特长公路隧道全射流火灾通风网络解算研究*

2021-03-12严晓楠叶绪谦曾艳华付孝康

中国安全生产科学技术 2021年2期

李杰，严晓楠，叶绪谦，曾艳华，付孝康

(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031;3.山西静兴高速公路有限公司，山西吕梁 033500)

0 引言

公路隧道发生火灾时烟气对人员生命安全造成很大危害[1-2]，纵向通风[3-4]是公路隧道常用且简单高效的控制烟气通风方式。开启联络通道的隧道通风系统可形成复杂的网络[5]，可采用通风网络理论进行火灾通风设计[6-8]。通风网络最早在矿井通风中使用，是矿井生产管理工作的基础要件[9-10]，经过半个多世纪的发展，通风网络解算方法被成功地应用到隧道通风中。

曾艳华等[11]依托二郎山和中梁山隧道工程，运用通风网络解算的斯考德-恒斯雷算法和风量调节通路计算法，对隧道进行按需分风；胡金平等[12]讨论公路隧道通风网络中交通风的计算原理及处理方法，编制交通通风力程序块；仇玉良[13]建立公路隧道送排风口的压力计算网络数学模型，主要对送风口高速喷射气流的升压力网络仿真问题进行研究；宁军[14]对海底隧道半横向通风网络进行自然分风解算和网络优化调节分析，给出主隧道各支路的需风量限值要求，该程序尚不能对隧道火灾时期通风网络进行较好的解算。在隧道坡度对火灾影响的研究方面，文献[6]采用模拟和实验方法研究坡度对倾斜隧道临界速度的影响，发现临界风速中坡度修正系数与坡度呈线性关系，而国内大多数研究也集中于隧道坡度对临界风速的影响方面，并未研究隧道坡度对火风压的影响规律。在通风网络测试方面，Król等[15]对波兰南部1条公路隧道进行2个横截面正向和反向气流风速测量，研究自然风的方向对隧道临界风速的影响；刘成伟等[16]对终南山公路隧道内自然风速、交通活塞风速进行测量收集，得出终南山隧道自然风速出现的时间段以及交通量高峰时间段对隧道内风速值的影响规律。

通风网络的研究大多集中在运营通风中，考虑到火风压作用下隧道内网络通风的复杂性，火灾时的通风网络技术亟待研究。而在现场测试方面，鲜有风机效率测试及通风测试研究。综上所述，本文以铜锣山隧道为例进行射流风机效率测试和现场通风测试，建立隧道火灾全射流通风排烟网络解算数学模型，展开基于通风网络解算模型的火灾风流分配规律研究。

1 网络解算模型

1.1 基本定律

烟气在网络中流动，满足质量守恒定律、能量守恒定律和阻力定律。

1)质量守恒定律

在单位时间内，任一节点流入和流出空气质量的代数和为零，如式(1)所示：

(1)

式中：Mij为第i个节点上的第j条风路中的烟气质量流量，kg/s；m为通风网络中的节点数；n为通风网中的边数。

2)风压平衡定律

任何闭合回路上所发生的烟气能量转换的代数和为零，如式(2)所示：

(2)

式中：hij为各分支阻力，Pa；HFij为轴流风机风压，Pa；pmi为自然通风力，Pa；pJij为射流风机风压，Pa；pTij为交通通风力，Pa；pFij为火灾通风阻力，Pa。

在全射流通风隧道发生火灾时，由于无轴流风机的作用，隧道内车辆停止，交通通风力消失，故根据隧道内压源的实际情况，风压平衡定律可简化为式(3)：

(3)

3)通风阻力定律

风流任一分支流动遵循阻力定律，如式(4)所示：

(4)

式中：hi为分支阻力，Pa；Ri为风阻，(N·s2)/m8；Qi为气体体积流量，m3/s。

1.2 斯考德-恒斯雷算法模型

1)数学模型

对于有m个节点、n条边的通风网络，通风网络解算的数学模型如式(5)所示：

(5)

2)算法模型

斯考德-恒斯雷近似算法是当方程中1个近似值已知时，用泰勒级数展开求得风量校正值，忽略二阶以上微分项的回路迭代修正风量的解，迭代修正风量计算公式如式(6)所示：

(6)

式中：ΔQi为修正风量，m3/s。

预先设定1个精度，当回路迭代修正风量值满足设定精度，停止计算，得到近似风量值即自然分配风量。

1.3 火灾通风阻力

火灾通风阻力除摩擦阻力外，还包括火区阻力Pf1和高温烟气流经有坡度隧道产生的火风压Pf2。

1)火区阻力

火灾阻力等于单位体积烟气流经火区所产生的机械能损失，其表达式如式(7)所示：

(7)

式中：R为火灾支路的风阻，N·s2/m8；M为质量流量，kg/s；Q为火灾功率，W；Cp为空气比热，J/(kg·K)；ρ0为环境空气密度，kg/m3；T0为环境温度，K；A为隧道截面面积，m2。

2)火风压

火灾浮力效应的理论计算如式(8)所示：

(8)

式中：ρ为烟气密度，kg/m3；sinθ为隧道的坡率；g为重力加速度，m/s2；L为下游烟气长度，m。

火灾隧道内烟气密度计算如式(9)所示：

(9)

式中：TP为烟气最高温度，K；T为烟气的温度，K；ρP为烟气最高温度对应密度，kg/m3。

隧道烟气沿程温度变化的计算如式(10)所示:

(10)

将式(9)及(10)式代入式(8)，在高温区内积分，推导出火灾后污染区内烟流的浮力效应阻力公式如式(11)所示：

(11)

2 现场通风测试及模型验证

2.1 隧道概况

铜锣山隧道长度为5 032 m，隧道采用人字坡，坡度为1.5%和-0.6%。隧道采用全射流纵向通风方式，射流风机直径1 120 mm，功率37 kW，左线设置13组风机，右线设置12组风机，每组2台。2隧道间设置5个车行横通道，火灾时2隧道互为救援通道，采用纵向排烟方式。隧道射流风机及横通道平面布置如图1所示。

图1 铜锣山隧道通风系统平面布置Fig.1 Plane layout of ventilation system in Tongluoshan tunnel

2.2 测试方案

为验证通风网络程序的正确性，展开铜锣山隧道现场通风测试。通风网络程序中风机参数设置对结果的准确性有较大影响，因此，先进行铜锣山隧道射流风机效率的测试，为网络通风中风机参数设置提供依据。

1)射流风机效率测试

隧道内射流风机受安装因素的影响，实际产生的升压力应小于理论升压力值，射流风机升压效率等于各组风机的实测升压力ΔPC与理论计算升压力ΔPJ的比值，如式(12)所示：

(12)

式中：φ为射流风机升压效率；n为测试风机台数；ΔPj为单台射流风机理论计算升压力，Pa；ΔPC为测试风机组间的实测升压力，Pa。其中，各组风机的实测升压力ΔPC计算如式(13)所示：

(13)

式中：ΔPa-b为测试风机组a-a和b-b2个断面之间测试的静压差，Pa；va，vb分别为a-a，b-b2个断面平均风速，m/s。

测试过程中为使得测点风速可以代表断面风速，在测试断面布置k1～k1010个测点，取10个测点的平均值代替断面平均风速，采用BYWF-2001袖珍数字风速仪同时测定两断面平均风速，测点布置如图2所示。

断面两端设皮托管，采用LTP101智能微差压测试仪测试两断面的静压差，用温度仪和FYP-1型数字式精密气压表分别测试温度和大气压力，测试布置如图3所示。

2)现场通风测试

现场测试工况见表1。测试前先对铜锣山隧道自然风速进行测试，得到自然风大小为1.2～1.5 m/s，自然风方向从南充端洞口吹向梁平端洞口。测试断面布置如图4所示。

图2 隧道断面风速测点布置Fig.2 Layout of measurement points for wind speed on tunnel section

图3 隧道风机效率测试示意Fig.3 Schematic diagram for fan efficiency test of tunnel

表1 现场测试工况Table 1 Field test conditions

图4 隧道测试截面布置示意Fig.4 Schematic diagram for layout of tunnel test sections

2.3 结果分析

1)风机效率

铜锣山隧道射流风机效率测试结果如图5所示。铜锣山隧道射流风机正向运转，每组风机升压效率为0.83～0.93，平均0.882；风机反向运转，每组风机升压效率为0.65～0.68，平均效率为0.665。该值的测试为后续通风网络计算提供基础数据。

图5 风机效率测试结果Fig.5 Test results of fan efficiency

2)通风网络风流测试

3种工况下各断面测试风量结果如图6所示，以工况1为例进行说明，图6中节点①是右线隧道入口；节点②是1#横通道与右线隧道连接处；节点③为右线隧道出口；节点④为左线隧道入口；节点⑤是1#横通道与左线隧道连接处；节点⑥是左线隧道出口，图6中箭头表示风流流动方向。

图6 现场测试结果Fig.6 Field test results

由图6(a)可知，当开启1#横通道，左线隧道从南充端流入的风流大部分通过1#横通道汇入右线隧道。右线隧道在入口开启第1，2组射流风机，中部开启第5～10组风机正向运转后，从南充入口流入隧道的风量为182.67 m3/s，经1#横通道处与左线隧道流入的风量汇合，流向右线第2段隧道。

由图6(b)可知,当开启1#，2#横通道时，左线隧道部分风流通过1#，2#横通道流入右线主隧道，尽管风机开启与工况1相同，但通风网络发生改变。右线隧道入口段测试截面a-a处和1#横通道内风速减小；在2#横通道处，风流方向从左线流入右线隧道。

由图6(c)可知,当开启1#～3#横通道时，隧道内风流分配与前2种工况有较大变化。左线隧道受第5，6组风机及右线隧道入口第1，2组风机开启的影响，1#横通道右线隧道处的压力高于左线隧道，1#横通道有47.16 m3/s的风流从右线隧道流入左线隧道；其他2#，3#横通道的风流仍然是由左线隧道流入右线隧道。

2.4 模型验证

1)隧道分风验证

采用通风网络计算模型计算出相同工况下隧道网络中风流分配情况，对比现场测试风流分布结果，印证通风网络计算模型的正确性。现场测试与计算结果对比如图7所示。由图7可知，通风网络计算的隧道及横通道中风流流动方向与图6中现场测试风流流动方向完全一致，仅在量值上有差异。

现场测试不稳定因素较多(如风流流动的不稳定性等)，因此可能导致结果误差，但是计算结果与现场实测结果误差均在15%以下，说明通风网络计算结果可靠，可以通过计算指导实际工程设计。

2)隧道内相对压力分布

通过通风网络计算，根据各段隧道内射流风机升压力以及隧道通风阻力，得到左线隧道和右线隧道内相对压力分布，如图8所示。

由图8可知，工况1中左线隧道出口段风流经第1～3组射流风机升压后相对压力升高，在1#车行横通道处相对压力为71.08 Pa。右线隧道入口段风流经1，2组射流风机后相对压力提升，到达1#车行横通道处的相对压力为41.59 Pa。由于1#横通道左线隧道相对压力高于右线隧道，致使风流由左线隧道流向右线隧道。

图7 现场测试与计算结果对比Fig.7 Comparison of field tests and calculation results

图8 隧道内压力分布Fig.8 Pressure distribution in tunnel

由图7(b)和图8(b)可知，尽管工况2与工况1开启风机相同，但由于横通道开启不同，2隧道内各段风量不同，相对压力分布也不同。在1#和2#横通道两侧，左线隧道风流的相对压力分别为72.13 Pa和58.45 Pa，高于右线2横道处的相对压力58.23 Pa和34.30 Pa，引起2横通道内风流从左线隧道流入右线隧道。其他左右线隧道内风流的相对压力与工况1相同。

由图8(c)可知，在1#横通道处左线风流的相对压力为46.79 Pa，低于右线隧道1#横通道处的50.27 Pa，致使1#横通道处风流由右线隧道流向左线隧道。在左线隧道1#横通道与2#横通道间增开第5，6组射流风机后，2#，3#横通道处的左线隧道的相对压力均高于右线隧道，从而使得2#，3#横通道的风流由左线隧道流入右线隧道。

从通风网络计算得到的各工况左右线隧道内相对压力分布可得，由左、右线隧道内相对压力差而引起的横通道内烟气流动方向与测试结果一致，说明通风网络计算结果可信。

3 考虑火区阻力的通风网络

在构建的通风网络解算模型基础上，将火灾通风阻力计算公式(7)、式(11)引入通风网络模型中，建立全射流火灾排烟通风网络计算模型，在通风网络解算程序中，完善火灾平均最高温度计算、隧道沿程温度分布计算、考虑火风压的回路风量修正值计算，可分析得出流向火源点风量及不同坡率工况下火风压对通风网络中风流流动的影响。

3.1 火风压对隧道各支路风流分配的影响

将铜锣山隧道3种火灾工况下的通风系统转化成图9所示的通风网络图，通风网络图由节点和支路组成，其中，虚线边表示自然风虚拟支路，实线边表示主隧道和支路隧道，实线、虚线上的数字为对应的支路序号。计算火灾功率为30 MW，坡率为-0.6%。

计算火灾时的通风网络采用质量流量，将计算结果与非火灾时的通风网络计算结果进行对比，如图10所示。由图10可知，火灾支路在未考虑火风压时的计算风量大于考虑火风压情况下的，由于火灾支路所在的隧道为负坡，隧道内火灾通风阻力作用方向与烟气方向相反，对该支路通风起阻力作用，因此该支路风速会减小。图10的结果也表明，火灾通风阻力对隧道内不同区域的网络支路风量分布影响程度不同，火灾通风阻力对事故隧道网络支路的烟气分布影响最大，对横通道支路的烟气分布影响次之，对非事故隧道支路的烟气分布影响最小。

图9 火灾工况通风网络Fig.9 Ventilation network under fire situation

图10 考虑火风压计算结果对比Fig.10 Comparison of calculation results considering fire pressure

3.2 坡率对风流分配的影响

以工况3为例探究坡率对火灾通风网络烟气分配的影响。将4号支路的坡率分别设置为-2.6%，-1.6%，-0.6%，0.6%，1.6%，2.6%，通过通风网络解算得到不同坡率时4号支路的火风压、风量和风速，见表2。

表2 坡率对通风网络烟气的影响Table 2 Influence of slope ratio on smoke in ventilation network

由表2可知，随着火灾支路坡率的变化，该支路的火风压、风量和风速将会发生变化。当火灾隧道为下坡时(坡率为负值)时，火风压对于该支路烟气流动起阻碍作用；当坡率从-0.6%增大到-2.6%时，火风压阻力从14.88 Pa增大到70.12 Pa，说明随着下坡隧道坡度增大，火风压阻力作用变大。当火灾隧道为上坡时(坡率为正值)时，火风压与该支路烟气方向流动一致，起动力作用；当坡率从0.6%增大到2.6%，火风压动力从14.37 Pa增大到59.61 Pa，说明随着上坡隧道坡度增大，火风压动力作用变大。