CN113756855B - 一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法。列车发生火灾导致列车停靠在区间隧道,列车停靠侧隧道为事故隧道,人员疏散侧隧道为非事故隧道。事故隧道一侧车站的风机向区间隧道内送风,事故隧道另一侧车站的风机对区间隧道进行排烟,非事故隧道两侧车站的风机同时向区间隧道内送风,风机开启数量以及送风风量保持一致。本发明通过上述通风方法,无需判断火灾位置和列车停车位置,能够被非事故隧道的正压气流有效控制在事故隧道内,并通过事故隧道的推拉式风流向外排出,有效控制烟气不侵入联络通道,联络通道处保持正压,使得事故隧道临界风速符合规范要求,对火灾时隧道内司乘人员安全疏散起到有效保障作用。
Description
技术领域
本发明涉及城市地下隧道技术领域,具体涉及一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法。
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。
但单洞双线隧道内联络通道无法设置实体防火门,地铁两条地下区间之间联络通道中的防火门受到列车活塞风压的长期往复作用,易损坏脱落、威胁行车安全,发生火灾时,车厢乘客需要通过疏散平台穿越联络通道疏散至非事故隧道,为保证人员安全的疏散环境,必须通过隧道风机进行有效地通风防烟。因此,有必要研究单洞双线隧道的烟气控制方法,以期为无防火门式联络通道的消防设计提供参考。
现有的单洞双线隧道烟气控制方法只是控制非事故隧道的气压大于事故隧道的气压,但其他隧道火灾模型下烟气逆流的情况说明了维持单一隧道间不同区间的气压差并不能阻止烟气逆流,因此维持两隧道间的气压差,也不能阻止烟气从联络通道逆流到非事故隧道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足,提供一种启动方式简洁、效果显著、安全合理的单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法;能有效控制烟气不侵入联络通道,联络通道处保持正压(非事故至事故视为正压),使得事故隧道临界风速符合规范要求,对火灾时隧道内司乘人员安全疏散起到有效保障作用,同时对火灾救援起到积极作用。
为实现上述目的,本发明采用的烟气控制方法是通过如下方案完成的:
一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法,所述单洞双线隧道包括列车停靠侧的事故隧道,和人员疏散侧的非事故隧道,连通事故隧道和非事故隧道的联络通道,在事故隧道内的列车着火后,事故隧道的A侧车站的风机向区间隧道内送风,事故隧道的B侧车站的风机对区间隧道进行排烟,人员通过中隔墙处的联络通道疏散至非事故隧道,非事故隧道两侧车站的风机同时向区间隧道内送风,使从联络通道向事故隧道流动的风速大于临界风速vc,所述A侧车站为事故隧道内列车未着火的一端,所述B侧车站为事故隧道内列车着火的一端;
其中Cp为空气定压比热、T0为空气温度、g为重力加速度、HD为隧道水力直径、V为事故隧道侧纵向风速、Q为火灾热释放率、L为火源距联络通道的距离,ρ0为空气密度。
一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法中临界风速vc的计算方法,包括以下步骤:
S1:确定隧道火灾场景下临界风速vc的影响因素,建立所述临界风速vc与所述影响因素的关系式:f(vc,V,Q,ρ0,CP,T0,g,HD,L)=0;
S2:根据所述影响因素的单位确定基本量纲,将所述影响因素由所述基本量纲表示,建立所述临界风速vc与所述影响因素的量纲关系式;
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,基本量纲数η为4;
所述步骤S2中,所述临界风速vc与所述影响因素的关系式为:
f(Lt-1,Lt-1,ML2t-3,ML-3,L2t-2T-1,T,Lt-2,L,L)=0;
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参数数为再根据π定理中循环量的选取原则,选取5个循环量,用这5个循环量与其它/>个物理参数中的其它所有参数依次组合成无量纲参数Π1、Π2、Π3、∏4、∏5,将所述步骤S2中的所述关系式转变为无量纲关系式,再获得所述临界风速vc的无量纲计算公式;
所述步骤S3中,所述影响因素的无量纲参数Π1、Π2、Π3、Π4、Π5为:
所述临界风速vc的无量纲计算公式为:
其中v* c为无量纲临界风速,V*为无量纲事故隧道侧纵向风速,Q*为无量纲火灾热释放率,L*为无量纲火源距联络通道的距离;
S3.FDS数值模拟测量联络通道临界风速:建立1:3缩尺的单洞双线隧道几何模型,设置汽油燃烧为火源,火源位于地铁列车车厢内部的中心线上,为稳态火或t平方火,在缩尺几何模型内沿顶壁的纵长方向上均匀间隔设有多个温度测点,测量临界风速vc的影响因素,在缩尺几何模型的一处断面设置有多个流速测点,测量临界风速vc,设置不同的火源热释放速率Q、火源距联络通道距离、事故隧道纵向风速初始值,火灾增长速率0.04689kW/s2,并在该火灾条件下逐渐降低纵向风速的大小,在数值模拟时临界风速vc通过逆流长度外推法确定:通过事故隧道顶板设置的温度测点获得顶板处温度分布情况以得到事故隧道内烟气的逆流长度,根据逆流长度外推可得逆流长度为0m时的联络通道送风风速,即联络通道临界风速vc;
S4.实体验证:建立与步骤S3相同的1:3缩尺单洞双线隧道的火灾隧道模型中,制造火源,按步骤S3的相同参数设置不同的火源热释放速率Q、火源距联络通道距离、事故隧道纵向风速初始值,并在该火灾条件下逐渐降低纵向风速的大小,直至肉眼观察烟气恰好不侵入联络通道时,在此时测量出联络通道临界风速;
S6.将实体验证和FDS数值模拟的结果绘制散点图,若实体验证的联络通道临界风速的趋势曲线与FDS数值模拟的联络通道临界风速的趋势曲线接近,则以FDS数值模拟的联络通道临界风速作为待拟合临界风速数据;
S7.运用数据拟合方法拟合待拟合临界风速数据,确定隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L单独作为变量时与联络通道临界风速的未知系数k2、k3、k4,再运用数据拟合方法,确定隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L一起作为变量时与联络通道临界风速的未知系数k1,得到无量纲影响因素对无量纲联络通道临界风速之间的关系函数曲线。
进一步地,所述事故隧道侧纵向风速V:Qe为隧道竖井有效风量,β为事故隧道停放列车后的阻塞比,S为事故隧道的截面积,
一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法中事故隧道侧隧道竖井有效风量的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
R1:确定竖井送风有效风量Qe的影响因素,建立所述竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的关系式:f(Q,Lh,β,Qs,ρ0,cp,T0,g,HD)=0,其中Lh为火源到竖井的距离;
R2:根据所述影响因素的单位确定基本量纲,将所述影响因素由所述基本量纲表示,建立竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的量纲关系式;
所述步骤R2中,所述基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T,基本量纲数为4;
所述步骤R2中,所述竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的关系式为:
f(ML2t-3,L,1,L3t-1,ML-3,L2t-2T-1,T,Lt-2,L)=0;
R3: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参数数为再根据π定理中循环量的选取原则,选取5个循环量,用这5个循环量与其它/>个物理参数中的其它所有参数依次组合成无量纲参数Π1、Π2、Π3、∏4、∏5,将所述步骤R2中的所述关系式转变为无量纲关系式,再获得所述竖井送风有效风量Qe的无量纲计算公式;
所述步骤R3中,所述影响因素的无量纲参数∏1、∏2、∏3、Π4、Π5为:
所述竖井送风有效风量Qe的无量纲计算公式为:
β*=β,
其中,Qe *表示无量纲竖井送风有效风量,Q*为无量纲火源功率、Lh*为无量纲火源距竖井距离、Qs*为无量纲竖井送风量;
R4:在隧道的火灾隧道模型中,制造火源,火源热释放速率为5~15MW,火源尺寸为长6m×宽2m,火灾增长速率0.04689kW/s2,区间上游竖井风机送风、下游竖井风机排烟,在火灾隧道模型中依次以隧道阻塞比β、火源热释放速率Q、竖井送风量Qs、火源距竖井距离L h中一个为影响因素变量,另三个影响因素为恒量模拟火灾,并测量出列车下游的有效风量Qe,运用数据拟合方法,确定火源热释放速率Q、火源距竖井距离L h和隧道阻塞比β、竖井送风量Qs单独作为变量时与有效风量Qe的拟合关系及拟合系数,再运用数据拟合方法,确定火源热释放速率Q、火源距竖井距离L h和隧道阻塞比β、竖井送风量Qs一起作为变量时与有效风量Qe的拟合关系和拟合系数,得到无量纲影响因素对无量纲竖井送风有效风量Qe之间的关系函数曲线。
采用上述步骤后,本发明有益效果为:本发明所述的一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法;无需判断火灾位置和列车停车位置,能够确保事故隧道断面风速大于2m/s,符合规范要求。同时能有效防止烟气侵入联络通道,联络通道处保持正压(非事故至事故视为正压),对火灾时隧道内司乘人员安全疏散起到有效保障作用,同时对火灾救援起到积极作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例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为本发明隧道协同送风示意图;
图2为本发明联络通道防烟示意图;
图3为本发明无量纲纵向通风与无量纲联络通道临界风速关系图;
图4为本发明无量纲火源热释放速率与无量纲联络通道临界风速关系图;
图5为本发明火源距联络通道距离与无量纲联络通道临界风速关系图;
图6为本发明联络通道临界风速模拟结果(纵向通风小于1m/s);
图7为本发明联络通道临界风速模拟结果(纵向通风大于1m/s);
图8为不同火源功率下竖井送风有效风量数值模拟结果图;
图9为不同距离时竖井送风有效风量数值模拟结果图;
图10为不同阻塞比时竖井送风有效风量数值模拟结果图;
图11为竖井不同送风风量与竖井送风有效风量数值模拟结果;
图12为竖井送风有效风量模拟结果图;
图13为实体验证和FDS数值模拟的结果对比图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
参看如图1-图2所示,本具体实施方式采用的烟气控制方法是:它的操作步骤如下:
1、列车发生火灾导致列车停靠在区间隧道,列车停靠侧隧道为事故隧道,人员疏散侧隧道为非事故隧道;
2、当发生火灾后,事故隧道的A侧车站的风机向区间隧道内送风,事故隧道的B侧车站的风机对区间隧道进行排烟,人员通过中隔墙处的联络通道疏散至非事故隧道,A侧车站为事故隧道内列车未着火的一端,B侧车站为事故隧道内列车着火的一端;
3、非事故隧道两侧车站的风机同时向区间隧道内送风,使从联络通道向事故隧道流动的风速大于临界风速vc;
本具体实施方式的工作原理:在单洞双线隧道联络通道无法设置实体防火门时,利用非事故隧道两端车站处风机的正压气流,在联络通道处形成一定的正压,控制事故隧道烟气不侵入非事故隧道,事故隧道通过推拉式送风(事故隧道一侧车站的风机向区间隧道内送风,事故隧道另一侧车站的风机对区间隧道进行排烟),快速的将火灾烟气排出,通过上述协同作用的烟气控制方法,可以保障人员疏散时的安全环境,对火灾烟气也具有一定的控制作用。
临界风速vc的计算方法,包括以下步骤:
S1:确定隧道火灾场景下临界风速vc的影响因素,建立所述临界风速vc与所述影响因素的关系式:f(vc,V,Q,ρ0,CP,T0,g,HD,L)=0;
vc为临界风速(m/s)、V为隧道事故隧道侧纵向风速(m/s)、Q为火灾热释放率(MW)、L为火源距联络通道距离(m)、ρ0为空气密度(kg/m3)、cp为空气定压比热(J/(kg·K))、T0为空气温度(k)、g为重力加速度(9.8m/s2)、HD为隧道水力直径(m)。
S2:根据影响因素的单位确定基本量纲,将所述影响因素由基本量纲表示,建立所述临界风速vc与影响因素的量纲关系式;
步骤S2中,基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T,基本量纲数为4;
所述步骤S2中,所述临界风速vc与所述影响因素的关系式为:
f(Lt-1,Lt-1,ML2t-3,ML-3,L2t-2T-1,T,Lt-2,L,L)=0;
S3:确定影响因素的基本物理量,根据π定理得到影响因素的无量纲参数数为再根据π定理中循环量的选取原则,选取5个循环量,用这5个循环量与其它/>个物理参数中的其它所有参数依次组合成无量纲参数Π1、Π2、Π3、Π4、Π5,将步骤S2中的所述关系式转变为无量纲关系式,再获得临界风速vc的无量纲计算公式;
步骤S3中,影响因素的无量纲参数Π1、Π2、Π3、Π4、Π5为:
临界风速vc的无量纲计算公式为:
其中v* c为无量纲临界风速,V*为无量纲事故隧道侧纵向风速,Q*为无量纲火灾热释放率,L*为无量纲火源距联络通道的距离,k1、k2、k3、k4为未知系数;
FDS与模型验证:
以宁波4号线工程类矩形盾构隧道典型区间段作为建立火灾模型隧道的参照,长762m,净宽为10.25m,净高为6m,联络通道口处疏散孔洞为一口单洞宽0.9m×高2.1m,采用FDS 6.7.1建立1:3缩尺的单洞双线隧道几何模型,并在火灾隧道模型中建立火灾场景,模拟列车车头火灾,火源设置在列车模型的第二节车厢的第二个车厢门处,火源尺寸为长5m×宽2m。隧道墙壁材料设置为“CONCRETE”,列车材料设置为“STEEL”。隧道内环境温度设置为20℃,气压设置为标准大气压101.325kPa,由《地铁设计防火标准》(GB51298-2018)第8.2.4条规定:火灾场景中火源热释放速率为5~15MW,火源尺寸为长5m×宽2m,火灾增长速率0.04689kW/s2;火源位于地铁车厢内部,火源为汽油燃烧,采用稳态火或t平方火,缩尺几何模型内沿顶壁的纵长方向上均匀间隔设有多个温度测点,测量受临界风速vc的影响因素,所述缩尺几何模型的一处断面设置有多个流速测点,测量临界风速vc,具体是通过FDS的Velocity测点直接测出的。
在火灾隧道模型中进行数值模拟,以无量纲隧道事故隧道侧纵向风速V*、火源热释放速率Q*和无量纲火源距联络通道距离L*作为初始设置参数,并在该火灾条件下逐渐降低纵向风速的大小,模拟得到结果见表1、表2、表3中的联络通道临界风速:
表1不同纵向风速下联络通道临界风速数值模拟结果
表2不同火源热释放速率下联络通道临界风速数值模拟结果
表3不同火源距联络通道距离下联络通道临界风速数值模拟结果
注:以事故隧道侧纵向风速为变量时,其它因素保持不变;其它工况类同。
依次以隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L中一个为影响因素变量,另两个影响因素为恒量模拟火灾,并测量出联络隧道临界风速,在数值模拟时临界风速vc通过逆流长度外推法确定:通过事故隧道顶板设置的温度测点获得顶板处温度分布情况以得到事故隧道内烟气的逆流长度,根据逆流长度外推可得逆流长度为0m时的联络通道送风风速,即联络通道临界风速,为减小模拟误差。在模拟时首先以0.1m/s的纵向风速间隔不断加大事故隧道侧送风风速,当烟气逆流长度接近0m时再以0.01m/s的风速间隔不断加大送风风速,直至逆流长度为0时,将此时的送风风速对应的联络通道的流速测点测得的风速确定为联络通道临界风速;
实体验证部分:
建立1:3缩尺的隧道几何模型,在缩尺几何模型中设置不同的火灾条件,包括用燃烧器作为火源,以FDS模拟时设置的初始火源热释放速率,初始事故隧道纵向风速V,事故隧道纵向风速初始值作为火灾条件,并在该火灾条件下逐渐降低事故隧道纵向风速的大小,并观察烟气逆流长度变为0m的时刻,测量该时刻的风速数值,为该工况的临界风速vc。所述缩尺几何模型内沿顶壁的纵长方向上均匀间隔安装多个温度传感器,测量临界风速vc的影响因素,所述缩尺几何模型的一处断面安装风速仪,测量临界风速vc;
实体验证中采用直接观测法来判定联络通道临界风速:
直接观测法:根据模拟时联络通道内烟气的蔓延情况,首先以0.1m/s的风速间隔不断加大事故隧道侧送风风速,当烟气逆流长度接近0m时再以0.01m/s的风速间隔不断加大风速,直至肉眼观察烟气恰好不侵入联络通道时,将此时的联络通道流速仪测量的风速确定为联络通道临界风速。
将实体验证和FDS数值模拟的结果绘于图13中,从图13中可以看出:实体验证和FDS数值模拟的整体变化规律基本一致,但实体验证的数据值较于数值模拟的数值要偏小一些。因为进行实体验证时,采用的是橡胶轮胎作为火源,由于每个轮胎中成分含量有细微差距,造成初始火源热释放速率值存在一些波动。对比发现,FDS数值模拟与实体验证的结果误差范围在5%左右。
根据表1至表3中联络通道临界风速结果,运用数据拟合方法,确定隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L单独作为变量时与联络通道临界风速的未知系数k2、k3、k4,再运用数据拟合方法,确定隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L一起作为变量时与联络通道临界风速的未知系数k1,得到无量纲影响因素对无量纲联络通道临界风速之间的关系函数曲线,具体研究结果如图3至图7所示,分析结果如下:
①隧道事故隧道侧纵向风速对联络通道临界风速的影响(图3)
由图4可知:当0≤V*≤0.135时(事故隧道侧纵向风速小于1m/s时),两种火源功率下的拟合线的事故隧道侧纵向风速变量的幂系数均为2/7次方增长曲线,R2数分别为0.9708和0.9743,事故隧道内事故隧道侧纵向风速越大,联络通道临界风速也随之增大;而当V*>0.135时(事故隧道侧纵向风速大于1m/s时),两种火源功率下的拟合线均为-3/20次方减小曲线,R2数分别为0.9997和0.9962,联络通道临界风速随纵向通风的增大而出现减小的趋势。
当事故隧道纵向通风较小时,纵向通风不足以有效地控制烟气向下游端流动,火源处烟气高度沉降较低导致联络通道处热压较大;而当事故隧道纵向通风较大时,则出现了相反的趋势。由于纵向通风较大,带走了大部分的温度及热辐射使得联络通道处热压随之变小。所以就总体变化情况而言,联络通道临界风速随着纵向通风速度的增大呈现先增大后减小的变化趋势。
②火源热释放速率对联络通道临界风速的影响(图4)
由图5可知,两种事故隧道侧纵向风速下的拟合线的火源热释放速率变量的幂系数均为3/8次方增长曲线,R2数分别为0.9938和0.9942,表示拟合获得的函数具有良好的可靠性。从上图可知,随着火源热释放速率的增加,联络通道临界风速也随之增加。
这是由于随着火源热释放速率的增加,火源附近区域温度值越高,与联络通道另一侧的非事故隧道的温差大,导致联络通道出现较大的热压,也就意味着临界风速的需求增大
③火源距联络通道距离对联络通道临界风速的影响(图5)
由图5可得:两种火源热释放速率下的拟合线的火源距联络通道距离变量的幂系数均-2/19次方减小曲线,R2数分别为0.9561和0.9630,这表明临界风速大致随火源距联络通道距离呈-2/19次方关系减小。由图3~5可知,联络通道与火源的距离越大,临界风速越小。这是由于随着火源距联络通道距离的增大,烟气侵入联络通道的动压不断减小,从而导致抑制烟气侵入的风速也会随之减小,也就意味着联络通道临界风速越小。
k2、k3、k4的值均根据上述研究可得,分别为2/7(或-3/20)、3/8、和-2/19。故式(5)可转化式为(6):
为了确定式(6)中系数k1、k1’的值,将所得的vc *、(V*)2/7(Q*)3/8(l*)-2/19及(V*)-3/20(Q*)3/8(l*)-2/19的计算值绘制于图6和图7。由图6和图7可知联络通道临界风速模拟结果在一条直线附近波动,k1和k1’分别为19.07、8.41,相关系数分别为0.9655以及0.9759,表明无量纲联络通道临界风速计算模型和数值模拟结果的一致性。将k1=19.07、k1’=8.41带入式(6)可得无量纲联络通道临界风速的计算模型为:
通过此计算方法,依据隧道实际工程参数,可方便快速的得到联络通道临界风速,可为无防火门式联络通道的消防设计提供参考。
采用上述步骤后,本具体实施方式有益效果为:本发明所述的一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法;无需判断火灾位置和列车停车位置,能够确保事故隧道断面风速大于2m/s,符合规范要求。同时能有效防止烟气侵入联络通道,联络通道处保持正压(非事故至事故视为正压),对火灾时隧道内司乘人员安全疏散起到有效保障作用,同时对火灾救援起到积极作用。
进一步地,事故隧道侧纵向风速V:Qe为隧道竖井有效风量,β为事故隧道停放列车后的阻塞比,S为事故隧道的截面积,
事故隧道侧隧道竖井有效风量的计算方法,包括以下步骤:
R1:确定竖井送风有效风量Qe的影响因素,建立所述竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的关系式:f(Q,Lh,β,Qs,ρ0,cp,T0,g,HD)=0,其中Lh为火源到竖井的距离;
R2:根据所述影响因素的单位确定基本量纲,将所述影响因素由所述基本量纲表示,建立竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的量纲关系式;
所述步骤R2中,所述基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T,基本量纲数η为4;
所述步骤R2中,所述临界风速vc与所述影响因素的关系式为:
f(ML2t-3,L,1,L3t-1,ML-3,L2t-2T-1,T,Lt-2,L)=0;
R3: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参数数为再根据π定理中循环量的选取原则,选取5个循环量,用这5个循环量与其它/>个物理参数中的其它所有参数依次组合成无量纲参数∏1、Π2、∏3、Π4、Π5,将所述步骤S2中的所述关系式转变为无量纲关系式,再获得所述竖井送风有效风量Qe的无量纲计算公式;
所述步骤R3中,所述影响因素的无量纲参数Π1、Π2、Π3、Π4、Π5为:
所述竖井送风有效风量Qe的无量纲计算公式为:
其中,Qe *表示无量纲竖井送风有效风量,Q*为无量纲火源功率、Lh*为无量纲火源距竖井距离、Qs*为无量纲竖井送风量;
R4:在隧道的火灾隧道模型中,制造火源,火源热释放速率为5~15MW,火源尺寸为长6m×宽2m,火灾增长速率0.04689kW/s2,区间上游竖井风机送风、下游竖井风机排烟,火灾模拟运行时间为900s,当燃烧进行至800s时,隧道内的风速等参数均达到稳定状态,选取800s~900s的模拟数据平均值进行研讨。
区间隧道列车阻塞比(列车与区间隧道截面积之比)约为50%,基于此工程,采用数值模拟方法,设计四组共40个工况,研究竖井送风有效风量与火灾热释放速率、火源距竖井距离、阻塞比及竖井送风风量之间的量化关系。具体工况如表4所示。
表4竖井送风有效风量研究工况表
Tab.1 Research condition of effective air volume of shaft air supply
在火灾隧道模型中依次以隧道阻塞比β、火源热释放速率Q、竖井送风量Qs、火源距竖井距离Lh中一个为影响因素变量,另三个影响因素为恒量模拟火灾,并测量出列车下游的有效风量Qe,运用数据拟合方法,确定火源热释放速率Q、火源距竖井距离Lh和隧道阻塞比β、竖井送风量Qs单独作为变量时与有效风量Qe的拟合关系及拟合系数,再运用数据拟合方法,确定火源热释放速率Q、火源距竖井距离Lh和隧道阻塞比β、竖井送风量Qs一起作为变量时与有效风量Qe的拟合关系和拟合系数,得到无量纲影响因素对无量纲竖井送风有效风量Qe之间的关系函数曲线。
具体的包括:
火源功率影响:
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8所示。由图8可知无量纲竖井送风有效风量Qe *基本不随无量纲火源功率Q*的增大而改变。随着火源功率的增大,抑制火灾烟气逆流所需的纵向临界风速逐渐增大,临界风速抑制了火灾烟气及火风压,无法对竖井送风风流分配产生较大影响。
火源距离影响:
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9所示。由图9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。
阻塞比影响:
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10所示。竖井单侧列车停靠时,无量纲竖井送风有效风量Qe *与阻塞比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Qe *与阻塞比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。
区间隧道列车阻塞作用影响竖井送风有效风量,随着阻塞比的增大,竖井送风有效风量逐渐减小。当竖井两侧列车阻塞时,因竖井两侧阻塞比相同,阻塞比对竖井送风有效风量的影响较小;当单侧列车停靠时,阻塞作用导致竖井送风风量向无列车阻塞区间分流更多,因此单侧列车停靠时竖井送风有效风量相较于两侧列车阻塞时,有效风量的减小比例更大。
竖井送风风量影响:
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11所示。由图11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。
竖井送风有效风量计算模型确定:
根据上述分析可得竖井送风有效风量Qe *与Expβ*、Qs *的函数关系,结合式(9)
式(10)可得:
为确定式(12)中系数k1、k2的值,将所得的Qe *、(Expβ)-1.08Qs *1.11、(Expβ)-0.22Qs *1.07的计算值绘制于图12。由图12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;k2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、k2=1.81带入式(12)可得无量纲竖井送风有效风量的计算模型为:
以上所述,仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种单洞双线隧道协同作用的烟气控制方法,所述单洞双线隧道包括列车停靠侧的事故隧道,和人员疏散侧的非事故隧道,连通事故隧道和非事故隧道的联络通道,其特征在于,在事故隧道内的列车着火后,事故隧道的A侧车站的风机向区间隧道内送风,事故隧道的B侧车站的风机对区间隧道进行排烟,人员通过中隔墙处的联络通道疏散至非事故隧道,非事故隧道两侧车站的风机同时向区间隧道内送风,使从联络通道向事故隧道流动的风速大于联络通道临界风速vc,所述A侧车站为事故隧道内列车未着火的一端,所述B侧车站为事故隧道内列车着火的一端;
;
其中Cp为空气定压比热、T0为空气温度、g为重力加速度、HD为隧道水力直径、V为事故隧道侧纵向风速、Q为火灾热释放率、L为火源距联络通道的距离,ρ0为空气密度,v* c为无量纲临界风速,V*为无量纲事故隧道侧纵向风速,Q*为无量纲火灾热释放率,L*为无量纲火源距联络通道的距离;
所述事故隧道侧纵向风速V:Qe为隧道竖井有效风量,β为事故隧道停放列车后的阻塞比,S为事故隧道的截面积,
联络通道临界风速vc的计算方法,包括以下步骤:
S1:确定隧道火灾场景下联络通道临界风速vc的影响因素,建立所述联络通道临界风速vc与所述影响因素的关系式:f(vc,V,Q,ρ0,CP,T0,g,HD,L)=0;
S2:根据所述影响因素的单位确定基本量纲,将所述影响因素由所述基本量纲表示,建立所述联络通道临界风速vc与所述影响因素的量纲关系式;
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,基本量纲数η为4;
所述步骤S2中,所述联络通道临界风速vc与所述影响因素的关系式为:f(Lt-1,Lt-1,ML2t-3,ML-3,L2t-2T-1,T,Lt-2,L,L)=0;
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参数数为n-η=5,再根据π定理中循环量的选取原则,选取5个循环量,用这5个循环量与其它n-η个物理参数中的其它所有参数依次组合成无量纲参数π1、Π2、Π3、∏4、∏5,将所述步骤S2中的所述关系式转变为无量纲关系式,再获得所述临界风速vc的无量纲计算公式;
所述步骤S3中,所述影响因素的无量纲参数Π1、Π2、Π3、Π4、Π5为:
所述联络通道临界风速vc的无量纲计算公式为:
k1、k2、k3、k4为未知系数;
S3.FDS数值模拟测量联络通道临界风速:建立1:3缩尺的单洞双线隧道几何模型,设置汽油燃烧为火源,火源位于地铁列车车厢内部的中心线上,为稳态火或t平方火,在缩尺几何模型内沿顶壁的纵长方向上均匀间隔设有多个温度测点,测量联络通道临界风速vc的影响因素,在缩尺几何模型的一处断面设置有多个流速测点,测量联络通道临界风速vc,设置不同的火源热释放速率Q、火源距联络通道距离、事故隧道纵向风速初始值,火灾增长速率0.04689kW/s2,并在该火灾条件下逐渐降低纵向风速的大小,在数值模拟时联络通道临界风速vc通过逆流长度外推法确定:通过事故隧道顶板设置的温度测点获得顶板处温度分布情况以得到事故隧道内烟气的逆流长度,根据逆流长度外推可得逆流长度为0m时的联络通道送风风速,即联络通道临界风速vc;
S4.实体验证:建立与步骤S3相同的1:3缩尺单洞双线隧道的火灾隧道模型中,制造火源,按步骤S3的相同参数设置不同的火源热释放速率Q、火源距联络通道距离、事故隧道纵向风速初始值,并在该火灾条件下逐渐降低纵向风速的大小,直至肉眼观察烟气恰好不侵入联络通道时,在此时测量出联络通道临界风速;
S6.将实体验证和FDS数值模拟的结果绘制散点图,若实体验证的联络通道临界风速的趋势曲线与FDS数值模拟的联络通道临界风速的趋势曲线接近,则以FDS数值模拟的联络通道临界风速作为待拟合临界风速数据;
S7.运用数据拟合方法拟合待拟合临界风速数据,确定隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L单独作为变量时与联络通道临界风速的未知系数k2、k3、k4,再运用数据拟合方法,确定隧道事故隧道侧纵向风速V、火源热释放速率Q和火源距联络通道距离L一起作为变量时与联络通道临界风速的未知系数k1,得到无量纲影响因素对无量纲联络通道临界风速之间的关系函数曲线。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,事故隧道侧隧道竖井有效风量的计算方法,包括以下步骤:
R1:确定竖井送风有效风量Qe的影响因素,建立所述竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的关系式:f(Q,Lh,β,Qs,ρ0,cp,T0,g,HD)=0,其中Lh为火源到竖井的距离;
R2:根据所述影响因素的单位确定基本量纲,将所述影响因素由所述基本量纲表示,建立竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的量纲关系式;
所述步骤R2中,所述基本量纲包括质量M、时间t、长度L、温度T,基本量纲数η为4;
所述步骤R2中,所述竖井送风有效风量Qe与所述影响因素的关系式为:
f(ML2t-3,L,1,L3t-1,ML-3,L2t-2T-1,T,Lt-2,L)=0;
R3: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参数数为n-η=5,再根据π定理中循环量的选取原则,选取5个循环量,用这5个循环量与其它n-η个物理参数中的其它所有参数依次组合成无量纲参数∏1、∏2、∏3、∏4、Π5,将所述步骤R2中的所述关系式转变为无量纲关系式,再获得所述竖井送风有效风量Qe的无量纲计算公式;
所述步骤R3中,所述影响因素的无量纲参数Π1、Π2、Π3、Π4、Π5为:
π3=β,
所述竖井送风有效风量Qe的无量纲计算公式为:
β*=β,
其中,Qe *表示无量纲竖井送风有效风量,Q*为无量纲火源功率、Lh*为无量纲火源距竖井距离、Qs*为无量纲竖井送风量,Qs为竖井送风量;
R4:在隧道的火灾隧道模型中,制造火源,火源热释放速率为5~15MW,火源尺寸为长6m×宽2m,火灾增长速率0.04689kW/s2,区间上游竖井风机送风、下游竖井风机排烟,在火灾隧道模型中依次以隧道阻塞比β、火源热释放速率Q、竖井送风量Qs、火源距竖井距离Lh中一个为影响因素变量,另三个影响因素为恒量模拟火灾,并测量出列车下游的有效风量Qe,运用数据拟合方法,确定火源热释放速率Q、火源距竖井距离Lh和隧道阻塞比β、竖井送风量Qs单独作为变量时与有效风量Qe的拟合关系及拟合系数,再运用数据拟合方法,确定火源热释放速率Q、火源距竖井距离Lh和隧道阻塞比β、竖井送风量Qs一起作为变量时与有效风量Qe的拟合关系和拟合系数,得到无量纲影响因素对无量纲竖井送风有效风量Qe*之间的关系函数曲线;
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PB01 | Publication | ||
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