一種板-豎井耦合排煙方法及其影響機(jī)制研究.pdf

1、為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通運(yùn)力提升的迫切需求，以及緩解日益嚴(yán)峻的日常交通壓力，越來(lái)越多的公路隧道不斷涌現(xiàn)并被投入使用。由于隧道的狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫有毒有害煙氣會(huì)沿著頂棚向隧道兩端蔓延?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣若無(wú)法及時(shí)排出，煙氣會(huì)在隧道頂棚積聚，導(dǎo)致隧道煙氣濃度及煙氣層厚度的增加，嚴(yán)重影響火災(zāi)救援及疏散逃生。因此，需要在隧道內(nèi)加裝一定的防排煙系統(tǒng)。公路隧道常用的防排煙系統(tǒng)主要有兩種，一種是采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)的機(jī)械排煙系統(tǒng)，一種是采用

2、項(xiàng)部開口或垂直豎井的自然排煙系統(tǒng)。機(jī)械排煙系統(tǒng)由于安裝及維護(hù)成本高，且啟動(dòng)后會(huì)造成火源下風(fēng)向煙氣層紊亂，加重火源下風(fēng)向的受災(zāi)群眾救援逃生難度等問(wèn)題廣受詬病。因此，排煙性能穩(wěn)定、建造成本低且不需要后續(xù)維護(hù)的自然排煙豎井受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而，豎井型自然排煙系統(tǒng)也有其劣勢(shì)，排煙過(guò)程中伴隨出現(xiàn)的吸穿現(xiàn)象和邊界層分離現(xiàn)象，導(dǎo)致豎井型自然排煙系統(tǒng)性能較低，嚴(yán)重抑制了豎井型自然排煙系統(tǒng)的發(fā)展。因此，發(fā)展可提高傳統(tǒng)豎井排煙性能的新型豎井排煙

3、方法、揭示其影響機(jī)制并提出推薦設(shè)計(jì)方法，無(wú)疑具有較高的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值?；诖耍疚奶岢隽艘环N板-豎井耦合的自然排煙方法(Board-coupled shaft，BCS)，研究揭示了火源功率、通風(fēng)條件、薄板尺寸、薄板安裝位置及火源位置等對(duì)其排煙性能的影響機(jī)制，并給出了相應(yīng)的推薦設(shè)計(jì)參數(shù)。開展的主要研究工作包括:
　　一、搭建了1∶15縮尺度隧道模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在此試驗(yàn)臺(tái)上開展了火災(zāi)煙氣在隧道頂棚蔓延特性的研究。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，前人在

4、研究頂棚煙氣運(yùn)動(dòng)特性時(shí)采用的燃料種類繁雜，但前人并未考慮燃料燃燒特性對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)特性的影響。此外，在之前的實(shí)驗(yàn)分析及模型建立中均采用頂棚高度作為特征高度，未考慮到隧道等受限空間與非受限空間因結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的排煙補(bǔ)風(fēng)模式上的差異。本文通過(guò)縮尺度隧道模型試驗(yàn)，研究了燃料種類對(duì)隧道頂棚煙氣溫度和速度分布的影響。研究結(jié)果表明:隧道頂棚煙氣溫度分布受燃料種類影響較小，而隧道頂棚煙氣速度分布受燃料種類影響較大。最后，基于前人研究基礎(chǔ)，建立了基于甲醇火和

5、柴油火的無(wú)量綱頂棚煙氣速度預(yù)測(cè)模型。
　　二、開展了Fire Dynamic Simulator(FDS)全尺度隧道數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，研究了傳統(tǒng)豎井的排煙模式和排煙特性。通過(guò)改變火源熱釋放速率及縱向風(fēng)風(fēng)速，研究了火源熱釋放速率及縱向風(fēng)對(duì)傳統(tǒng)豎井排煙性能的影響。結(jié)果表明:隨著火源功率的增加，傳統(tǒng)豎井排煙性能得到提升，但排煙效率幾乎不變;此外，當(dāng)隧道內(nèi)有縱向通風(fēng)時(shí)，豎井吸穿現(xiàn)象會(huì)得到抑制，但同時(shí)邊界層分離現(xiàn)象也會(huì)得到強(qiáng)化。隨著縱向風(fēng)風(fēng)速的

6、增加，傳統(tǒng)豎井排煙能力整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì);但當(dāng)縱向風(fēng)速較小時(shí)，縱向風(fēng)有助于傳統(tǒng)豎井排煙。
　　三、開展了FDS全尺度隧道數(shù)值模擬，研究了BCS的排煙模式和排煙特性。針對(duì)傳統(tǒng)豎井排煙過(guò)程中影響其排煙性能的吸穿現(xiàn)象和邊界層分離現(xiàn)象，本文通過(guò)在豎井下方一定距離處安裝一塊大小適宜的薄板，抑制或消除了吸穿現(xiàn)象對(duì)豎井排煙的影響，提高了豎井排煙性能。此外，本文研究了火源功率和隧道縱向風(fēng)風(fēng)速對(duì)BCS排煙性能及豎井內(nèi)部流場(chǎng)分布情況的影響，模擬結(jié)果驗(yàn)證

7、了BCS的可行性和優(yōu)越性。此外，研究發(fā)現(xiàn)，BCS排煙性能隨著火源功率的增大而提升，且薄板位置(hD)對(duì)BCS排煙性能影響較大。在本文測(cè)試的工況中，當(dāng)hD=0.45m時(shí)，BCS排出CO的量約為傳統(tǒng)豎井的1.55-1.61倍。除此之外，當(dāng)隧道內(nèi)有縱向風(fēng)時(shí)，BCS排煙能力隨著縱向風(fēng)增加而減小。
　　四、通過(guò)開展縮尺度隧道模型實(shí)驗(yàn)研究了薄板尺寸，薄板安裝高度以及火源與豎井相對(duì)位置對(duì)BCS排煙的影響。并在激光片光的輔助下，采集了不同條件下傳

8、統(tǒng)豎井和BCS排煙時(shí)豎井及隧道內(nèi)部的流場(chǎng)圖像。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，揭示了薄板尺寸以及薄板安裝位置對(duì)BCS排煙性能的影響。此外，基于相關(guān)理論分析，得出了BCS排煙機(jī)理及模式。研究結(jié)果表明:BCS排煙過(guò)程受煙囪效應(yīng)和堵塞效應(yīng)共同控制，因此在使用BCS時(shí)，需要對(duì)薄板尺寸、厚度及安裝位置進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇。此外，研究結(jié)果表明:隨著火源與豎井之間的距離增大，BCS的排煙性能逐漸降低。因此，在對(duì)BCS進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝時(shí)需考慮兩相鄰豎井的有效距離。最后，基于