隧道火灾集中排烟模式下的排烟效率研究

排烟效率是衡量集中排烟火灾通风方案排烟效果的重要指标。为合理分析排烟效率的变化特性,结合某隧道集中排烟系统设计,借助CFD技术,对设置有排烟道的隧道进行了火灾烟气控制的模拟分析,研究了排烟阀开启个数、开口面积和设置间距对双向排烟和单向排烟两种集中排烟模式下不同排烟阀设置方案中总排烟效率和各个排烟阀的排烟效率的影响。结果表明,集中排烟模式可有效将火灾烟气排出隧道。当排烟阀对称开启时,双向排烟模式下,减少排烟阀开启个数,单个排烟阀的排烟效率升高,但总排烟效率降低;当开口面积较小时,增大面积,总排烟效率升高明显,继续增大开口面积时总排烟效率升高效果减弱;增大间距有利于隧道排烟。单向排烟模式下,当排烟阀开启个数较多或开口面积较大时,距离风机最远的排烟阀排烟效率降低,并出现烟流流出排烟道的现象,排烟阀失效,可考虑在非排烟侧开启少量排烟阀,增大间距,使总排烟效率升高。     

3%坡度盾构隧道集中排烟模式排烟阀开启方式的研究

为研究坡度盾构隧道集中排烟模式下排烟阀的最佳开启方式,依托江阴靖江长江隧道,选取水下盾构隧道最常见的3%坡度作为研究对象,采用理论分析、数值模拟等方法,对3%坡度、不同排烟阀开启方式情况下的烟气蔓延范围、排烟阀温度、排烟阀流速及排烟效率进行了分析。结果表明：3%坡度盾构隧道火源下游排烟阀在排烟系统中起关键作用,上游排烟阀的开启会降低排烟效率;随排烟阀开启组数减少和向下游偏移,排烟系统排烟效率明显增大,提升范围为12.66%～50.84%;建议3%坡度盾构隧道发生50 MW火灾时,若开启6组排烟阀,则上游1组下游5组,若开启5组排烟阀,则上游0组下游5组,若开启4组排烟阀,则上游0组下游4组。     

隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响研究

为了研究不同隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响,基于FDS数值模拟分析方法,结合不同隧道宽度和排烟量对隧道拱顶温度、烟气层厚度及排烟效率等参数进行分析。结果表明：在相同边界条件下,隧道越宽,拱顶纵向温度衰减越剧烈,纵向方向烟气蔓延长度越长;在不同隧道宽度下,排烟量越大,侧向排烟效率越高;排烟效率受隧道宽度的影响较大,在相同排烟量下,随隧道宽度增加,各排烟阀排烟效率及总排烟效率均呈递减趋势,隧道宽度从10 m增至20 m,排烟效率降低了18个百分点左右;在隧道宽度为20 m时,不同排烟量下排烟效率均在50%左右,表明隧道宽度在20 m以上时排烟效果相对较差,建议隧道宽度大于20 m时不宜采用侧向排烟方案。     

排烟风量变化对隧道集中排烟效率的影响

隧道集中排烟系统的排烟风量是影响火灾烟气抽排效果的关键参数.量化评价烟气抽排效果有利于排烟风机的优化选型.基于FDS的火灾燃烧过程的化学反应式得到隧道火灾烟气的质量生产速率,提出了排烟效率和排烟效能两个表征集中排烟系统烟控能力的计算公式.用基于大涡模拟的FDS软件对隧道火灾烟气进行数值模拟计算.对比研究表明,随着排烟风量的增大,机械排烟效率增大,机械排烟效能反而降低.风机排烟风量增大使多个排烟阀处发生吸穿现象,但风流短路并未降低整个排烟系统的排烟效率.根据研究结果给出了合理的风机排烟风量设计区间,确定三阳路道路隧道集中排烟系统的最佳排烟风量为170 m3/s,对应的排烟效率为96.3％.     

隧道挡风板对竖井自然排烟效率的影响研究

通过数值模拟研究了隧道内挡风板的设置对竖井自然排烟系统效率的影响,探讨了不同火源热释放速率与不同挡风板安装参数(挡风板高度、挡风板与竖井距离)下隧道火灾的烟气温度分布规律、流动规律及竖井自然排烟系统排烟效率。采用N系数法确定了烟气层与冷空气的界面,用于判断是否发生烟气层吸穿现象。结果表明,与无挡风板的工况相比,设置挡风板后,竖井排烟效率提升显著。设置挡风板对向下游方向运动的火灾高温烟气产生了一定的阻滞作用,使高温烟气在竖井下方蓄积,在一定程度上避免了竖井自然排烟系统出现烟气层吸穿现象。设置挡风板后,竖井的排烟效率随挡风板高度增加而增加,而挡风板与竖井间距离的变化对竖井排烟效率的影响较为有限。对于相同的火源热释放速率,竖井排烟效率与挡风板高度在一定范围内几乎成线性变化。建立了排烟效率与无量纲挡风板高度及无量纲火源热释放速率之间的经验公式,可对不同挡风板高度与热释放速率下的竖井自然排烟效率进行预测。     

大跨径隧道不同车道火灾对侧向集中排烟效率影响研究

为探究大跨径隧道不同车道发生火灾时的烟气流动特性及其对侧向集中排烟系统的影响,应用FDS软件探究了大跨径水下隧道火灾特性。首先,研究火源位于不同车道对烟气温度分布特征的影响;然后,分析隧道内烟气流动特征,得到火源位于不同车道时的隧道流场分布情况、烟气蔓延范围;最后,根据数值模拟结果计算不同车道发生火灾时侧向集中排烟系统的排烟效率。结果表明：火源不在隧道中心位置时,两侧的烟气温度分布不对称,近壁面一侧烟气温度高于远离壁面一侧的温度;火源靠近隧道侧壁时,近火源处的烟气将因惯性力的作用而产生涡旋;火源位于不同车道对横向集中排烟的排烟效率影响较大,火源距排烟口的横向距离越远,排烟效果越好,其主要原因是当火源远离排烟口时,烟气在纵向蔓延中不会产生强涡流以及烟气分流现象,从而提高了排烟效率。     

热障效应对有顶步行街自然排烟的影响

为了研究热障效应对有顶商业步行街自然排烟的影响,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对不同高度及不同环境温度条件下有顶商业步行街自然排烟时顶棚附近的温度、能见度以及排烟效率进行了分析。结果表明:顶棚附近环境温度越高,自然排烟效果越差,自然排烟效率随顶棚热空气温度的升高呈现线性降低趋势;步行街高度越高,竖直方向的温度差越小,到达顶棚的烟气流速越小,排烟效率越低;当顶棚附近环境温度为45℃时,有顶商业步行街高度不宜超过35 m。     

附加挡板集中排烟模式优化研究

为改善公路隧道集中排烟时产生的吸穿现象,优化传统顶部集中排烟模式,采用火灾动力学模拟工具(Fire Dynamics Simulator, FDS)建立全尺寸模型对附加排烟挡板的不同火源功率及排烟口尺寸隧道集中排烟模式进行探讨,对排烟口区域流场、温度场以及CO体积流量进行分析。结果显示：附加水平挡板能有效改善吸穿现象,挡板与排烟口尺寸比k达到1.5后能够起到较好的排烟效果;此时继续增加挡板尺寸对系统排烟能力提升有限,挡板在距排烟口0.3 m时,系统排烟能力最佳;此时发生完全吸穿现象的临界弗罗德数F_r=2.3,大于前人给出完全吸穿F_r=1.8的判据。     

隧道侧向排烟口尺寸对排烟效果的影响研究

为探明隧道侧向排烟口尺寸对排烟效果的影响,研究了不同隧道宽度与排烟口宽高比条件下排烟口温度分布.结果表明随着排烟口宽高比的增大,排烟口温度分布水平对称性逐渐显著.随着宽高比的增大,排烟口内烟气所占比例不断增大,排热效率逐渐增加.随着隧道宽度的增大,排烟口处烟气温度与烟气层厚度不断降低.当宽高比小于2/3时,排烟口排出气...     

低位排烟模式下小室火灾机械排烟效率的实验研究

对小室内低位排烟这一特殊模式开展了全尺寸实验,并对其机械排烟效率进行了研究.实验结果表明,低位排烟时小室内烟气层高度的界面比较低,通常处于连续火焰区.在低位排烟过程中,由于有大量的空气被排烟风机直接吸走,导致机械排烟效率大大降低,通常低于40%.低位排烟时的机械排烟效率随着火源功率的增加而增大,两者之间的经验拟合关系式比较符合指数关系.根据实验数据,发展了基于McCaffrey模型的机械排烟速率模型,得出了低位排烟模式下控制小室火灾烟气溢出的排烟风机风量随着火源功率和烟气层高度变化的半经验公式.     

轨顶排烟口对地铁地下车站火灾排烟效果影响研究

为了研究取消轨顶风口对地铁地下车站火灾防排烟的影响，采用CFD方法，针对全封闭站台门系统和全高站台门系统2种典型地铁车站，模拟车站公共区火灾和车站列车火灾发生时，有无轨顶风口对车站内排烟效果的影响。研究结果表明:针对车站公共区火灾，无论是全封闭站台门还是全高站台门系统，取消轨顶排烟口对公共区烟气温度、可见度、CO浓度等影响较低；但针对车站列车火灾，取消轨顶排烟口对公共区烟气温度、可见度、CO浓度均具有较大影响，排烟效果下降较多。     

上、下悬窗开启角度对排烟效果影响的研究

自然排烟窗有多种开启方式,开启方式的不同影响烟气的流动,进而影响排烟效率。通过数值模拟方法,研究了自然排烟窗的开启方式对排烟效果的影响。主要研究了上悬窗和下悬窗在排烟上的表现。通过对上悬窗开口角度的研究,发现了上悬窗主要排烟区域为两侧,且排烟效率跟开启角度正弦值有关,并在此基础上提出了一种提高建筑中上悬窗排烟效率的方法。而下悬窗的模拟结果则表明,开启大于23°时,排烟效果基本不受影响。     

竖井横截面积对隧道自然排烟效果影响的实验研究

在1∶6尺寸城市隧道实验台上开展了一系列试验,研究了不同火源功率、竖井横截面尺寸条件下隧道自然排烟竖井的排烟效果。结果表明,竖井的横截面尺寸直接影响竖井内烟气运动的驱动力大小,从而影响排烟效果。在一定的火源功率下,竖井横截面积过小时难以有效排出烟气,面积过大将会产生过于强烈的烟囱效应,导致排烟口下方空气被直接排出,排烟效果显著下降;竖井横截面积一定时,在不同的火源功率下,竖井放置方式同样影响竖井的排烟效果。     

地铁长大区间隧道火灾排烟模式有效性研究

为了研究地铁长大区间隧道火灾烟气控制模式,以国内某在建长大区间隧道为研究实例。选取了区间隧道内3个不同的位置作为列车着火位置,分别为每种工况设置不同的排烟送风模式。基于FDS软件进行仿真模拟,研究各工况下,隧道内顶棚温度、风速、流量的变化及隧道顶棚稳定温度纵向分布,获得了不同工况下的排烟效果。研究表明,根据区间内着火位置不同,采取相对应的排烟送风模式,使火灾烟气的蔓延得到了有效控制。     

基于多指标约束的隧道集中排烟量设计模型

利用经典羽流模型计算烟气生成量来设计隧道集中排烟系统的排烟量存在设计量偏小的问题。从火灾烟气控制效果出发,选取排烟效率、烟气蔓延范围、烟气流动速度、人员疏散微环境4个指标,提出一套隧道集中排烟系统的评价指标,构建基于多指标约束的隧道集中排烟量设计模型。通过FDS 5.0对某越江隧道火灾时的各评价指标参数值进行模拟计算,得到该隧道集中排烟系统在20MW火灾时的最适排烟量为140～150 m3/s。研究表明,利用多指标约束的排烟量设计模型可提高隧道集中系统排烟量设计的准确性。     

公路隧道纵向诱导风速对火灾烟气控制效果影响分析

针对某公路隧道采用集中排烟方式的工程实际,为了分析纵向诱导风速对隧道火灾烟气控制效果的影响规律,进而确定可能的火灾场景时的合理纵向诱导风速,采用火灾动力学模拟软件FDS构建了数值分析模型,并设计了相应的火灾工况.根据隧道实际交通流量、车辆类型及公路等级,确定了模拟火灾规模.分别分析了火灾规模为50 MW时隧道内不同火源位置(排烟阀打开段中部、上游1个/下游5个排烟阀、上游2个/下游4个排烟阀),不同排烟方式下(双向均衡排烟、上游端单向排烟、下游端单向排烟),不同纵向诱导风速情况时的隧道2m高处能见度、烟气蔓延范围及排烟效率,根据模拟分析结果,进而确定了不同火灾工况时的合理纵向诱导风速.结果表明:不同纵向诱导风速对集中排烟模式下烟气控制效果影响显著;特定火灾规模时,火源位置、排烟方式对合理纵向诱导风速的影响不大.     

隧道集中排烟模式下火灾数值模拟研究

运用火灾动态模拟软件FDS对采用独立排烟道集中排烟的隧道火灾进行了模拟.通过研究12种不同排烟阀开启方案下隧道内的烟气温度和蔓延规律,得出了排烟阀设置参数对集中排烟模式控烟效果的影响,提出了排烟阀设置的优化方案的参考参数.结果表明,排烟阀的开启个数、间距、单个面积等参数是共同作用影响隧道内的温度和烟气蔓延的.当排烟阀开启8个,间距25 m,单个排烟阀面积为8 m2或排烟阀开启6个,间距25 m,单个排烟阀面积为8 m2时,隧道排烟系统的控烟效果较好.     

排烟口间距对隧道集中排烟烟气层吸穿影响的模拟

吸穿现象的发生将降低隧道集中排烟效率。排烟口间距是影响烟气层吸穿的重要因素。以长22 m的1∶20缩尺寸集中排烟隧道模型为数值模拟研究对象。采用对称方式开启6个排烟口进行双向均衡排烟模式。比较了排烟口间距分别为3 m和2 m时的烟气蔓延范围、烟气层温度和厚度,分析了烟气层厚度、温度与排烟速率之间的关系。结果表明:排烟速率大到一定程度时会导致烟气层吸穿;排烟口间距越大,导致排烟口开始发生吸穿的排烟速率越小;同一排烟速率下,排烟口之间的间距越大,越远离火源的排烟口越容易发生吸穿。因此,为避免吸穿现象的发生,需选取合适的排烟速率及排烟口间距。