王彥富, 閆培娜, 孫小斐, 劉　洋

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島　266580)

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頂部豎井隧道自然通風排煙實驗的設計與實踐

王彥富, 閆培娜, 孫小斐, 劉洋

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島266580)

以某頂部豎井自然通風隧道為原型,自主研發(fā)了1∶10縮比例隧道模型實驗平臺,開展多豎井隧道自然通風排煙實驗,觀察不同頂部豎井設計工況的排煙效果,并測量煙氣逆流距離、縱向溫度分布、頂棚附近煙氣最高溫度、煙氣縱向擴散速率和煙氣的沉降速率,為頂部豎井的優(yōu)化分析提供數(shù)據(jù)支持。教學實踐表明,采用正交試驗法設計實驗工況,既減少了實驗工作量,又保證了實驗結(jié)果的有效性,同時幫助學生深刻理解頂部豎井自然通風排煙的基本原理,培養(yǎng)了學生的團隊合作和探索創(chuàng)新的能力。

多豎井隧道； 自然通風排煙； 正交試驗法

隨著我國隧道數(shù)量的增加,發(fā)生隧道火災的潛在危險性也越來越大。隧道火災具有煙氣蔓延迅速、救援難度大、人員逃生困難等特點,使其具有嚴重的事故后果[1-3]。新型多豎井隧道采用頂部豎井自然通風方式,相比于傳統(tǒng)的機械通風,降低工程總投資30%左右,在緩解我國交通壓力方面起到重要作用,因此具有十分廣闊的應用前景[4-5]。

研究豎井對隧道火災自然排煙影響的文獻中,大多通過改變豎井尺寸的單一參數(shù),尚缺少考慮豎井尺寸多參數(shù)同時變化對自然通風排煙影響的研究[6]。本文開展豎井尺寸多參數(shù)同時變化時隧道通風排煙實驗,以研究豎井高度、寬度、間距和個數(shù)對排煙的影響。由于全尺寸實驗周期長、規(guī)模大、費用高等缺點,而正交試驗具有均勻分散和整齊可比的優(yōu)點,且所得實驗結(jié)果與全面實驗相比相差不大。本文運用正交試驗方法設計頂部豎井隧道自然通風排煙的教學實驗,使學生掌握多豎井自然通風排煙的基本原理。

本文設計的教學實驗,把100個學生分成10組,按照設計好的實驗方案開展隧道通風排煙實驗,收集并記錄實驗數(shù)據(jù),自主設計數(shù)據(jù)處理與分析方案。實驗結(jié)束后,以小組為單位提交實驗分析報告。培養(yǎng)學生的團隊合作和探索創(chuàng)新的能力。

1　實驗原理

1.1煙氣逆流

火災發(fā)生時,熱煙氣在熱浮力的作用下向上運動,冷空氣從隧道下方向火源點補充,火源兩側(cè)形成對稱的循環(huán)流動。如果隧道內(nèi)有縱向風,且縱向風速較小,不足以克服熱浮力驅(qū)動下的熱煙氣運動時,將產(chǎn)生煙氣回流現(xiàn)象,如圖1所示。

圖1　煙氣回流現(xiàn)象示意圖

由于縱向風速與逆流煙氣的運動方向相反,因此縱向風流與熱煙氣發(fā)生反向剪切作用,此時,縱向風流阻礙煙氣的蔓延。煙氣蔓延的水平慣性力是由煙氣與環(huán)境溫度之間的溫差所引起的。隨著煙氣蔓延距離的延長,煙氣與隧道壁面和環(huán)境之間不斷進行熱交換,導致煙氣與環(huán)境之間的溫差逐漸降低,因此煙氣擴散速率也不斷降低。當煙氣的水平慣性力與縱向風阻力相當時,煙氣逆流前鋒將停滯不前,煙氣逆流前鋒與環(huán)境之間的靜壓差與縱向自然風的動壓相等,此時煙氣的擴散距離稱為“煙氣逆流距離”[7]。在火源下游,縱向風與煙氣蔓延方向相同,則縱向風與煙氣表現(xiàn)為同向剪切作用,因此,煙氣蔓延速率往往大于火源上游。

1.2煙氣層吸穿原理

頂部豎井隧道是利用熱壓進行自然通風的。進入豎井的高溫煙氣與隧道內(nèi)的冷空氣存在溫度差,溫度差導致密度壓,這種密度壓使煙氣在隧道內(nèi)受浮力作用向上運動,溫差越大,煙囪效應越明顯[8]。煙氣通過豎井排出的過程主要受到自身的水平慣性力與煙囪效應引起的豎向慣性力作用,在豎井下方由于豎向慣性力的作用會使大量空氣卷吸進入煙氣層。此時,豎井下方出現(xiàn)凹陷區(qū)。卷吸進入煙氣層的空氣一部分通過豎井排出,另一部分隨煙氣在隧道內(nèi)繼續(xù)縱向流動。當煙囪效應增大到一定程度時,凹陷區(qū)域的最高點進入豎井內(nèi),豎井下方煙氣層的厚度為0,即發(fā)生煙氣層吸穿現(xiàn)象[9-11](如圖2所示)。進入豎井內(nèi)的煙氣一部分經(jīng)豎井排出,一部分隨熱煙氣繼續(xù)縱向蔓延。

圖2　煙氣層吸穿示意圖

2　實驗裝置

2.1模型介紹

以南京市某豎井隧道為原型,綜合考慮相似性和可操作性等各因素的影響,通過多次模擬和反復論證,確定相似比為1∶10的隧道模型[12-13]。隧道通風和排煙實驗裝置安裝結(jié)構如圖3所示。

圖3　隧道通風和排煙實驗裝置安裝結(jié)構示意圖

該單元主要由8個基本結(jié)構構成:

(1) 豎井間隔板,該結(jié)構用以輔助控制豎井的高度和寬度；

(2) 第二層豎井,基于第一層豎井,變化不同的高度；

(3) 豎井組間距結(jié)構體,用于控制豎井組之間的距離；

(4) 穩(wěn)定結(jié)構裝置體,用于保證模型整體的穩(wěn)定性；

(5) 側(cè)面立板；

(6) 底板結(jié)構體；

(7) 頂板結(jié)構體,用于控制豎井的寬度；

(8) 第一層豎井(高度為265 mm)。

為了便于清楚地觀察實驗現(xiàn)象,隧道模型側(cè)壁采用透明度較好的聚碳酸酯材料,隧道頂板則采用耐熱的普通鐵皮制成,模型底板和豎井均采用材質(zhì)較輕的鍍鋅鐵皮制成。隧道模型實驗平臺由5組單元通過螺栓連接組成。單個豎井的尺寸為0.3 m×0.26 m×0.465 m,相鄰豎井間距為0.02 m。每組模型主體均安裝4個直徑為50 mm的鋼制萬向輪,便于模型的組裝和移動。隧道模型實物如圖4所示。

圖4　隧道模型實物圖

為了研究頂部豎井參數(shù)變化對自然排煙效果的影響,設計不同豎井工況的實驗方案,其中各個豎井參數(shù)變化如表1所示。

表1　頂部豎井參數(shù)變化值

2.2實驗設備

用KANE950煙氣分析儀和SUMMIT708煙氣分析儀/燃燒效率分析儀測量煙氣濃度；火源附近煙氣溫度較高,采用耐高溫K型熱電偶進行測量,并用HIOKI8860-50存儲記錄儀對數(shù)據(jù)進行記錄和存儲；近火源的煙氣溫度由USB7410采集模塊和16個T型熱電偶進行采集和記錄；遠火源位置處的煙氣溫度采用YM232TM-1溫度采集模塊及其測量系統(tǒng)進行采集和記錄；同時,采用數(shù)碼攝像機對實驗過程進行實時視頻記錄；在模型內(nèi)部特定位置安裝感煙報警器,當煙氣擴散至該位置并達到一定濃度時,感煙探測器發(fā)出感應信號,結(jié)合秒表記錄煙氣擴散數(shù)據(jù)；環(huán)境風速與溫度采用Kestrel 4100便攜式微電腦多用途風速儀進行測量。

3　實驗設計

3.1實驗方案總體設計

通過借鑒相關實驗教學的經(jīng)驗[14-17],設計頂部豎井隧道通風、排煙模型實驗,觀察在頂部豎井寬度、豎井高度、豎井數(shù)量、單個豎井間距、豎井組間距等參數(shù)變化工況下的排煙效果,測量不同工況下的縱向溫度分布、頂棚附近煙氣最高溫度、煙氣的擴散速率、沉降速率,為頂部豎井的優(yōu)化分析提供數(shù)據(jù)支持。

若在其他實驗條件固定不變的情況下考慮單一因素對整體效果的影響開展實驗,則實驗工況眾多,工作量較大。為了保證實驗結(jié)果的有效性并減少開展實驗的工作量,采用正交試驗法設計實驗工況,且不考慮因素之間的交互作用。正交試驗法是針對多因素、多水平,并根據(jù)正交性從全面實驗中挑選出部分具有代表性的工況進行實驗的設計方法。正交試驗具有均勻分散和整齊可比的特點,且所得結(jié)果與全面實驗所得結(jié)果相比相差不大[18]。實驗中豎井長度保持300 mm,單個豎井間距保持20 mm不變,選擇豎井寬度、高度、豎井組間距以及每組豎井個數(shù)作為可控因素。

本實驗的可控因素及水平如表2所示,實驗工況設計如表3所示。

表2　可控因子及水平表

表3　正交試驗法實驗工況

3.2實驗步驟設計

該實驗測量系統(tǒng)布置如圖5所示,豎井布置以每組豎井為單位,以火源為中心沿縱向?qū)ΨQ布置。通過改變每組豎井的寬度、高度、數(shù)量和組間距,觀察隧道的排煙效果及煙氣層吸穿現(xiàn)象,記錄各觀察點煙氣層的沉降時間和蔓延時間,測量不同工況下煙氣縱向溫度分布和頂棚附近煙氣最高溫度。

圖5　實驗布置示意圖(單位:mm)

實驗操作步驟如下:

(1) 用螺栓將隧道模型單元依次固定連接,將柴油油盤放置在隧道模型中央,按圖5所示布置煙氣溫度測點。

(2) 在上游和下游分別安排一名實驗人員跟隨煙氣到達指定位置,當煙氣擴散至各熱電偶束的最高溫度測點時,由實驗人員記錄煙氣層到達該位置的時間。同時分別在上游S2—S6、下游X2—X6熱電偶束一側(cè)安裝感煙探測器。當煙氣擴散到每個熱電偶束,并且達到一定濃度時,感煙探測器發(fā)出感應信號,傳到報警主機,報警主機顯示報警位置和報警時間。

(3) 實驗前在模型側(cè)壁用記號筆畫好刻度,同時貼好熒光膠條,作為輔助判斷。在上游的S1—S4支架和下游的X1—X4支架分別安排實驗觀察人員,當煙氣層沉降到穩(wěn)定位置處,記錄沉降時間。

(4) 采用風速儀測量環(huán)境風速與溫度,同時開啟攝像機記錄煙氣擴散、蔓延現(xiàn)象。

(5) 實驗人員就位,點火后實驗人員開始觀察記錄,注意觀察是否發(fā)生了煙氣層吸穿現(xiàn)象。

(6) 改變實驗工況,觀察隧道排煙效果,分別記錄煙氣蔓延和沉降時間。

(7) 實驗完畢,清理實驗現(xiàn)場并將實驗設備存放。

(8) 分別繪制煙氣逆流距離、煙氣蔓延速率、煙氣沉降速率曲線圖,找出容易發(fā)生煙氣層吸穿的工況。

實驗過程中實驗人員應統(tǒng)一指揮、互相配合，煙氣沉降和煙氣擴散應以穩(wěn)定煙氣層為觀察對象。

4　實驗結(jié)果與分析

由于篇幅有限,僅給出豎井寬度對自然排煙的影響分析。通過對實驗過程的觀測和對實驗數(shù)據(jù)的分析可以得到:

(1) 頂棚附近無量綱溫升變化規(guī)律。圖6和圖7為當豎井寬度變化時,上下游頂棚附近無量綱溫升分布規(guī)律圖。從圖6可以看出,隨著豎井寬度的增加,頂棚附近的溫度呈下降趨勢。從圖7可以看出,在近火源區(qū),頂棚附近的溫度隨排煙口寬度的增加變化不大,而在遠火源區(qū),隨著豎井寬度的增加,頂棚附近的溫度基本呈下降趨勢,但相鄰兩個工況的下降幅度與上游相比較小。

圖6　上游頂棚附近無量綱溫升分布規(guī)律

圖7　下游頂棚附近無量綱溫升分布規(guī)律

(2) 煙氣擴散變化規(guī)律。圖8和圖9為當豎井寬度變化時,上下游煙氣的擴散規(guī)律圖。從圖8可以看出,在上游,當豎井的寬度為260 mm時,煙氣的擴散速率最低,且擴散至離火源3.3 m時,所用時間為300 s,且煙氣基本不再向前蔓延；當豎井寬度為360 mm時,煙氣的擴散速率最快。從圖9可以看出,在下游,當排煙口寬度為60 mm或260 mm時,煙氣的擴散速率較慢。

圖8　上游擴散情況

圖9　下游擴散情況

(3) 煙氣層沉降變化規(guī)律。圖10和圖11為當豎井寬度變化時,上下游煙氣層的沉降變化圖。從圖10可以看出,在離地面435 mm高度以上,當豎井間距為160 mm和260 mm時,煙氣層的沉降速率較慢,而后豎井寬度為260 mm的工況煙氣沉降速率有所加快。從圖11可以看出,在435 mm高度以上,隨著豎井寬度的增加,煙氣的沉降速率逐漸減小。當沉降高度低于435 mm時,豎井寬度為60 mm的工況,沉降速率下降較大。

圖10　上游煙氣層沉降情況

圖11　下游煙氣層沉降情況

綜合考慮,豎井的設計寬度應為60～260 mm,對應原型的尺寸為0.6～2.6 m。

5　結(jié)語

以科研成果反哺教學是科學研究的一項本質(zhì)工作。根據(jù)完成的山東省自然基金項目和國家自然基金項目,將“基于正交試驗法的豎井隧道通風排煙優(yōu)化技術”引入到我校安全科學與工程本科專業(yè)的實踐教學體系,以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力為目標,不斷拓寬實踐教學內(nèi)容,構建研究型實驗教學模式,促進科研成果向教學成果的二次轉(zhuǎn)化。

本文首次運用正交試驗的方法研究多個豎井參數(shù)同時變化對火災規(guī)律的動態(tài)影響,確定最佳豎井方案組合和最優(yōu)結(jié)構形式,指導該新型隧道的豎井設計。與以往研究豎井單一參數(shù)對自然排煙影響的實驗相比,基于正交試驗方法的多豎井隧道火災模型實驗設計,可以同時考慮頂部豎井高度、寬度、組間距、個數(shù)對隧道內(nèi)煙氣流動的影響,有效降低了實驗的重復次數(shù),大大減少了工作量,從而節(jié)約了大量的人力、時間和經(jīng)費。本系列教學實驗的開展,學生以小組團隊參與其中,自主動手實踐探究獲取知識,幫助學生深刻理解多豎井自然通風排煙的基本原理。實驗結(jié)束后,以小組為單位自主設計數(shù)據(jù)處理與分析方案,并提交實驗分析報告,培養(yǎng)學生的探索創(chuàng)新能力。

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Design and practice on experiment of tunnel natural ventilation and smoke evacuation in vertical shafts

Wang Yanfu, Yan Peina, Sun Xiaofei, Liu Yang

(Electrical Engineering School, China University of Petroleum，Qingdao，266580, China)

Taking a real tunnel adopting natural ventilation in a vertical shaft as aprototype,an experimental platform for a 1:10 reduced-scale tunnel model is independently developed.The experiments of natural ventilation and smoke evacuation of the tunnel with vertical shafts are carried out, the efficiency of evacuation smoke in the vertical shafts is observed, and the back-layer distance, the longitudinal temperature, the maximum smoke temperature, the longitudinal propagation velocity and the sedimentation velocity are measured so as to provide experimental data for the optimization analysis of vertical shafts. The teaching practice proves that using the orthogonal experimental method to design the experiment can not only reduce the amount of experimental work,but also ensure the validity of experiments. At the same time, it can help the students to well understand the basic principle of natural ventilation and cultivate their cooperative ability for team work and their innovation ability during the experiment.

tunnel with vertical shaft；natural ventilation and smoke evacuation；model experiment；orthogonal experimental method

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.044

2016-04-13修改日期：2016-05-26

國家自然基金項目(51409260)；山東省自然基金面上項目(ZR2012EEM023)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(14CX05035A)

王彥富(1981—),女,山東威海,博士,副教授,研究方向為隧道火災、海洋平臺火災.E-mail：wangyanfu@upc.edu.cn

G643.423

A

1002-4956(2016)10-0176-05