一種板-豎井耦合排煙方法及其影響機制研究.pdf

1、為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對交通運力提升的迫切需求，以及緩解日益嚴峻的日常交通壓力，越來越多的公路隧道不斷涌現(xiàn)并被投入使用。由于隧道的狹長結構特點，一旦發(fā)生火災，高溫有毒有害煙氣會沿著頂棚向隧道兩端蔓延?；馂漠a(chǎn)生的煙氣若無法及時排出，煙氣會在隧道頂棚積聚，導致隧道煙氣濃度及煙氣層厚度的增加，嚴重影響火災救援及疏散逃生。因此，需要在隧道內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，一種是采用軸流風機進行送風的機械排煙系統(tǒng)，一種是采用

2、項部開口或垂直豎井的自然排煙系統(tǒng)。機械排煙系統(tǒng)由于安裝及維護成本高，且啟動后會造成火源下風向煙氣層紊亂，加重火源下風向的受災群眾救援逃生難度等問題廣受詬病。因此，排煙性能穩(wěn)定、建造成本低且不需要后續(xù)維護的自然排煙豎井受到了國內外學者的廣泛關注。然而，豎井型自然排煙系統(tǒng)也有其劣勢，排煙過程中伴隨出現(xiàn)的吸穿現(xiàn)象和邊界層分離現(xiàn)象，導致豎井型自然排煙系統(tǒng)性能較低，嚴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、揭示其影響機制并提出推薦設計方法，無疑具有較高的科學意義和實用價值?；诖?，本文提出了一種板-豎井耦合的自然排煙方法(Board-coupled shaft，BCS)，研究揭示了火源功率、通風條件、薄板尺寸、薄板安裝位置及火源位置等對其排煙性能的影響機制，并給出了相應的推薦設計參數(shù)。開展的主要研究工作包括:
　　一、搭建了1∶15縮尺度隧道模擬實驗臺，并在此試驗臺上開展了火災煙氣在隧道頂棚蔓延特性的研究。通過文獻調研，前人在

4、研究頂棚煙氣運動特性時采用的燃料種類繁雜，但前人并未考慮燃料燃燒特性對煙氣運動特性的影響。此外，在之前的實驗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構差異導致的排煙補風模式上的差異。本文通過縮尺度隧道模型試驗，研究了燃料種類對隧道頂棚煙氣溫度和速度分布的影響。研究結果表明: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，建立了基于甲醇火和

5、柴油火的無量綱頂棚煙氣速度預測模型。
　　二、開展了Fire Dynamic Simulator(FDS)全尺度隧道數(shù)值模擬實驗，研究了傳統(tǒng)豎井的排煙模式和排煙特性。通過改變火源熱釋放速率及縱向風風速，研究了火源熱釋放速率及縱向風對傳統(tǒng)豎井排煙性能的影響。結果表明: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，當隧道內有縱向通風時，豎井吸穿現(xiàn)象會得到抑制，但同時邊界層分離現(xiàn)象也會得到強化。隨著縱向風風速的

6、增加，傳統(tǒng)豎井排煙能力整體呈現(xiàn)下降趨勢;但當縱向風速較小時，縱向風有助于傳統(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。針對傳統(tǒng)豎井排煙過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風速對BCS排煙性能及豎井內部流場分布情況的影響，模擬結果驗證

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BCS排煙性能影響較大。在本文測試的工況中，當hD=0.45m時，BCS排出CO的量約為傳統(tǒng)豎井的1.55-1.61倍。除此之外，當隧道內有縱向風時，BCS排煙能力隨著縱向風增加而減小。
　　四、通過開展縮尺度隧道模型實驗研究了薄板尺寸，薄板安裝高度以及火源與豎井相對位置對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排煙時豎井及隧道內部的流場圖像。通過對實驗結果的分析，揭示了薄板尺寸以及薄板安裝位置對BCS排煙性能的影響。此外，基于相關理論分析，得出了BCS排煙機理及模式。研究結果表明:BCS排煙過程受煙囪效應和堵塞效應共同控制，因此在使用BCS時，需要對薄板尺寸、厚度及安裝位置進行謹慎選擇。此外，研究結果表明: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BCS進行設計安裝時需考慮兩相鄰豎井的有效距離。最后，基于