霍巖，趙建賀

(1.哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱150001;2.中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094)

隨著現(xiàn)代交通業(yè)的迅猛發(fā)展，各種穿山隧道、過海隧道等通道式建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，其中不乏坡形隧道和地鐵出入口等具有一定傾斜角度的通道，這些傾斜通道一旦發(fā)生火災時會呈現(xiàn)出與常規(guī)空間不同的復雜煙氣蔓延流動情況，因此對其內(nèi)部的火災探測器布置等提出了更高的要求。對于水平通道內(nèi)上壁面附近煙氣蔓延情況已經(jīng)有一定的研究成果，例如Delichatsios［1］曾得到2個平行豎直梁間的煙氣溫度衰減經(jīng)驗公式;Evers［2］和胡隆華［3］等通過理論推導及實驗分析認為溫度沿通道頂棚呈冪指數(shù)衰減;Li等［4］研究了通道上壁面下最高熱煙氣溫度。對于傾斜通道內(nèi)災所產(chǎn)生的煙氣蔓延情況，Chow［5］及 lip［6］都通過實驗觀察到了熱煙氣會隨著通道傾斜角度不同而發(fā)生偏移，霍巖和周榕等［7-8］對傾斜通道由兩端開口流進流出時的中性面高度進行了研究，Hu等［9］通過模型實驗擬合了傾斜通道上壁面附近最高溫度計算公式。然而，對于實際工程應用中的某些長度有限并且傾斜角度較小的通道，雖然其內(nèi)的熱煙氣流動與水平通道不完全一致，但也不完全具備大傾角長通道內(nèi)相關流動特性，因此對于此類傾斜通道內(nèi)火災時近上壁面溫度變化規(guī)律始終無可工程應用的簡單公式。本文采用實驗和理論推導相結合的方式，對一有限長度傾斜通道內(nèi)由液體燃料產(chǎn)生的熱煙氣依靠自然對流的作用在通道近上壁面附近的運動情況和溫度分布規(guī)律進行了研究，得到相對簡單的溫度變化公式，所得結果對于傾斜通道內(nèi)上壁面火災探測器的布置以及排煙設計等均具有一定的指導意義。

1 通道內(nèi)火災實驗概述

傾斜矩形通道實驗裝置如圖1所示，通道尺寸為:120 cm(長)×16 cm(寬)×20 cm(高)，通道兩側(cè)為自然開口。除正面安裝0.5 cm厚的玻璃可對實驗現(xiàn)象進行觀察和記錄外，整個通道由0.5 cm厚的膠合板組成，通道上壁面采用厚0.2 cm的鐵皮進行熱防護。在通道底部中心放置一直徑為φ的圓形燃料池。實驗用火源的燃料分別為甲醇、乙醇和丙醇。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

實驗中的測溫熱電偶布置于通道上壁面以下2 cm的中心截面上，采用直徑為0.5 mm的K型熱電偶裸絲測量溫度。實驗通道整體圖和熱電偶測點具體布置如圖2所示。

圖2 傾斜通道實驗示意圖Fig.2 Schematic of fire in inclined channel

按圖2中所示的旋轉(zhuǎn)方向，本文分別進行了通道傾斜角度 θ為 0°、3°、6°和 9°時，通道內(nèi)由液體燃料火源造成的近上壁面溫度分布情況實驗。實驗所使用的燃料池邊沿均高1.0 cm，燃料池直徑φ分別為2.6 cm和6.0 cm，燃料質(zhì)量分別對應3 g和6 g，均可以鋪滿燃料池底部并可以使熱流場維持一定的穩(wěn)定時間。實驗過程中環(huán)境溫度保持為22℃。實驗室的門窗和機械通風等被關閉，以防止對實驗結果造成影響。

2 實驗結果與分析

圖3為φ=2.6 cm并且使用丙醇燃料時，不同通道傾斜角度時通道近上壁面典型位置溫度變化。由圖3可以看出通道上壁面附近的最高溫度隨著傾斜角度增大而降低;而且熱煙氣在浮力作用下使通道內(nèi)的高溫區(qū)域隨傾斜角度的增大而向高端開口方向偏移，同時最高溫區(qū)域由近燃料池正上方的T6測點所在區(qū)域向臨近的T7測點所在區(qū)域偏移;火源熄滅后通道內(nèi)的溫度迅速下降，這是由于通道的長度有限，一旦失去熱源，通道內(nèi)的熱量迅速散失。

圖3 通道近上壁面溫度變化(φ=2.6 cm，燃料丙醇)Fig.3 Temperature variation of near ceiling(φ =2.6 cm，propanol as fuel)

如圖4所示，若將通道內(nèi)由火源產(chǎn)生的熱煙氣前鋒在通道上壁面附近的運動簡化為一維運動，則有引射的浮力驅(qū)動煙氣流動穩(wěn)態(tài)方程［10］可以表達為如下形式:

連續(xù)性方程:

式中:ρ為空氣密度值，ρ0為環(huán)境空氣密度，h為煙流的厚度，we為水平卷吸系數(shù)。

動量方程:

能量方程:

式中:T為熱煙氣溫度，Tw為壁面溫度，T0為環(huán)境溫度，α為換熱系數(shù)。

圖4 簡化通道內(nèi)流場模型微元分析示意圖Fig.4 Schematic of simplified micro-element analysis model for fire in channel

水平卷吸系數(shù)可以簡化表達為we=βu，其中β取值為0.000 15、摩擦系數(shù)取值范圍cf=0.005 5－0.007 3［6］，其取決于壁面的粗糙度。動量方程中的小量－ρ0weu0項可以略掉，則方程可簡化為

連續(xù)性方程

動量方程

能量方程:

將式(5)代入式(7)，得到

對式(8)積分并代入邊界條件x=xr，T=Tr，得

所以沿通道頂棚溫度衰減化為

式中:K稱作溫度衰減系數(shù)。

由式(10)可以看出，在通道上壁面附近的射流溫度沿著通道呈指數(shù)衰減。

若將K視作為系數(shù)，對方程進行無量綱化，設火源頂部距火源最近熱電偶測點溫度為參考溫度Tr，距離參考點距離x的溫度值為T，則定義無量綱溫度為T*=(T－T0)/(Tr－T0)。設離開參考點的距離為(x－xr)，最遠距離為 (xmax－xr)，定義無量綱距離為x*=(x－xr)/(xmax－xr)。則

式中:A為修正系數(shù)，表示由于通道尺度等邊界條件帶來的影響，根據(jù)通道不同A取值不同。對于本文的實驗結果，經(jīng)過初步擬合后發(fā)現(xiàn)A值均在0.9～1.1，所以對本文的通道條件，取平均值A=0.96。則對不同的傾斜角度通道內(nèi)溫度擬合結果如圖5～7所示。由圖可以看出，隨著通道傾斜角度的增大，通道下游上壁面附近的熱煙氣溫度衰減明顯變慢，而通道上游上壁面附近的熱煙氣溫度衰減則逐漸加快。無量綱溫度衰減擬合曲線也清楚的說明了以上現(xiàn)象，即隨著通道傾斜角度增大，對于通道上游，衰減系數(shù)K逐漸變大，而對于通道下游，衰減系數(shù)K逐漸變小。

圖5 實驗結果擬合(φ =2.6 cm，燃料甲醇)Fig.5 Fitting curves of experimental results(φ =2.6 cm，methanol as fuel)

圖6 實驗結果擬合(φ=2.6 cm，燃料乙醇)Fig.6 Fitting curves of experimental results(φ =2.6 cm，ethanol as fuel)

圖7 實驗結果擬合(φ=6 cm，燃料甲醇)Fig.7 Fitting curves of experimental results(φ =6 cm，methanol as fuel)

溫度衰減系數(shù)隨著通道傾角的變化如圖8所示。由圖中可以看出，燃燒池直徑增大后，溫度衰減系數(shù)降低，說明火源增大后，上壁面的溫度衰減程度減弱。而且，對于同一種火源來說，隨著傾角增大，溫度衰減系數(shù)呈近似線性變化，將對溫度衰減系數(shù)在不同傾斜角度條件下再次進行結果擬合，分別得到了通道上游、下游溫度衰減系數(shù)的變化規(guī)律。對于通道上游:

式中:θ為通道傾斜角度，(°)。對于通道下游:

由擬合的結果可以看出，隨通道傾角的變大，通道上游的溫度衰減系數(shù)以0.068的斜率逐漸增大，通道下游的溫度衰減系數(shù)以0.088的斜率逐漸減小，即在通道下游的溫度衰減程度要大于上游的增加程度。

圖8 溫度衰減系數(shù)隨角度變化規(guī)律Fig.8 Variation of temperature decay coefficient versus inclination angle

圖9～11為實驗結果與通過式(12)～(14)的計算結果比較，由圖中可以看出，使用擬合的公式可以較準確地預測出通道內(nèi)近上壁面附近溫度的變化，這說明使用基于水平通道的溫度變化公式，僅改變其溫度衰減系數(shù)的方式可以用來近似估計具有一定傾斜角度時的通道近上壁面溫度變化。

然而，本文對于溫度衰減系數(shù)的擬合結果是在通道的傾角在0°≤θ≤9°這一范圍內(nèi)得到的，并且僅考慮液體燃料產(chǎn)生的熱煙氣在自然對流的作用下運動過程，加上研究的通道長度有限，在通道內(nèi)所涉及的區(qū)域均距離火源相對較近，因此有其有效的范圍，在今后的工作中將逐步對其進行完善。

圖9 實驗結果與計算結果比較(φ=2.6 cm，燃料甲醇)Fig.9 Comparison of experimental and calculated results(φ =2.6 cm，methanol as fuel)

圖10 實驗結果與計算結果比較(φ=2.6 cm，燃料乙醇)Fig.10 Comparison of experimental and calculated results(φ =2.6 cm，ethanol as fuel)

圖11 實驗結果與計算結果比較(φ=6 cm，燃料甲醇)Fig.11 Comparison of experimental and calculated results(φ =6 cm，methanol as fuel)

3 結束語

本文分別在通道傾斜角度為0°、3°、6°和9°時條件下測量了通道上壁面下2 cm的煙氣溫度。通過對實驗結果的分析，確定了有限長度通道傾斜一定的角度范圍內(nèi)可以利用水平通道溫度變化公式，只調(diào)整溫度衰減系數(shù)K的方式來獲得其溫度變化規(guī)律，并擬合了K隨通道傾角變化公式。

［1］DELICHATSIOS M A.The flow of fire gases under a beamed ceiling［J］.Combustion and Flame，1981，43:1-10.

［2］EVERS E，WATERHOUSE A.A complete model for analyzing smoke movement in buildings［R］.Building Research Establishment，BRE CP 69/78，1981.

［3］胡隆華.隧道火災煙氣蔓延的熱物理特性研究［D］.合肥:中國科學技術大學，2006:121-134.HU Longhua.Stuidies on thermal physics of smoke movement in tunnel fires［D］.Hefei:University of Sicence and Technology of China，2006:121-134.

［4］LI Y Z，LEI B，INGASON H.The maximum temperature of buoyancy-driven smoke flow beneath the ceiling in tunnel fires［J］.Fire Safety Journal，2011，46(4):204-210.

［5］CHOW W K，WONG K Y，CHUNG W Y.Longitudinal ventilation for smoke control in a tilted tunnel by scale modeling［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2010，25(2):122-128.

［6］ANNY K，LIP Y，LUO M C.Smoke control in pedestrian subway［C］//Proceedings of the Hubei-Hong Kong Joint Symposium 2005.Wuhan，China，2005:70-79.

［7］霍巖，郜冶，武紅梅，等.通道傾斜角度對開口中性面位置影響研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2011，32(7):906-910.HUO Yan，GAO Ye，WU Hongmei，et al.Research on the impact of an inclined angle on the positions of neutral planes at two open ends of a channel［J］.Journal of Harbin Engineering University，2011，32(7):906-910.

［8］周榕，霍巖.頂部側(cè)開縫的傾斜通道熱流場及開口中性面研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2013，34(2):137-144.ZHOU Rong，HUO Yan.Researches on the thermal flow field and the neutral planes at two open ends of inclined channel with corner gap at upper wall［J］.Journal of Harbin Engineering University，2013，34(2):137-144.

［9］HU L H，CHEN L F，WU L，LI Y F，et al.An experimental investigation and correlation on buoyant gas temperature below ceiling in a slopping tunnel fi re［J］.Applied Thermal Engineering，2013，51(1/2):246-254.

［10］KUNSCH J P.Critical velocity and range of a fire-gas plume in a ventilated tunnel［J］.Atmospheric Environment，1998，33(1):13-24.