铁路隧道火灾中烟气逆流层长度的研究

铁路隧道火灾中烟气逆流层长度的研究

赵望达,李　洪,徐志胜,姜学鹏

(中南大学土木建筑学院,长沙410075)

摘要:以狮子洋隧道为工程背景,对不同火源热释放速率、不同通风风速、不同坡度及不同断面当量直径情况下的火灾进行了数值模拟。分析了隧道烟气逆流层长度的变化规律,并对模拟数据进行了拟合。结果表明,隧道烟气逆流层长度与通风风速、火源热释放速率、隧道断面当量直径的自然对数值拟合均符合直线关系,呈递增或递减变化;坡度对烟气逆流层长度的影响随通风风速的增大而减弱。在分析烟气逆流层长度变化规律的基础上,建立了烟气逆流层长度与火源热释放速率、通风风速及断面当量直径的关系式,通过对数据拟合获得了烟气逆流层长度公式,该公式推导合理,并有所创新。

关键词:铁路隧道;火灾;烟气逆流层长度;公式推导;数值模拟

中图分类号:X932 文献标识码:A 文章编号:1672-2132(2010)03-0246-06

0　引言

隧道烟气逆流现象的存在,不利于消防人员沿纵向风从上游接近火场实施扑救,也不利于隧道内人员向新鲜风的供给方向(即火源上游)疏散[1]。通过对烟气逆流层长度的研究,可从另一角度获得控制烟气逆流的“临界纵向抑制风速”,即逆流层长度为零时的风速。因此,对隧道火灾烟气逆流现象的研究具有重要意义[2,3]。现有研究多是针对烟气逆流层的形成条件进行的[4-6],而对逆流发生后的逆流层长度变化规律的研究则相对较少。本文以狮子洋隧道为工程背景,通过数值模拟,对隧道火灾中烟气逆流层长度随通风风速、火源热释放速率、隧道断面当量直径及坡度的变化规律进行了研究。在此基础上,建立了烟气逆流层长度模型,导出了烟气逆流层长度公式,该公式推导合理,并有所创新。

1　烟气逆流现象

火灾的烟气羽流撞击到拱顶后,将向2个方向蔓延,当隧道内的纵向风速较小时,在火源所产生的热浮力的驱动下,火源上游的顶棚射流使逆纵向风沿拱顶蔓延,形成“烟气逆流”这一隧道内的特殊火灾现象[7](图1)。当隧道内纵向风速大于某临界值时,这种烟气逆流的现象将消失,烟气运动变为沿火源下游方向的完全单向蔓延,该临界风速被称为“临界纵向抑制风速”(图2)

。

图1　通风风速小于临界风速时的烟气逆流示意Fig.1　Smo ke backflo w distance when ventilation veloci-ty less than the cr it ical v elo

city

图2　通风风速等于临界风速时的烟气控制示意Fig.2　Smo ke backflo w distance when ventilation veloci-ty equals to critical velocity

如果通过研究烟气逆流层长度的变化规律,建立具有较强通用性的关于烟气逆流层长度随火源热

第30卷第3期2010年6月

防灾减灾工程学报

Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering

V ol.30N o.3

Jun.2010

收稿日期:2009-08-10;修回日期:2010-01-12

基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2006G007-C-1)、中南大学研究生教育创新工程项目(2009ssxt123)资助作者简介:赵望达(1965-),男,教授,博导。主要从事土木工程测控技术、智能建筑、消防工程等方面的研究。

Email:w dzhao@https://www.360docs.net/doc/ae6818704.html,

释放速率及隧道纵向风速变化的计算模型,那么关于临界风速的计算问题就迎刃而解。所谓的临界状态,实际上就是烟气逆流层长度恰好为零时的一种特殊状态。相应地,临界风速也可以定义为:在一定的火源燃烧强度和隧道几何条件下,使烟气逆流层长度恰好为零时所对应的隧道纵向风速[8]。根据这一定义,只要令烟气逆流层长度为零,根据烟气逆流长度的计算模型,不难推出临界风速与各有关参数之间的函数关系。

2　烟气逆流层长度的CFD 模拟

本文以狮子洋隧道为工程背景,模拟分析了不同通风风速、不同火源热释放速率、不同断面当量直径及不同坡度情况下,隧道火灾烟气逆流层长度的变化规律。

2.1　通风风速的影响

图3所示为狮子洋隧道在不同火源热释放速率下的烟气逆流层长度与通风风速的关系。由图3可知,隧道烟气逆流层长度随通风风速的增大而减小。当火源热释放速率为5MW 、通风风速不小于1.8m /s 时,烟气的逆流层长度为零,

此时烟气得到

图3　不同火源热释放速率情况下烟气逆流层长度与通

风风速的关系Fig.3　Smo ke backflo w distances under different fir e

sour ces pow er and v ent ila tio n v elo cities

了控制;当火源热释放速率为15MW 、通风风速不小于2.7m /s 时,烟气的逆流层长度为零,即控制烟气的临界风速为2.7m /s ;当火源热释放速率为30M W 、通风风速为3.6m/s 时,烟气逆流层长度为零,此时烟气得到了控制。由于狮子洋隧道为铁路隧道,发生火灾时的火源热释放速率可按照15M W 计算,因此狮子洋隧道的通风排烟设计中,通风风速可按2.7m /s 乘以坡度系数考虑。图4为狮子洋隧道在不同火源热释放速率情况下的烟气逆流层长度与通风风速关系的拟合曲线。由图4可知,

不同火源热释

图4　不同火源热释放速率情况下烟气逆流层长度与通风风速关系的拟合曲线

F ig .4　Fit ting cur ve of backflow dist ances of smo ke and v entila tio n v elo cities under different fire sour ces pow er

247　第3期赵望达等:铁路隧道火灾中烟气逆流层长度的研究

　

放速率情况下,烟气逆流层长度与通风风速自然对数值的拟合结果符合直线关系,并呈递减变化。2.2　火源热释放速率的影响

图5所示为狮子洋隧道在不同通风风速情况下的烟气逆流层长度与火源热释放速率的关系。由图5可知,相同风速情况下,火源热释放速率越大,烟气逆流层长度越长,并且随着火源热释放速率的增大,烟气逆流层长度的增加幅度逐渐变缓,说明当火源热释放速率增大到一定程度时,烟气的逆流层长度趋于与火源热释放速率变化无关。在火源热释放速率为15MW 的情况下,在通风风速为0.8m /s 时,烟气的逆流层长度为270m ;在通风风速为2.4m/s 时,烟气的逆流层长度为零,此时火灾烟气蔓延得到了控制。图6为不同通风风速情况下的烟气逆流层长度与火源热释放速率关系的拟合曲线。从图6可知,不同通风风速下,烟气逆流层长度与火源热

释放速率的自然对数值拟合结果符合直线递增关系。

图5　不同通风风速情况下烟气逆流层长度随火源热释

放速率的变化规律F ig.5　Smoke ba ckflow dist ances under differ ent fire

so urces po w er and ventilation velocit ies

2.3　坡度的影响

为了研究坡度对烟气逆流层长度的影响,对火源热释放速率为15MW 、不同坡度、不同通风风速情况下的隧道模型进行了模拟。图7所示为不同坡度情况下的烟气逆流层长度与通风风速的关系。由图7可知,在火源热释放速率为15M W 、通风风速为2.2m/s 时,不同坡度情况下的烟气逆流层长度几乎相等,并且以此为转折点:当通风风速大于2.2m /s 时,相同通风风速情况下,烟气逆流层长度有随着坡度的增大而稍微增大的趋势,说明在相同条件下

,坡度越大,临界风速越大;当通风风速小于2.2m /s 时,相同通风风速情况下,坡度越大,烟气的逆

图6　不同通风风速情况下烟气逆流层长度与火源热释

放速率关系的拟合曲线Fig.6　F itt ing curv e of backflow distances o f smoke and

fire so ur ces po wer under different ventilation ve-locit ies

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　防灾减灾工程学报第30卷　

图7　不同坡度情况下烟气逆流层长度与通风风速的关系F ig.7　Sm oke backflow distances under differ ent v entila-

t ion v elo cities and slopes

流层长度越小,并且随着通风风速的减小,逆流层长度减小的幅度不断增大,说明坡度对烟气逆流层长度的影响随通风风速的增大而减弱。

2.4　隧道断面的影响

2.4.1　当量直径

不同的隧道断面形状对烟气逆流层长度的影响也不同,为了使研究更具普遍性,取隧道断面当量直径为特征尺度。

D=4A

P(1)

式中　D为隧道断面当量直径,m;

　P为隧道湿周,m;

　A为隧道断面积,m2。

2.4.2　隧道断面影响的数值模拟

为了获得断面对隧道烟气逆流层长度影响的模拟数据,建立了7个宽度相同、高度不同的矩形隧道模型。在火源热释放速率为15M W、通风风速为2m/s条件下进行数值模拟,获得的烟气逆流层长度如表1所示。

表1　不同隧道断面情况下的烟气逆流层长度

Table1　Smoke backf low with diff erent sections

模型宽×高

/m

当量直

径/m

火源热释放

速率/M W

通风风速

/(m?s-1)

逆流层

长度/m

16×5 5.451529 26×6 6.0015232 36×7 6.4615246 46×8 6.8615258 56×97.2015266 66×107.5015271 76×117.76152792.4.3　模拟结果分析

图8为烟气逆流层长度与断面当量直径关系的拟合曲线。由图8可知,相同通风风速情况下,烟气逆流层长度随着隧道断面当量直径的增大而增加,烟气逆流层长度与隧道断面当量直径的自然对数值

符合直线递增关系。

图8　烟气逆流层长度与隧道断面当量直径关系的拟合曲线Fig.8　F itt ing curv e of backflow distances o f smoke and equivalent diameter s

3　烟气逆流层长度公式推导

3.1　公式推导

通过以上分析可知,零坡度情况下,烟气逆流层长度与火源热释放速率、通风风速及隧道断面当量直径的关系符合以下规律:

(1)烟气逆流层长度与通风风速的自然对数值拟合符合直线关系,并呈递减变化。

(2)烟气逆流层长度与火源热释放速率的自然对数值拟合符合直线关系,并呈递增关系。

(3)烟气逆流层长度与隧道断面当量直径的自然对数值拟合符合直线关系,并呈递增关系。

已有研究证明[9]:当火源热释放速率较低时,临界风速与其1/3次方成正比。因此,可得以下烟气逆流层长度的一般关系式:

L=P Ln

QD

u3

(2)式中　L为烟气逆流层长度,m;

　u为通风风速,m/s;

　D为隧道断面当量直径,m;

　Q为火源热释放速率,M W;

　P为常数。

然后对不同火源热释放速率、不同通风风速情

249

　第3期赵望达等:铁路隧道火灾中烟气逆流层长度的研究　

况下的隧道模型进行数值模拟,结果见表2,拟合曲线如图9所示。

表2　不同火源热释放速率、不同通风风速情况下

的烟气逆流层长度

　Table 2　Smoke backf low under dif ferent f ire sources

power and ventilation velocities

火源热释放速率/M W

通风风速/(m ?s -1)

当量直径/m 逆流层长度

/m 5 1.08.7212410

1.4

8.7211015 1.88.728720 2.28.727025 2.68.724830

3.0

8.72

31

图9　烟气逆流层长度与相关参数的拟合曲线F ig .9　Fitting cur ve o f backflo w distances of smo ke and

related pa rameter s

将图9中获得的数据代入式(2)进行拟合,即可

推出烟气逆流层长度与不同火源热释放速率、不同通风风速的关系式:

L =62.47Ln 0.175QD

u 3

(3)

3.2　本文公式合理性分析

由烟气逆流层长度的定义及其变化规律可知,当逆流层长度为零时的通风风速即是所研究的临界风速。因此可推出临界风速与火源热释放速率、隧道断面当量直径的关系式:

u 0=0.559(QD )1/3

(4) 以往推出的烟气逆流层长度关系式,往往按指数关系拟合,公式中不存在逆流层长度为零的情况(文献[7])[10,11],这与实际是相悖的。而本文公式符合烟气逆流层长度与通风风速、火源热释放速率及隧道断面当量直径之间的变化规律,其推导是合理

的,且有所创新。

4　结论

以狮子洋隧道为工程背景,对不同火源热释放速率、不同通风风速、不同隧道断面当量直径及不同坡度情况下的隧道火灾进行了数值模拟。分析了隧道烟气逆流层长度的变化规律,并对模拟数据进行了拟合,得出以下结论:

(1)隧道烟气逆流层长度随通风风速的增大而减小,其与通风风速的自然对数值符合直线关系,并呈递减变化;

(2)隧道烟气逆流层长度随火源热释放速率增大而增大,其与火源热释放速率的自然对数值符合直线关系,并呈递增变化;

(3)相同通风风速情况下,烟气的逆流层长度随隧道断面当量直径的增加而增大,与隧道断面当量直径的自然对数值呈直线递增关系;

(4)对火源热释放速率为15M W 、不同坡度、不同通风风速情况下的隧道模型进行了模拟,结果表明:以风速2.2m /s 为分界点,当通风风速大于2.2m /s 时,相同通风风速情况下,随着坡度的增大,烟气逆流层长度有稍微增大的趋势;当通风风速小于

2.2m /s 时,相同通风风速情况下,坡度越大,烟气逆流层长度越小。

(5)本文推导的烟气逆流层长度与火源热释放速率、通风风速及隧道断面当量直径关系的公式是合理的,且有所创新。

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Study on Backflow Distance of Smoke under the Fire

Situation in Railway Tunnel

ZHAO W ang -da,Li Hong,XU Zhi-sheng ,JIANG Xue-peng

(College o f Civil &Ar chitectural Engineer ing ,Central So uth U niver sity ,Chang sha 410075,China )

Abstract :T aking Shiziyang tunnel as the backg round,the numerical simulatio n o f fire w as carried out un-der the conditions o f different fire sources pow er,different v entilation velocities,different slopes and dif-ferent equivalent diam eters.T he change law of backflow distance of smo ke in the tunnel w as analy zed,and the data of sim ulation was fitted.The result indicated that there are line relationships betw een backflow distance o f smoke and natural logarithm o f v entilation velocity,fire so urce po wer and tunnel equivalent diameter ,increasing or decreasing.The impact of slope o n backflow distance of sm oke weakened w ith the increase o f ventilation v elo city.And then,relational ex pression betw een backflow distance of sm oke and fire source po wer,ventilation velocity ,and equivalent diameter w as pro posed based on analysis of change law s of backflow distances of sm oke ,and backflow distance fo rmula was built up throug h data fitting .T he fo rmulas ’rationality and advantage were analyzed .

Key words :railw ay tunnel;fire;backflow distance of smo ke;inferential reaso ning for mula;numerical

sim ulation

251　第3期赵望达等:铁路隧道火灾中烟气逆流层长度的研究