设置为0.167m，其他区段网格尺寸采用0.333m，如图2。运用此模型，各不同火灾规模的临界风速数值计算结果统计如下表所示：
从图3可以看出，随着海拔高度的增加，即压强的减小，相同火灾规模下的隧道临界风速也逐渐减小。
2)考虑火灾热释放率Q0、空气密度ρ0、空气比热容cP、空气温度T、重力加速度g、隧道水力直径H等因素对隧道临界风速Vc的影响，运用无量纲分析方法，得到无量纲隧道临界风速表达式：
进一步化简得
其中
3)采用失重法，分析平原隧道火灾热释放率的确定方法：
HRR＝χm&Δhc (1)
上式中：χ为燃料燃烧效率；m&为燃料燃烧质量损失速率；Δhc为可燃物的热值。
根据(1)式，可得出可燃物的热值一般为定值，隧道火灾热释放率主要与燃料燃烧效率和燃料燃烧质量损失速率有关。而隧道海拔高度的变化将影响燃料燃烧效率与速率，最终影响火灾实际热释放率。因此，本发明考虑海拔高度，即大气压强对火源热释放率的影响，修正高原隧道火灾烟气控制风速设计方法。
4)本发明建立1/16隧道缩尺模型，研究海拔高度对火源热释放率的影响，模型全长8.5m，按照典型公路隧道断面设计，断面高0.44m，宽0.6m；模型采用2mm钢板制作，外侧包裹30mm耐火阻热材料硅酸铝针刺毯模拟实际隧道衬砌环境，具体见图4A和图4B。通过在504m、3297m、3544m、4103m、4446m等不同海拔高度开展模型试验，得到不同海拔高度下火源热释放率的变化曲线，具体见图5。从图5看出，随着海拔高度的增加，相同尺寸的油池火源热释放率存在明显的下降趋势。
研究表明，不同海拔高度火灾火源燃烧效率之比与大气压强之比大致相同，由图6得不同海拔高度火源热释放率与成都平原(504m)热释放率的比值满足如下表达式：
Y＝-0.009x2-0.125x+1.065(Y≤1)
其中Y为不同海拔高度火源热释放率与成都平原(504m)火源热释放率的比值，x为海拔高度。
5)考虑海拔高度对火源热释放率的影响，修正高原隧道火灾烟气控制风速设计，无量纲隧道火灾临界风速与无量纲火源热释放率的关系如图7所示，火灾规模较小时，无量纲隧道火灾临界风速与无量纲火源热释放率成良好的线形关系，当火灾规模增加到一定值的时候，无量纲隧道火灾临界风速与无量纲火源热释放率相互独立。而后，通过数值分析进一步得到高原隧道火灾烟气控制风速设计：
式中
为无量纲隧道火灾临界风速，Q*为无量纲火源热释放率，x为海拔高度。
Claims (1)
1.一种高原隧道火灾烟气控制风速设计方法，其特征在于包括：
1)运用火灾动力学软件FDS，得到不同海拔条件下不同规模公路隧道火灾所对应的通风临界风速；选取双车道公路隧道断面，运用FDS软件建立隧道全尺寸曲顶模型；运用模型，获得不同火灾规模的临界风速数值结果；
2)结合临界风速结果，应用无量纲分析得到无量纲隧道临界风速表达式；考虑火灾热释放率Q0、空气密度ρ0、空气比热容cP、空气温度T、重力加速度g、隧道水力直径H因素对隧道临界风速Vc的影响，运用无量纲分析方法，得到无量纲隧道临界风速表达式：
进一步化简得：
Vc *＝f(Q*)
其中
3)开展隧道模型试验，确定并获得不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律；建立1：16隧道缩尺模型，获得海拔高度对火源热释放率的影响，通过在504m、3297m、3544m、4103m、4446m不同海拔高度开展试验，得到不同海拔高度下火源热释放率的变化曲线，得不同海拔高度火源热释放率满足如下表达式：
Y＝-0.009x2-0.125x+1.065(Y≤1)
其中，Y为不同海拔高度火源热释放率与海拔504m火源热释放率的比值；x为海拔高度；隧道火灾火源热释放率采用失重法分析获得：HRR＝χm&Δhc，式中：χ为燃料燃烧效率；m&为燃料燃烧质量损失速率；Δhc为可燃物的热值；
4)结合不同海拔条件下隧道火灾火源热释放率变化规律，考虑海拔高度对火源热释放率的影响，修正无量纲隧道临界风速表达式，获得不同海拔条件下隧道火灾烟气控制风速设计方法：
式中Vc *为无量纲隧道火灾临界控制风速，Q*为无量纲火源热释放率，x为海拔高度。
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