CN112229662B - 一种水下区间隧道排烟系统排烟性能的量化评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道通风排烟领域，具体涉及一种可以有效评价、量化分析设置单个集中排烟口的水下区间隧道排烟系统排烟性能的方法，该方法包括以下步骤：(S1)计算水下区间隧道底部行车道内，压入式风机输入的总气流风量之和Q_p；(S2)计算水下区间隧道顶部排烟道内输出总气流风量之和Q_e；(S3)计算系统误差；(S4)计算所述水下区间隧道排烟系统的排烟性能系数H_VSES，H_VSES值越低，表示排烟系统的排烟性能越佳。

Description

一种水下区间隧道排烟系统排烟性能的量化评价方法

技术领域

本发明涉及隧道通风排烟领域，具体涉及一种可以有效评价、分析设置单个集中排烟口的水下区间隧道排烟系统排烟性能的方法。

背景技术

与一般的地铁隧道相比，特长、乘客多的水下区间隧道发生事故或灾害的概率更大。此外，在火灾中，85％的受害者是由窒息或浓烟引起的。所以，通风排烟系统仍然是水下区间隧道防灾减灾的重要支撑，防灾减灾的关键是提高隧道的通风、排风能力。

目前，研究隧道通风排烟系统的方法，主要包括工程类比法、数值模拟法和理论分析法。在理论分析的基础上，Lugin提出了一种基于纵向水平通风的双线隧道通风排烟系统。为了研究倾斜地下隧道热压与自然通风的关系，借鉴古埃及地下墓穴和寺庙通风中利用通风竖井，以及基于地下隧道空气被动冷却的一般理论，Li等推导了热压预测方程。然而，热压力对地下机械通风系统的量化影响，更具有工程意义。针对这一问题，应用火灾动力学模拟软件，研究人员验证了区间隧道临界风速对两端纵向通风的影响。应用数值模拟方法，高乃平等定量了风井位置、数量及其组合对自然通风的影响。在自然通风条件下，运用数值模拟，Zhong等研究了主隧道和连通道对气流的影响，并预测了受坡度影响的气体温度。利用实验数据和定量分析，Li等检验了机械纵向通风对隧道火灾放热率的影响，并提出了隧道火灾放热率相对增量模型。抑制与控制热灾害是隧道通风的难点，张培红等开展了向火灾隧道中喷入细水雾而灭火降温，以及喷雾参数优化方面的研究。立足于长距离、大断面和浅埋暗挖的长江水下隧道，针对通风排烟系统和气流组织的设计问题，张之启提出了大断面和小断面方案。基于地铁过海区间隧道，运用理论分析和数值模拟，朱祝龙等讨论了火灾条件下的通风竖井安装和气流组织。

目前，在重点排烟系统性能方面，蒋亚强等公开了一种隧道排烟口集中排烟性能测试装置和测试方法，从排热量的角度，量化分析隧道排烟口集中排烟性能；然而，由该测试方法所表征的排烟性能，尚未建立起通风排烟系统中动力源、流动参数之间的关系。因此，从上述结论及其所涉及的方法来看，水下区间隧道通风排烟系统研究仍不系统，尤其是，开启单个吊顶集中排烟口的水下区间隧道重点排烟系统排烟性能量化方法尚未形成。

发明内容

为了实现能够快速地评价、分析水下区间隧道的排烟性能，本发明所要解决的技术问题是：提供一种将动力源与流动参数相结合的用于评价设置单个吊顶集中排烟口的水下区间隧道排烟系统排烟性能的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种水下区间隧道排烟系统排烟性能的量化评价方法，所述水下区间隧道包括隧道底部行车道、隧道顶部排烟道，所述排烟道中心设有集中排烟口；所述水下区间隧道排烟系统以所述集中排烟口为中心，所述行车道一侧压入气流或两侧压入气流，汇集至集中排烟口处，通过集中排烟口向排烟道两侧排出；其中，所述水下区间隧道排烟系统的排烟性能评价方法如下：

(S1)：计算水下区间隧道底部一侧行车道或左、右两侧行车道内，压入式风机输入的总气流风量之和Q_p，计算公式如下：

其中，Q_p单位：m³/s；v_p(i)为行车道内的气流流速，单位：m/s；A_p(i)为与v_p(i)相对应的行车道截面积值，单位：m²；i为下标，表示从1到n的序列号，无量纲自然数；

(S2)：计算水下区间隧道顶部排烟道内左右两侧烟道输出总气流风量之和Q_e，计算公式如下：

Q_e＝v_e(l)·A_e(l)+…+v_e(j)·A_e(j)+…+v_e(m)·A_e(m) (2)

其中：Q_e单位：m³/s；v_e(l)，v_e(j)，…，v_e(m)为排烟道内的气流风速，单位：m/s；A_e(l)，A_e(j)，…，A_e(m)与所述风速相对应的排烟道截面积值；单位：m²；1，…，j，m分别为下标，无量纲自然数；

(S3)根据步骤S1、步骤S2，计算所述水下区间隧道排烟系统的系统误差，公式如下：

(S4)当系统误差小于等于12％时，利用以下公式计算，量化所述水下区间隧道排烟系统的排烟性能，公式如下：

其中：H_VSES，性能系数，等效于排烟系统的气流压力，单位：Pa；N是风机的组合功耗，即特定组合下各个单机功耗的算术和，单位：W；Q_e抽风机或通风井输出总气流风量之和，单位：m³/s；N_k是该总和的一项，单位：W；k是下标，它是从1到s的序列号之一，无量纲自然数；H_VSES值越低，表示排烟系统的排烟性能越佳。

进一步地，所述水下区间隧道排烟系统中，所述行车道一侧或两侧设置压入式风机，压入式风机的数量大于等于1，排烟道一侧或两侧设置抽风机，抽风机的数量大于等于0。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

(1)本发明适用于对设置单个集中排烟口的水下区间隧道排烟系统排烟性能进行量化，提出一种评价通风性能的指标，即性能系数H_VSES，它等效于风压，可以量化系统排烟性能，通过H_VSES的具体数值，可以直接判断不同风机组合方式下，所述排烟系统的通风性能差异。

(2)在本发明所述的评价分析方法中，H_VSES计算过程简单、易操作和耗时少，能够快速预估和现场评价通风排烟系统的通风性能，还可以用于指导水下区间隧道的通风排烟系统设计，或进一步优化设计方案和营运节能。

(3)采用本发明所述的量化评价方法，作为水下区间隧道排烟系统的设计理论依据时，可以有效提高隧道的通风、排风能力，降低隧道发生火灾时，受害者由窒息或浓烟引起的死亡发生率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述水下区间隧道结构示意图。

图2为本发明实施例所述水下区间隧道排烟系统气流流向示意图。

图3为本发明实施例所述风机组合功耗与性能参数H_VSES之间的关系曲线图。

标号说明：1、左侧行车道；2、右侧行车道；3、左侧排烟道；4、右侧排烟道；5、集中排烟口；6、行车道；7、排烟道；A、左侧行车道烟气流；B、右侧行车道新鲜气流；C、左侧排烟道烟气流；D、右侧行车道烟气流。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，本实施例1所述的水下区间隧道包括行车道6、左侧行车道1、右侧行车道2、排烟道7、左侧排烟道3、右侧排烟道4、集中排烟口5、左/右排烟道下底面。其中，所述集中排烟口5设置在隧道中部，将左侧行车道1、右侧行车道2与左侧排烟道3、右侧排烟道4连通。所述行车道6与排烟道7处于同一洞身内，左/右排烟道下底面将洞身一分为二，上部结构即为排烟道7，下部结构为行车道6，行车道6以集中排烟口5为中心分为左侧行车道1与右侧行车道2，排烟道7亦以集中排烟口5为中心分为左侧排烟道3及右侧排烟道4。

如图2所示，本实施例1所述的水下区间隧道排烟系统以集中排烟口5为中心，行车道6一侧压入气流或两侧压入流气流，汇集至集中排烟口5处，通过集中排烟口5向排烟道两侧排出。其中，所述气流分为：左侧行车道烟气流A、右侧行车道新鲜气流B、左侧排烟道烟气流C、右侧行车道烟气流D。

进一步地，在本实施例1中，在所述的水下区间隧道排烟系统中，采用以下两种风机的组合方式：

(一)行车道6两侧各设置一台压入式风机，排烟道7设置抽风机的数量为0。(以下简称“双压零抽”)。

(二)行车道6两侧各设置一台压入式风机，排烟道7右侧设置一台抽风机。(以下简称“双压一抽”)。

其中，本发明所述实施例1中，所述风的组合方式还有双压三抽、双压四抽、单压双抽等。具体地，本发明实施例1以上述两种风机组合方式作进一步说明。

当左侧行车道1发生火灾，压入的新鲜气流与火灾产生的烟气混合，烟气被胁迫向着集中排烟口5流动，形成了左侧行车道烟气流A。左侧行车道烟气流A与逆向流动的右侧行车道新鲜流B在集中排烟口5下方汇集涌向集中排烟口5，随后向排烟道7两侧排出，形成左侧排烟道烟气流C与右侧行车道烟气流D。

基于实施例1所述水下区间隧道的结构布局以及排烟系统的设置方式，本发明提出了一种水下区间隧道排烟系统排烟性能的量化评价方法，用于评价与不同风机组合构成的通风排烟系统的排烟性能，并提出了一种性能指标H_VSES，具体公式为：

其中，H_VSES，等效于排烟系统的气流压力，单位：Pa；N是风机的组合功耗，即特定组合下各个单机功耗的算术和，单位：W；Q_e抽风机或通风井排出的风量之和，单位：m³/s；N_k是该总和的一项，单位：W；k是下标，它是从1到s的序列号之一，无量纲自然数；H_VSES值越小，表示排烟系统的排烟性能越佳。

在采用H_VSES进行量化评价排烟系统的排烟性能时，所述的水下区间隧道排烟系统的系统误差E不能超过12％，具体计算公式如下：

其中，Q_e为抽风机或通风井输出总气流风量之和，单位：m³/s；Q_p压入式风机输入的总气流风量之和，单位：m³/s。

具体地，计算水下区间隧道底部一侧行车道或左、右两侧行车道内，压入式风机输入的总气流风量之和Q_p，计算公式如下：

其中，Q_p，单位：m³/s；v_p(i)为行车道内的气流流速，单位：m/s；A_p(i)为与v_p(i)相对应的行车道截面积值，单位：m²；i为下标，表示从1到n的序列号，无量纲自然数。

在计算时，v_p(i)为行车道的断面平均风速，A_p(i)为行车道的截面积值。

具体地，计算水下区间隧道顶部排烟道内左右两侧烟道输出总气流风量之和Q_e，计算公式如下：

Q_e＝v_e(l)·A_e(l)+…+v_e(j)·A_e(j)+…+v_e(m)·A_e(m) (2)

其中：Q_e，单位：m³/s；v_e(l)，v_e(j)，…，v_e(m)为排烟道内的气流风速，单位：m/s；A_e(l)，A_e(j)，…，A_e(m)与所述风速相对应的排烟道截面积值；单位：m²；1，…，j，m分别为下标，无量纲自然数。

计算时，A_e(l)，A_e(j)，…，A_e(m)为排烟道的截面积值，v_e(l)，_ve_(j)，…，v_e(m)为排烟道内的断面平均风速。

因此，在进行量化分析前，需要得到如下数据：左右侧行车道平均风速、行车道横截面面积、左右侧排烟道平均风速、排烟道横截面面积和风机组合功耗，检测试验数据如下：

a)双压零抽与双压一抽左侧行车道风速分别为{2.02，2.03，2.22，2.25，2.58，2.93，2.99，3.21}和{1.84，1.87，1.89，1.99，1.98，2.02，2.06，2.09}，单位：m/s；

b)双压零抽与双压一抽右侧行车道风速分别为{0.73，0.91，0.95，1.17，1.10，1.02，1.17，1.24}和{0.69，0.70，0.71，0.71，0.74，0.78，0.80，0.81}，单位：m/s；

c)行车道横截面面积为0.23616m²；

d)双压零抽与双压一抽左侧排烟道风速分别为{2.84，3.04，3.26，3.55，3.76，4.08，4.34，4.56}和{1.48，1.42，1.36，1.33，1.26，1.18，1.01，0.92}，单位：m/s；

e)双压零抽与双压一抽右侧排烟道风速分别为{3.00，3.24，3.54，3.71，4.03，4.35，4.59，4.99}和{3.98，4.20，4.37，4.56，4.86，5.08，5.31，5.54}，单位：m/s；

f)排烟道横截面面积为0.10285m²；

g)双压零抽与双压一抽风机组合功耗分别为{252.72，319.47，376.69，446.82，512.53，603.47，700.14，807.59}和{261.59，279.54，299.72，323.19，348.24，372.80，403.18，435.84}，W；

上述数据由实际检测获得，主要用于判断隧道排烟系统不同通风机组合方式构成的排烟性能，作为隧道排烟系统评价与设计的深入技术论证，其中，所述的性能系数H_VSES，用于量化判断现有隧道排烟系统的排烟性能，以便直观、可靠地对不同排烟系统进行评价，以及后续的完善与改进。

将以上数据a)至f)代入公式(1)、(2)得到Q_p、Q_e，再代入公式(3)计算系统误差，验证并确保系统误差小于等于12％时，将数据g)、以及Q_e代入公式(4)，计算得到不同风机组合功耗下的H_VSES，所得结果与抽风机功耗测得值的关系曲线如图3所示。

如图3所示，根据“■双压零抽计算值”与“★双压一抽计算值”；进一步，根据最小二乘法及其拟合误差判别，应用流体力学泵与风机基本理论中通风机功耗(单位N)与风压力数值(单位Pa)之间的一次方关系，得到本实施例1所涉及的线性拟合关系式；最后，根据所得线性拟合关系式，以及给定自变量范围(即“双压零抽或双压一抽功耗预测值”范围)，得到图3所示的“双压零抽预测曲线”与“双压一抽预测曲线”，进一步，二者平均而得到“平均值”，双压一抽预测值与该“平均值”之间的差值，即为图3中所示的“双压一抽正偏差”。

图3中下横轴作自变量，具体为双压零抽或双压一抽的通风机组合功耗；左纵轴作因变量，具体为双压零抽或双压一抽的性能系数计算值；参考下横轴与左纵轴绘制了双压零抽与双压一抽性能系数计算值曲线。上横轴作自变量，具体为双压零抽或双压一抽的通风机组合功耗预测值；右纵轴作因变量，具体为双压零抽或双压一抽的性能系数预测值；参考上横轴与右纵轴绘制了双压零抽与双压一抽性能系数预测曲线、平均值曲线以及双压一抽正偏差曲线。

结果分析：如图3所示，根据比较“双压一抽预测曲线”、“双压零抽预测曲线”与本实例1公式(4)计算得到的“双压一抽性能系数与风机功耗曲线”与“双压零抽性能系数与风机功耗曲线”得出以下结论：在通风机组合功耗较低的情况下，双压零抽构成的通风排烟系统性能系数低于双压一抽，所以双压零抽成为优选的通风排烟系统。

分析说明如下：图3中左纵坐标所涉及的“性能系数”，即为前述公式(4)中的变量说明，根据公式(4)，推导可知在“双压一抽”与“双压零抽”通风机功耗相同的情况下，“性能系数”值越小，表示排烟道输出总风量之和越大，系统排烟性能越佳。

因此，本发明通过试验数据计算得到现有设置单个集中排风口的水下区间隧道排烟系统的排烟性能系数，用于量化评价、分析不同通风机组合方式下，排烟系统的排烟性能差异。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种水下区间隧道排烟系统排烟性能的量化评价方法，其特征在于，所述水下区间隧道包括隧道底部行车道、隧道顶部排烟道，所述排烟道中心设有集中排烟口；所述水下区间隧道排烟系统以所述集中排烟口为中心，所述行车道一侧压入气流或两侧压入气流，汇集至集中排烟口处，通过集中排烟口向排烟道两侧排出；其中，所述水下区间隧道排烟系统的排烟性能评价方法如下：

(S1)：计算水下区间隧道底部一侧行车道或左、右两侧行车道内，压入式风机输入的总气流风量之和Q_p，计算公式如下：

其中，Q_p，单位：m³/s；v_p(i)为行车道内的气流流速，单位：m/s；A_p(i)为与v_p(i)相对应的行车道截面积值，单位：m²；i为下标，表示从1到n的序列号，无量纲自然数；

(S2)：计算水下区间隧道顶部排烟道内左右两侧烟道输出总气流风量之和Q_e，计算公式如下：

Q_e＝v_e(1)·A_e(1)+…+v_e(j)·A_e(j)+…+v_e(m)·A_e(m) (2)

其中：Q_e，单位：m³/s；v_e(1)，v_e(j)，…，v_e(m)为排烟道内的气流风速，单位：m/s；A_e(1)，A_e(j)，…，A_e(m)与所述风速相对应的排烟道截面积值；单位：m²；1，…，j，m分别为下标，无量纲自然数；

(S3)根据步骤S1、步骤S2，计算所述水下区间隧道排烟系统的系统误差，公式如下：

(S4)当系统误差小于等于12％时，利用以下公式计算，量化所述水下区间隧道排烟系统的排烟性能，公式如下：

其中：H_VSES，等效于排烟系统的气流压力，单位：Pa；N是风机的组合功耗，即特定组合下各个单机功耗的算术和，单位：W；N_k是该总和的一项，单位：W；k是下标，它是从1到s的序列号之一，无量纲自然数；H_VSES值越低，表示排烟系统的排烟性能越佳。

2.根据权利要求1所述的一种水下区间隧道排烟系统排烟性能的量化评价方法，其特征在于，所述水下区间隧道排烟系统中，所述行车道一侧或两侧设置压入式风机，压入式风机的数量大于等于1，排烟道一侧或两侧设置抽风机，抽风机的数量大于等于0。

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