CN113339070B - 一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，包括：(1)确定发生隧道烟气串流的最不利着火点；(2)选择着火隧道烟气经由相邻竖井串流至非着火隧道的影响因素，影响因素包括挡板高度；(3)使用正交分析法设计模拟工况，开展数值模拟；(4)选择无火源隧道的温度、一氧化碳浓度、炭黑质量比例和能见度四个参数，作为考查烟气串流的指标；(5)采用直观分析法，判断实验效果最好的工况，再根据实验数据的极差得出各影响因素的主次顺序；(6)比较各因素各水平所得到的试验数据总和K值，获得各因素的最优水平；(7)将各因素水平的最优取值进行组合，获得最优初步组合方案；(8)针对最优初步组合方案，进行数值模拟，对比分析各指标，判断最优组合方案。本发明提出的评价方法可考查双洞隧道火灾烟气串流现象，并给出采用挡板抑制烟气经由竖井串流至相邻隧道的最优方案。

Description

一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法
技术领域
本发明专利属于火灾通风技术领域，具体来说本发明涉及一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法。
背景技术
当今建设的城市地下隧道多为双洞单向，且出现多条隧道利用道路中间绿化带修建竖井组，相邻隧道竖井相互靠近，无纵向错位，发生火灾时，烟气经由竖井串流至非着火隧道的可能性比较大，伤亡事故风险也显著增加。
浅埋城市交通隧道利用顶部多开口进行自然通风(排烟)，而《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)条文12.3.1规定“通行机动车的一、二、三类隧道应设置排烟设施”，相应的条文说明解释：采用自然排烟时，应注意错位布置上下行隧道开设的自然排烟口或上下行隧道的洞口，防止非着火隧道汽车行驶形成的活塞风将邻近隧道排出的烟气倒吸入非着火隧道，造成烟气蔓延。
而目前相关规范均未明确给出双洞隧道自然排烟竖井的详细设置参数，且缺乏抑制烟气串流的有效措施及评价方法，给实际工程设计带来了极大不便。
发明内容
针对上述技术不足，本发明提供了一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，利用pyrosim火灾模拟软件模拟不同工况烟气串流情况，并确定合理串流标准，针对相邻竖井得出合适的优化挡板设置方案，减少伤亡事故发生的几率，为城市公路隧道建设及安全保障提供技术支持。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，包括以下步骤：
(1)确定发生隧道烟气串流的最不利着火点；
(2)选择着火隧道烟气经由相邻竖井串流至非着火隧道的影响因素，影响因素包括挡板高度；
(3)使用正交分析法设计模拟工况，开展数值模拟；
(4)选择无火源隧道的温度、一氧化碳浓度、炭黑质量比例和能见度四个参数，作为考查烟气串流的指标；
(5)采用直观分析法，判断实验效果最好的工况，再根据实验数据的极差得出各影响因素的主次顺序；
(6)比较各因素各水平所得到的试验数据总和K值，获得各因素的最优水平；
(7)将各因素水平的最优取值进行组合，获得最优初步组合方案；
(8)针对最优初步组合方案，进行数值模拟，对比分析各指标，判断最优组合方案；
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将炭黑质量比例和能见度作为抑制烟气串流效果的考查指标，并结合正交分析方式初步确定排烟口的最优设置方案，然后进行验证和分析对比，从而确定最终的排烟口优化设置方案。本发明提出的方法可综合考查排烟口设置的多种参数对烟气控制效果的影响使其在发生火灾时避免相邻竖井之间烟气串流。
(2)不同于以往单洞隧道火灾研究，本项目搭建南京西安门隧道双洞物理模型，每洞上方布置一竖井，且两竖井并列非错位布置，采用pyrosim软件(专门用于火灾模拟的三维动态数值模拟软件，火灾领域广泛认可)，大涡模拟方法，以夏季工况为例，模拟隧道发生火灾时的烟气运动，掌握不同火源功率、环境风、竖井高度等影响因素下，着火与非着火隧道烟气温度、浓度与烟层高度参数，获得烟气串流发生的条件和限度，进而得到一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流效果的评价方法，为今后顶部多开口自然通风城市公路隧道的修建提供参考
(3)本发明流程设计合理、易于操作实现，且优化效果好，因此，其非常适合在火灾通风技术领域内推广应用。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明-模拟中隧道三维物理模型。
图3为本发明-模拟中温度随时间变化趋势(无火源隧道人员区域)。
图4为本发明-模拟中一氧化碳浓度随时间变化趋势(无火源隧道人员区域)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本发明提供了一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，主要用于指导实际工程中城市公路隧道竖井挡板的优化设置，并对烟气串流抑制效果进行评价，防止火灾时的相邻竖井之间烟气串流，为人员疏散、灭火救援创造更为有利的条件。如图1所示，本发明的评价过程如下：
(1)确定发生隧道烟气串流的最不利着火点位于着火隧道竖井正下方；
(2)选择着火隧道烟气经由相邻竖井串流至非着火隧道的影响因素，影响因素包括挡板高度；
(3)使用正交分析法设计火灾场景模拟工况，具体为：根据正交分析法，从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验，本次实验有水平数均为3的4个因素，建立正交分析“因素水平表”，选择L9(34)正交实验表；
(4)针对火灾场景模拟工况，开展数值模拟，得到温度、一氧化碳浓、炭黑能见度及炭黑质量比例变化趋势；
(5)选择一氧化碳浓度及温度作为判断烟气串流安全性标准；选择炭黑质量比例和能见度作为抑制烟气串流效果的考查指标；
(6)根据火灾安全评价标准，判断温度、一氧化碳浓度是否会对人员造成威胁；采用直观分析法，判断炭黑质量比例和能见度效果最好的工况，根据实验数据的极差得出各影响因素的主次顺序，比较各因素各水平所得到的试验数据总和K值，获得各因素的最优水平；
(7)将各因素水平的最优取值进行组合，获得最优初步组合方案；
(8)针对最优初步组合方案，进行数值模拟，对比分析各指标，判断最优组合方案。
发生火灾时，强烈的浮升效应促使热烟气从隧道顶部竖井开口排出，需要通过数值模拟得到不同工况下最优挡板设置高度。数值模拟采用Thunderhead EngineeringPyroSim，其内核是美国NIST所开发的场模拟火灾工具Fire Dynamics Simulator(FDS)。本实例的计算模型见图2。
数值模拟考虑有四个因素，分别为火源功率、竖井高度、环境风速、挡板高度，其水平数均为3，故选择L9(34)正交实验表设计方案，见表1，共需针对9个典型火灾场景进行模拟计算。
采用一氧化碳浓度及温度作为判断烟气串流安全性标准，如图3和图4所示，9种工况中烟气温升均没有超过5℃，一氧化碳浓度均没有超过10ppm，可以得知温度及一氧化碳对人员安全无威胁。采用炭黑质量比例以及炭黑能见度作为抑制烟气串流效果的考查指标，见表1和表2。根据极差R，可判断出挡板高度是影响烟气串流的最重要因素。
根据“直接看”原则，工况6实验效果最好。根据“算一算”原则，火源功率20MW，竖井高度10m，环境风速1m/s，挡板高度2m，为优化组合1(工况10)；火源功率20MW，竖井高度2m，环境风速0m/s，挡板高度1m，为优化组合2(工况11)。对三个工况进行模拟并对比，工况11炭黑质量比例与炭黑能见度均为最优，成为抑制烟气串流的最佳组合工况，见表3。
表1
表2
表3
本发明提出的方法可综合考查多种参数对烟气串流效果的影响，然后以此对竖井挡板高度的设置进行了优化，为实际工程设计带来了重要的参考价值和意义。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定发生隧道烟气串流的最不利着火点；
(2)选择着火隧道烟气经由相邻竖井串流至非着火隧道的影响因素，影响因素包括挡板高度；
(3)使用正交分析法设计模拟工况，开展数值模拟；
(4)选择无火源隧道的温度、一氧化碳浓度、炭黑质量比例和能见度四个参数，作为考查烟气串流的指标；
(5)采用直观分析法，判断实验效果最好的工况，再根据实验数据的极差得出各影响因素的主次顺序；
(6)比较各因素各水平所得到的试验数据总和K值，获得各因素的最优水平；
(7)将各因素水平的最优取值进行组合，获得最优初步组合方案；
(8)针对最优初步组合方案，进行数值模拟，对比分析各指标，判断最优组合方案。
2.根据权利要求1所述的一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中：
隧道为竖井型双洞单向市政公路隧道，竖井沿隧道一侧壁面修建，顶部开口位于洞外道路中央绿化带，与地面平齐，相邻隧道竖井采用中隔板分割，无纵向错位。
3.根据权利要求1所述的一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中：
最不利着火点位于着火隧道竖井正下方。
4.根据权利要求1所述的一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，其特征在于，所述步骤(2)中：
着火隧道烟气经由相邻竖井串流至非着火隧道的影响因素为火源功率、竖井高度、邻侧隧道竖井吸入风速、洞外环境风速以及挡板高度。
5.根据权利要求1所述的一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中：
采用大涡模拟开展三维动态数值模拟。
6.根据权利要求1所述的一种采用挡板抑制双洞隧道竖井烟气串流的效果评价方法，其特征在于，所述步骤(4)中：
参数测点位于无火源隧道竖井正下方，行车人员呼吸高度1.3m，且温度、一氧化碳浓度与炭黑质量比例越低越好，能见度越高越好。
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