纵向通风条件下隧道坡度对火灾烟气流动影响的实验研究

夏正文,刘晓阳,张丽莉

(1.安徽省黄山市公安消防支队,安徽黄山,245011;2.北京工业大学,北京,100124)

纵向通风条件下隧道坡度对火灾烟气流动影响的实验研究

夏正文1,刘晓阳2,张丽莉2

(1.安徽省黄山市公安消防支队,安徽黄山,245011;2.北京工业大学,北京,100124)

纵向通风是隧道烟气控制的常用手段之一,若风速足够大,烟气会保证向一个方向蔓延,达到纵向排烟的目的,但同时过大的风速可能会破坏烟气层结构,造成烟气层紊乱,危害到地面附近疏散的人群。因此隧道排烟的策略应是在保证烟气层维持一定时间分层的前提下合理排烟。在实际中,很多隧道都是存在坡度的,这就可能产生烟囱效应,导致倾斜隧道内烟气的扩散速度会与水平隧道不同,进而影响到纵向通风排烟策略。本文采用比例模型的实验方法,对不同坡度及纵向通风风速条件下隧道内火灾烟气流动规律进行了研究。结果表明,隧道坡度越大冷空气卷吸越强烈,烟气降温越快,烟气沉降速度也越快。同时初步得到了本实验条件下的烟气分层化临界风速,并与理论分析结果吻合得较好,为研究烟气的运动情况和人员疏散方案提供重要参考依据。

隧道火灾;纵向通风;坡度;烟气运动;烟囱效应

0 引言

随着我国交通业的快速发展,交通隧道的建设也越来越快。据统计,2000年整个欧洲地区交通隧道网络总长超过10000km;我国在第二次全国公路普查中,县级以上公路隧道建设总长将近550km。然而随着隧道的快速发展,隧道中突显出的火灾问题也不容忽视。大量的火灾实例也表明,最危险的因素并不是火源点及其燃烧产生的高温,而是火灾本身燃烧产生的烟气。据英国、日本的火灾统计资料显示,在火灾发生导致死亡的人数中,因烟气死亡所占的比例高达78.9%[1-3]。同时,烟气也降低了隧道内的能见度,给消防人员对火灾扑救制造了很大困难。

长期以来,实验研究一直是隧道火灾领域中的重要研究手段之一。针对火灾时期的隧道通风状态及烟流控制等问题,国外做了大量的隧道火灾实验研究。如奥地利于1974-1975年间在废弃的隧道内进行的火灾实验,发现了不同通风方式对油料燃烧速度以及烟气流向和温度有较大影响;德国于1985年在盖尔森基兴到稗斯麦市的地铁隧道内进行了火灾实验,得出在不同通风方式和火灾载荷条件下,温度与火灾持续时间的关系;80年代至90年代,以德国为主的西欧八个国家共同出资进行交通隧道防火问题的专门研究,在隧道中对地铁车辆、铁路客车进行了燃烧实验,探讨隧道发生火灾的原因、火灾燃烧过程及救援防治措施;1990-1993年间的西欧九国联合实验分别在德国、芬兰和挪威的隧道中进行,测试了整个隧道内温度、热传导、烟气流量、烟气浓度及其对能见度的影响。这些实验为火灾模式下的公路隧道通风系统的设计和运行提供了重要的数据和有价值的参考[4-8]。与国外相比,国内不仅开展的研究项目较少,而且也不成系统,急待研究解决。但近年来,国内也越来越关注如何保障隧道的安全运营,并已对隧道的防火救灾体系进行了几次火灾实验研究,公路(地铁)隧道方面,开展的隧道火灾研究项目主要有:2001-2004年,西南交通大学针对目前国内最长的公路隧道-秦岭终南山特长公路隧道开展的系统的防灾救援技术研究(《秦岭终南山特长公路隧道防灾救援技术研究》)。该项目通过大比例火灾模型实验,对长大公路隧道内火灾规律、竖井模型下的火灾通风技术、紧急逃生策略等进行了深入的研究。另外,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室与云南省公安总队在云南省的一些高速公路隧道(昆石高速公路阳宗隧道、元墨高速公路大风垭口隧道和玉元高速公路的元江1#隧道)内进行了全尺寸火灾实验,对隧道火灾的火源热释放率、烟气温度分布及烟气运动规律等进行了深度的实验研究。通过这些实验研究在隧道火灾方面取得了一定的成果,为提高隧道的安全运营发挥了积极的作用[9]。但是,具体在纵向通风下城市交通隧道坡度对火灾时烟气流动特性以及温度场的变化成果不够系统,尚不能满足隧道防火安全方案的设计与制定的需要。

目前纵向通风技术已广泛应用于隧道火灾排烟设计。它是利用机械设备(如射流风机)使隧道中的风流方向沿着隧道纵向流动的一种通风技术。我国的相关规范中对于隧道火灾的排烟设计规定较为简单,只对火灾时通风所应满足的最小风速有明确规定,并没有考虑火源下游人员的疏散问题。因此,为了使下游人员也可安全逃生,必须使火源下游的烟气分层化,使烟气层维持在一定高度之上。而在排烟风速设计规范中尚没有相关的指导或说明,所以防火设计中通风方案的制定往往不清楚是否需要考虑烟气层分层化的最大通风风速。另一方面,隧道坡度对烟气的扩散的影响也至关重要。尤其是比较长的倾斜隧道,由于坡度而产生的高度差可达十几米甚至几十米,热烟气所产生的烟囱效应将尤为突出,不能简单套用一般交通隧道的防火设计要求。但坡度对隧道火灾烟气运动的影响到底有多大,国内外目前还未作系统研究,无详细的数据对比分析。针对以上问题,本文主要利用比例模型实验台,研究了纵向通风对倾斜隧道火灾烟气扩散速度以及烟气层竖向分布的影响,并通过实验与分析得出了烟气分层化的临界风速值。

1 物理模型及实验参数

1.1 比例模型隧道简介

该试验台全长72m,其中纵向通风风机段长6m。试验台一端安装集烟罩。试验段长66m,由11个长6米的单元连接而成,编号为l到11。试验段采用钢结构框架作为骨架,顶部及侧壁均由防火玻璃作为围护材料,以便于观察烟气流动形态。隧道试验台的横段面为矩形,宽1.5m,高1.3m,下部的支撑钢结构框架高0.8m,如图所示。

图1 隧道火灾实验台实物图Fig.1 Bench-scale tunnel fire test system

图2 隧道火灾实验台实验段结构与通风排烟位置Fig.2 Test section structure and ventilated exhaust position of tunnel fire test bench

本实验选的是3%和5%两种坡度及0坡度,根据坡度计算的公式h/L得:

坡度为5%时,实验段长6m,在实验段末端需要垫高0.3m,即 h=0.3m,如图

图3 坡度为5%时实验段剖面Fig.3 Test section with slope of 5%

坡度为3%时,实验段长6m,将实验段末端垫高0.18m,即 h=0.18m,如图4所示。

图4 坡度为3%时实验段剖面Fig.4 Test section with slope of 3%

1.2 火源功率的设定

大部分实验关注的重点是火灾稳定阶段的流场,因此实验中需要采用稳定、可控的火源系统。实验中各工况均采用液化气作为燃料,其优点是火源功率稳定且调节方便,燃烧产物清洁。火源系统由燃气罐、气压计、流量计、多孔燃烧器组成。通过调节燃气流量及气压,可以模拟不同功率的火源,并且可以使火源功率在实验过程中保持稳定。在实验中采用 0.3m×0.3m的多孔燃烧器,火源功率为60kW。

图5 稳压流量计Fig.5 Regulator flowmeter

图6 多孔燃烧器Fig.6 Porous burner

1.3 测点的布置

(1)顶棚热电偶串距顶棚3cm,共24个,0m～1.8m之间间隔0.2m,共10个,1.8m～6m之间间隔 0.3m,共 14 个;

(2)热电偶串距隧道地面20cm,间距8cm,共8个,总高76cm,布置4个,沿隧道纵向位置布置在1m,2.2m,3.4m,5.8m处。如图

图7 测点位置Fig.7 Measurement position

图8 距离火源不同位置的瞬时速度Fig.8 Instantaneous velocity of smoke arrival from the fire to specified distances

2 实验结果分析

2.1 风速及坡度对烟气扩散速度的影响

在隧道火灾中,由于隧道狭长,空间相对密闭,如果不将火灾所产生的烟气以及有毒气体及时排走,势必会对隧道中的人产生危害,那么纵向通风对烟气流动的控制就显得格外重要。

实验中通过热电偶采集到的温度变化,得到了不同通风风速与坡度条件下烟气纵向扩散速度的变化。表1为测试点到火源距离与烟气到达该点时间的关系。

利用Origin软件拟合出烟气离火源距离与到达该处的时间函数关系,将其微分,可求出瞬时速度。函数关系如表2。

所求瞬时速度如表3。

表1 烟气到达离火源一定距离所需时间(s)Table 1 The required time of smoke arrival from the fire to specified distances(s)

表2 拟合公式Table 2 Fitting formulae

0.6 0% 0.9 9 9 Y=0.4 9 9+0.2 1 9 X+0.0 0 3 X 2 0.9 0% 0.9 9 9 Y=0.4 9 9+0.2 1 9 X+0.0 0 3 X 2 1.2 0% 0.9 9 9 Y=0.4 9 9+0.2 1 9 X+0.0 0 3 X 2

表3 烟气到达固定点的瞬时速度Table 3 Instantaneous velocities of smoke at specified points

根据表3做出离火源距离与烟气瞬时速度的关系图如图8所示。

图9 N-百分比法判断烟气层界面Fig.9 Judgment of flue gas layer interface by using N-percentage method

由图8可知在纵向通风风速不大于0.3m/s时,烟气在坡度为5%的隧道内各点的瞬时扩散速度比3%的要快得多。而纵向烟控风速大于0.6m/s时,风速对烟气瞬时扩散速度起主导作用,烟气纵向速度发生紊乱,没有一定的规律,与坡度基本无关。其原因是在无烟控情况下,坡度越大浮升力越大,从而产生的纵向的扩散速度越大。纵向烟控速度较大时,烟气纵向速度发生紊乱,如图8所示。烟气与坡度基本没有关系。

2.2 风速及坡度对烟气层沉降的影响

纵向风速对烟气层沉降有重要影响,如果速度过大,会造成涡流,影响火场下风向的烟气层,使烟气层发生紊乱,从而给火场下游的人员疏散及救援工作带来极大的困难。

2.2.1 烟气层的确定方法

火灾实验中,虽然烟气往往在隧道顶部聚集形成烟气层,但是顶部烟气层与下部空气层之间的界面并不是一个清晰的平面,本次利用实验测得的温度数据,采用N-百分比法[10,11]来近似确定其位置。

N-百分比法认为:如果某点相对于室内初始温度的温升超过该点所在竖直方向上最大温升的N%,便认为该点处于烟气层中,如图9所示。这种方法得到的烟气层界面位置与N取值有关,N越大,烟气层界面位置则偏高,反之则偏低。对于竖直方向温度梯度很大的温度分布,N取不同的值对烟气层界面位置的影响较小;而对于竖直方向温度梯度不大的温度分布,N取不同的值对烟气层界面位置的影响较大。在小尺寸隧道火灾实验中,考虑到隧道内能达到的最高温升和温度采集系统的精度,取N为20。

2.2.2 无烟控或小风速时,烟气层沉降情况

根据N-百分比法计算出无烟控和0.3m/s时的烟气层分布,结果如图10所示。

图10 无烟控和小风速时距火源3.4m处的烟气层分布曲线图Fig.10 The fuel gas layer distribution height at 3.4 m aw ay fromfire with no smoke control and small wind speed

从图10中还可看出,这两种条件下烟气层均维持在0.5m以上,形成较为理想的分层结构,并向下游稳定流动。烟控速度不超过0.3m/s时坡度越大烟气沉降速度越快。这可能是因为坡度越大烟气所受到的浮升力越大,冷空气的卷吸能力越强,因此烟气降温越快,烟气沉降速度也越快。在图中还可以看到烟气在初期的30s内沉降速度比较快,30s后沉降速度渐缓,最终烟气都下降至0.7m以下。发生这种现象的原因,可能是起初蔓延的烟气温度比其周围空气温度要高得多,冷空气卷吸热烟气剧烈;而随着时间的推移,周围的冷空气与热烟气换热后,温度逐渐上升,冷空气卷吸能力下降,因此烟气沉降速度先快后慢。

图11 坡度为3%时烟气层高度Fig.11 The smoke layer height with slope of 3%

Fig.12 The smoke layer height with slope of 5%

图13 不同坡度及通风速度下距火源3.4m处烟气层分布曲线图Fig.13 The fuel gas layer distribution height at 3.4m aw ay from fire under different slope degrees and ventilation speeds

2.2.3 隧道纵向通风风速较大时,烟气层分布情况

本实验中通风风速超过0.6m/s烟气分层就发生紊乱,如图13、图14所示。

图14 风速为0.6时烟气层变化情况Fig.14 Fuel gas layer at the speed of 0.6 m/s

实验发现当烟控速度不超过0.6m/s时,隧道坡度对烟气层沉降的影响超过风速对其的影响。但当烟控速度大于0.6m/s时,风速对烟气层沉降的影响要远大于坡度对其的影响,此时坡度的影响可忽略不计。原因是在火源功率不大或存在较大流速边界条件的情况下,烟气的温度不高,和空气的混合程度加强,烟气容易发生弥散性沉降[12],进而烟气层沉降发生紊乱。因此烟控风速不宜过大,这样对烟气层分布不利。由结果分析本实验条件下的烟控速度临界值不宜超过0.6m/s。

2.3 烟气分层化临界速度的理论验证

根据分层流界面不稳定性理论[13,14],选择Richardson无量纲准则数作为判定烟气层稳定性的标准。推导不同火灾条件下能够维持烟气层稳定的射流风机出口临界速度。

也就得到烟气层与下部空气层之间的速度差需满足:

式中,g为重力加速度,Δ ρ为烟气层与下层空气密度差,ρg为烟气层密度,ΔU烟气层与空气层的速度差(空气层速度为零,因此此值实际上为烟气层速度),Zg为烟气层厚度,当烟气与空气相对速度很小时,Fr很小,则烟气分层。因此欲保证实验中烟气分层,静止空气层上部的烟气层速度应满足:

表4 空气密度Table 4 Air density

利用内插法求出环境平均 13℃时密度为1.2344,烟气45℃时密度为1.1105,实验中观察烟气层厚度为0.3m,此时对应的烟气分层化临界速度为0.59m/s。所以纵向烟控风速宜小于0.59m/s,与我们通过实验得到的烟气层分层化临界风速应小于0.6m/s是吻合的。

3 结论

本文研究了不同坡度及风速隧道内烟气的流动规律,利用比例模型隧道对隧道内火灾烟气流动进行了现场实验与分析,从实验结果总结出的规律对火灾救援与人员疏散具有一定的指导意义,根据本文可得出以下结论:

(1)隧道坡度对烟气的扩散具有重要影响。一般情况下,由于浮升力作用,烟气的扩散速度会随着坡度的增加而增加。但并非坡度越大对排烟越有利。通过本文中两种坡度的实验结果比较可知,坡度为5%比3%的烟气沉降速度要快得多,这是因为坡度越大冷空气卷吸越强烈,烟气降温越快,因此烟气沉降速度越快。

(2)控制烟气蔓延是目的就是为了使人员停留区域尽可能是无烟区。这就意味着必须保证烟气分层化,从而使烟气层下部空间保留干净并可供呼吸的空气。而通风速度过大,会产生涡流现象,影响火场下风向的烟气层,使烟气层发生紊乱。而速度太小,将不会达到阻止烟气向上游流动,从而失去通风意义。所以找到一个通风临界值是至关重要的。而在本文中,理论分析所得到的临界值与实验数据所得到的吻合较好。这将对研究烟气流动规律具有一定程度上的指导意义。

(3)需要注意的是,本实验中得到的烟气分层化临界速度为0.59m/s,并不适用于其它实验及实际情况,因为小尺寸实验结果的实际应用还需要考虑到相似性问题,这也将是我们下一步的研究重点。

[1]袁理明.建筑火灾危险性评估的一种方法[J].中国安全科学学报,1997,7(5):25-28.

[2]袁理明,范维澄.建筑火灾中人员安全疏散时间预测[J].自然灾害学报,1997,6(2):28-34.

[3]刘文利,熊洪.地下商业街人员疏散预测[J].火灾科学,1999,8(3):72-79.

[4]Haack A.Fire Protection in Traffic Tunnels-Initial Findings from Large-scale Tests[J].Tunnelling and Underground Space Technology.1992,7(4):363-375.

[5]Ricky Carvel.The history and future of fire tests[J].Tunnels& Tunnelling International.2002,34(11):34-35.

[6]刘朝文.高等级公路隧道火灾扑救对策探讨[Z].云南消防,2003.

[7]Bendelius AG.The memorial tunnel fire ventilation test Program-past[A],present and future.9th International symposium on the Aerodynamics&ventilation of vehicle Tunnels[C],1997.

[8]里查德.卡维尔,阿兰.比尔德,保尔.乔威特.隧道突发火灾时的明智通风控制[J].消防技术与产品信息,2001(9):46-50.

[9]胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D].中国科学技术大学安全技术及工程,2006.

[10]张靖岩.高层建筑竖井内烟气流动特征及控制研究[D].中国科学技术大学安全技术及工程,2006.

[11]Cooper L Y,Harkleroad M,Quintiere J,Reinkinen W.An Experiment Study of Upper Hot Layer Stratification in Full-Scall Multi-Room Fire Scenarios[J].Journal of Heat Transfer,1982,104:741-749.

[12]易亮,霍然,李元洲,彭磊.单侧不对称补气对大空间火灾机械排烟的影响[J].中国科学技术大学学报,2003,33(5):579-585.

[13]Hu L H,Huo R,Wang HB,Li YZ,Yang RX.Experimental studies on fire-induced buoyant smoke temperature distribution along tunnel ceiling[J].Building and Environment,2007,42(11):3905-3915.

[14]Hu L H,Huo R,Li YZ,Wang HB,Chow WK.Fullscale burning tests on studying smoke temperature and velocity along a corridor[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2005,20(3):223-229.

Experimental study on the effect of longitudinal ventilation and gradient on smoke movement in tunnels

XIA Zheng-wen1,LIU Xiao-yang2,ZHANG Li-li3

(1.Anhui Huang shan general Fire Brigade China,Anhui,245011,China;2.Beijing University of Technology,civil engineering,100124,China)

Vertical ventilation is the common means of tunnel smoke control.When the wind is large enough,the wind will make the smoke spread in one direction,so as to achieve longitudinal smoke evacuation.However,if the wind speed is too large,the smoke structure may be destroyed,and the smoke turbulence may endanger the human evacuation.Therefore the smoke stratification should maintain a reasonable time period.Many practical tunnels involve slope,which may produce the so-called"smoke stack effect".This paper uses bench-scale models to conduct experiments,in order to examine the slope and vertical ventilation under fire smoke.The results indicate that when the slope is increased,the air entrainment will be more significant,with more rapid smoke temperature decrease and smoke settlement.The experimental results agree well with the theoretical analysis.

Tunnel fire hazard;Longitudinal ventilation;Slope;Smoke movement;Stack effect

X93

A

1004-5309(2011)-0152-09

2010-04-04;修改日期:2011-05-19

国家自然科学基金项目“城市交通隧道火灾羽流特性及安全评估研究”(项目编号:50878012)

夏正文(1967-)男,安徽黄山人,学士,安徽黄山市公安消防支队高级工程师,主要从事建筑防火研究工作。