复杂地下空间交通体系连接匝道烟气控制方案研究.pdf

收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 1;修改日期:2 0 2 2-0 8-0 9基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 8 7 4 2 1 3);湖北省重点研发计划项目(2 0 2 0 B C B 0 7 2)作者简介:姜学鹏(1 9 7 6-),男,山东平度人,博士,教授,研究方向为隧道及地下空间火灾动力学与防治。通讯作者:姜学鹏,E-m a i l:j x p 5 2 7 61 2 6.c o m 第3 2卷 第1期2023年3月火 灾 科 学F I R ES A F E T YS C I E N C EV o l.3 2,N o.1M a r.2023文章编号:1 0 0 4-5 3 0 9(2 0 2 3)-0 0 2 6-0 7D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 4-5 3 0 9.2 0 2 3.0 1.0 4复杂地下空间交通体系连接匝道烟气控制方案研究姜学鹏1,2*,张键鸿1,2,陈玉远3(1.武汉科技大学安全与应急研究院,武汉,4 3 0 0 8 1;2.武汉科技大学消防安全研究中心,武汉,4 3 0 0 8 1;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉,4 3 0 0 6 3)摘要:复杂地下空间交通体系作为新型地下交通形式,车流量大且存在多个分合流点,气流组织复杂,防灾排烟难度极大。以杭州某复杂地下空间交通体系连接匝道为研究背景,提出匝道通风排烟设计方法,再选取其中二合一式连接匝道结构,采用F L U E N T模拟其两种防灾排烟方案的有效性。模拟结果表明:两个连接匝道末端单独设置排烟口的设计方案可有效保证火源下游车辆和火源上游人员的逃生安全;根据分合流流速分配理论模型,在合流处只设置一个排烟口且排烟量提高4 0m3/s时,也可达到同样的防灾排烟效果,从土建成本考虑,推荐此方案,为同类型隧道结构提供借鉴。关键词:复杂地下空间交通体系;连接匝道;匝道防排烟;分合流;数值模拟中图分类号:X 9 3 2 文献标识码:A0 引言随着城市的发展,出现了包含市政主隧道、环形通道和连接匝道的新型复杂地下交通体系。其复杂性表现在各个分区段的车速、车型、截面尺寸和功能等均有很大差异。当它们组成一个交通体系时,车流量大、分合流点多且气流组织复杂,火灾时烟气易窜流,人员、车辆疏散困难,救援难度大。部分学者针对隧道交叉口位置火灾和匝道火灾进行了相关研究。李俊梅等1采用F D S模拟研究了城市隧道匝道与主隧道不同结构形式对烟气运动的影响,提出了当火源位于合流分岔段上游时,采用主道与匝道联合送风的防烟策略,并分析了不同分岔角对烟气分布规律的影响,以此优化多匝道城市隧道排烟系统。李博2以杭州紫之隧道为研究背景,研究分析了火源位于主道、匝道不同位置时的气流组织和人员疏散方案,同时通过网络通风理论计算,确定了不同排烟区段的风机配置方案。徐然等3采用数值模拟研究火灾时城市快速通道入口匝道反向通风模式下人员疏散的安全性;结果表明,火源位置距离匝道入口处较近时,直接采用反向通风模式能够保证人员安全疏散,反之则不然。刘琪等4,夏之彬等5将排烟效率作为隧道集中排烟系统的评价指标之一,以此提高隧道集中系统排烟量设计的准确性。关于匝道火灾的研究少之又少,且主要针对与地面连接的匝道火灾烟气对主道或人员疏散的影响,还没有内部连接匝道烟气控制策略的相关研究。同时关于排烟效率的研究也多是针对长直隧道重点排烟开启多个排烟口的情形下,将其作为其中一项控烟可行性判定指标。本文以杭州某复杂地下空间交通体系连接匝道为研究背景,提出匝道防灾排烟设计方法,再以其中二合一式连接匝道为例,采用F L U E NT数值模拟其通风排烟设计方案的有效性并推荐最佳设计方案,为同类型隧道结构合理选择通风排烟方式提供依据。1 匝道防灾排烟设计方法1.1 分合流流速分配理论模型1.1.1 分流(水平夹角0 9 0)图1 分流交汇处局部示意图F i g.1 P a r t i a l d i a g r a mo f t h ed i v e r s i o ni n t e r s e c t i o n如图1所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出连续性方程、能量守恒方程和动量方程如下:v3A3=v1A1+v2A2(1)P3+v322=P2+v222+v322(2)P3A3c o s+R2S2s i n-R1S1s i n-R3S3s i n-P2A2=A2v2(v2-v3c o s)(3)联立式(1)、式(2)、式(3)解得:v2=(c o s-c o s2+-1)v3或v2=(c o s+c o s2+-1)v3(舍掉)(4)由式(4)可知,当送风时,夹角越大,流入内的风速越小,若考虑烟气的影响,则流入的烟气量随着水平夹角的增大而减少,此时控制烟气侵入所需临界风速越小。1.1.2 合流(水平夹角9 0 Zl(9)Z1=0.1 6 6Q2/5c(1 0)Vp=MpTT00T=T0+QcMpcp(1 1)式中:Mp为羽流质量流量,k g/s;火源的对流热释放速率Qc一般取0.7Q,kW;Z1为火焰极限高度,m;Z为燃料面到烟气层底部的高度,m;Vp为烟气生成 量(m3/s);环 境 温 度 下 气 体 的 密 度0为82火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第3 2卷第1期1.2k g/m3;T为羽流的平均温度(K);环境温度T0取2 9 3K;空气的定压比热容cp取1.0 1 2k J/(k gK)。经计算可得烟羽流的平均温度T为4 8 5.8 5K,羽流体积流量Vp m a x为7 5m3/s。环境温度设为2 9 3K,空气密度设为1.2 2k g/m3。隧道壁的粗糙度设为0.0 2 5m,壁面设为绝热。排烟口轴流风机排烟量设置应不小于烟气生成量,其边界条件为v e l o c i t y-i n l e t,速度方向取负。根据D a n z i g e r和K e n n e d y1 3临界风速公式计算得匝道临界风速vc为1.7 3m/s,由射流风机提供,其截面设置为F L U E NT自带的模型F a n,并合理设置升压值P。其余隧道出入口设为压力出口p r e s s u r e-o u t l e t边界条件。2.3 设计方案与工况设置当连接匝道A或B发生火灾时,其中一种方案是在合流点左侧各设置一个排烟口,如图5(a)所示。考虑到此方案需开启两个排烟口,会增加施工成本,根据分合流流速分配理论,当其中一个匝道纵向通风时,交汇处形成一定的负压,另一个匝道会形成自然防烟风速,其次,随着纵向风速增大,烟气侵入非事故匝道所需临界风速变小,因此提出合流点开启一个排烟口的优化方案,如图5(b)所示,探究此方案可行性。图5 连接匝道A/B设计方案构造形式F i g.5 D e s i g ns c h e m e s t r u c t u r a l f o r mo f r a m pA/B 上游纵向通风将烟气全部吹向火源下游,将火灾烟气控制在火源与下游排烟口打开段内,下游重点排烟量设定需大于限制烟气逆流通风量且不小于烟气生成量,如式(1 2);由此可确定最小排烟量为1 3 0m3/s。具体工况设置如表1所示。VeAvc r且VeVp(1 2)式中,Ve为重点排烟量(m3/s),Vp为火灾烟气生成量(m3/s),vc为临界风速(m/s),A为隧道横断面积(m2)。表1 工况设置表T a b l e1 W o r k i n gc o n d i t i o ns e t t i n g序号火源位置排烟口设置方式排烟量/(m3/s)T 1连接匝道AT 2连接匝道B匝道末端单独设置排烟口1 3 0T 3连接匝道AT 4连接匝道B合流处设置单个排烟口1 3 0/1 6 0/1 9 0/2 2 0/2 6 03 结果与讨论3.1 断面风速分析截取稳定时刻连接匝道A/B火源前后断面风速图,如图6、图7所示。由图6、图7可知,通过设置射流风机参数,截取稳定时刻火源前后断面风速图,结果表明断面平均送风风速vs临界风速vc=1.7 3m/s,能有效限制火源处烟气逆流,保证火源上游人员安全的疏散环境。3.2 火灾烟气蔓延分析稳定 时 刻 各 工 况 烟 气 蔓 延 情 况 如 图8、图9所示。图6 连接匝道A火源前后断面风速图F i g.6 W i n ds p e e dd i a g r a mo f f r o n t a n db a c ks e c t i o n so f f i r e l o c a t i o no f r a m pA92V o l.3 2N o.1姜学鹏等:复杂地下空间交通体系连接匝道烟气控制方案研究图7 连接匝道B火源前后断面风速图F i g.7 W i n ds p e e dd i a g r a mo f f r o n t a n db a c ks e c t i o n so f f i r e l o c a t i o no f r a m pB图8 T 1/T 3工况稳定时刻烟气蔓延图F i g.8 S m o k e s p r e a da t s t a b l e t i m eo fT 1/T 3c o n d i t i o n s 由图8、图9可知:T 1/T 2工况烟气明显未越过排烟口,烟气很好地控制在排烟区段内,表明匝道末端各设置一个排烟口的方案是合理的;T 3/T 4有部分排烟量工况烟气侵入到非事故匝道,但随着排烟量增大,侵入非事故匝道的烟气量减少。是因为事故匝道采用射流风机纵向通风+排烟口排烟模式,当排烟口达到一定排烟量时,交汇处风速较大,根据分合流流速分配理论模型,烟气侵入非事故匝道临界风速较小,加上自然防烟风速,烟气才不会侵入非事故匝道。T 3/T 4不同排烟量工况均有部分烟气越过排烟口,甚至窜流至非事故区段,这是因为合流处设置一个排烟口时,在隧道横向范围内排烟口的占比较小,烟气经过射流风机的纵向作用以及匝道曲率的影响,高速烟气的顶部不能正对着排烟口,烟气热浮力不仅没能促进排烟,且排烟口抽吸力难以抵消烟气的惯性力。随着排烟量增大,排烟口抽吸力对烟气的控图9 T 2/T 4工况稳定时刻烟气蔓延图F i g.9 S m o k e s p r e a da t s t a b l e t i m eo fT 2/T 4c o n d i t i o n s制逐步加强,窜流烟气量逐渐减少。为了判断非事故区段人员临界安全是否满足要求,在越过排烟口的区域设置距隧道地面不同高度的温度测点,对比T 3/T 4不同排烟量工况排烟口附近温度场,结果如图1 0、图1 1所示。图1 0 T 1/T 3工况稳定时刻烟气温度图F i g.1 0 S m o k e t e m p e r a t u r e a t s t a b l e t i m e o fT 1/T 3c o n d i t i o n s03火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第3 2卷第1期图1 1 T 2/T 4工况稳定时刻烟气温度图F i g.1 1 S m o k e t e m p e r a t u r e a t s t a b l e t i m e o fT 2/T 4c o n d i t i o n s由图1 0、图1 1可知:随排烟量增大,不同高度越过排烟口烟气温度呈下降趋势;除了排烟量1 3 0m3/s,超过6 0的高温烟气大多漂浮在隧道顶部,2m清晰高度处温度均低于6 0,火灾下游段的车辆在发生火灾时继续向前行驶进行逃生,越过排烟口即可到达安全区域,结果表明非事故区段人员临界安全可满足要求,即排烟量大于1 6 0 m3/s时,可认为烟气蔓延距离LC6 0火源与排烟口距离L。3.3 排烟效率通过生成的C O2量和排出的C O2量表征火源的烟气生成量和烟气的排出量,将排烟口的排烟效率定义为单位时间内该排烟口排出的C O2量占C O2生成总量的百分数5。如下式(1 3)所示。=memp1 0 0%(1 3)式中me为排烟口单位时间排出的C O2量,k g/s;mp为单位时间内C O2生成总量,k g/s。各工况排烟量与排烟效率关系如图1 2所示。由图1 2可知:T 1/T 3工况排烟效率分别为9 9.1%和9 8.9%,远大于9 5%的判定标准;根据不同排烟量拟合出T 2/T 4工况排烟量与排烟效率的关 系 曲 线,由 此 可 知 当T 2工 况 排 烟 量 大 于1 4 6m3/s、T 4工况排烟量大于1 6 6m3/s时,排烟效率即可满足9 5%的判定标准,考虑工程实际,排烟量不应小于1 7 0m3/s。图1 2 T 1T 4工况排烟量与排烟效率关系图F i g.1 2 T h er e l a t i o n s h i po f s m o k e e x h a u s t a n ds m o k ee x h a u s t e f f i c i e n c yo fT 1T 4w o r k i n gc o n d i t i o n s4 结论复杂地下交通体系由多个部分区段组成,通过连接匝道相互连接,内部存在多个分合流点,气流组织复杂。为防止火灾时烟气在各部分间窜流,连接匝道烟气控制方案的有效性起关键作用。(1)根据连接匝道的构造形式,提出匝道火灾通风排烟设计方法,并应用于工程实例;以抑制烟气逆流临界风速、烟气蔓延范围和排烟口排烟效率作为控烟有效性判定准则,得到匝道末端各设置一个排烟口或合流处仅设置一个排烟口的方案均可有效保证火源下游车辆和火源上游人员的逃生安全;(2)相比于匝道末端各设置一个排烟口的方案,合流处设置单个排烟口仅需要提高少许排烟量即可同样满足防灾要求,从土建成本考虑,推荐单个排烟口方案;(3)本文提出的匝道火灾通风排烟设计方法可推广至同类型隧道合流结构,同时可为其排烟口布置提供借鉴。参考文献1李俊梅,尹晨晨,赵宇航,李炎锋,常军,李雁,隋婧.城市地下道路合流分岔路段烟气控制策略的优化研究J.中国安全生产科学技术,2 0 1 6,1 2(6):1 6 3-1 6 8.2李博.多出入口城市公路隧道烟流控制及人员疏散模式研究D.成都:西南交通大学,2 0 1 7.3徐燃,赵家明,王强华,吴金永,徐志胜.城市快速通道入口匝道火灾反向通风烟气控制研究J.消防科学与技术,2 0 2 0,3 9(4):4 7 8-4 8 2.4刘琪,姜学鹏,赵红莉,徐志胜,魏东.基于多指标约束的隧道集中排烟量设计模型J.安全与环境学报,2 0 1 2,1 2(1):1 9 1-1 9 5.5夏之彬,徐志胜,陈玉远,赵家明,应后淋.盾构隧道13V o l.3 2N o.1姜学鹏等:复杂地下空间交通体系连接匝道烟气控制方案研究顶部集中排烟模式下排烟阀组内间距研究J.安全与环境学报,2 0 2 2,2 2(3):1 2 6 5-1 2 7 4.6许为民,姜学鹏,陈欣格,陈慧.基于多目标约束的地铁长区间隧道排烟方案优化J.安全 与环 境学 报,2 0 2 2,2 2(2):7 1 8-7 2 4.7L i JSM,C h o w W K.N u m e r i c a l s t u d i e so np e r f o r m-a n c ee v a l u a t i o no f t u n n e l v e n t i l a t i o ns a f e t ys y s t e m sJ.T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 0 3,1 8(5):4 3 5-4 5 2.8B e n d e l i u sA G.T u n n e lf i r ea n dl i f es a f e t yw i t h i nt h ew o r l dr o a da s s o c i a t i o n(P I A R C)J.T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 0 2,1 7(2):1 5 9-1 6 1.9张娜,戴国平,郭光玲,马世杰.坡度隧道中烟气控制的C F D模拟研究J.公路,2 0 0 5(5):1 8 0-1 8 2.1 0V e g aM G,D i a zK M,O r oJ M F,T a j a d u r aR B,M o r r o sCS.N u m e r i c a l 3 Ds i m u l a t i o no f a l o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o ns y s t e m:M e m o r i a l t u n n e lc a s eJ.T u n n e l-l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 0 8,2 3(5):5 3 9-5 5 1.1 1C I B S E.G u i d eE:F i r ee n g i n e e r i n gZ.L o n d o n:P o r t-l a n dP r e s sL t d,2 0 0 3.1 2D i N e n n oPJ,B e y l e rCL,C u s t e rRLP,W a l t o nW D,W a t t sJM,D r y s d a l eD,H a l lJR.T h eS F P E H a n d-b o o ko fF i r eP r o t e c t i o nE n g i n e e r i n gM.2 e d,S o c i e t yo fF i r eP r o t e c t i o nE n g i n e e r sa n dN a t i o n a lF i r eP r o t e c-t i o n,1 9 9 5.1 3D a n z i g e rN H,K e n n e d yW D.L o n g i t u d i n a l v e n t i l a t i o na n a l y s i sf o rt h e G l e n w o o dc a n y o nt u n n e l sC/P r o-c e e d i n g so f t h eF o u r t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m A e r o-d y n a m i c sa n d V e n t i l a t i o no fV e h i c l eT u n n e l s,1 9 8 2:1 6 9-1 8 6.R e s e a r c ho nf l u eg a s c o n t r o l s c h e m eo f c o n n e c t i n gr a m pi nc o m p l e xu n d e r g r o u n ds p a c e t r a f f i c s y s t e mJ I AN GX u e p e n g1,2,Z HAN GJ i a n h o n g1,2,CHE NY u y u a n3(1.I n s t i t u t eo fS a f e t ya n dE m e r g e n c y,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 8 1,C h i n a;2.R e s e a r c hC e n t e ro fF i r eS a f e t y,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 8 1,C h i n a;3.C h i n aR a i l w a yS i y u a nS u r v e yA n dD e s i g nG r o u pC o m p a n yL i m i t e d,W u h a n4 3 0 0 6 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h ec o m p l e xu n d e r g r o u n ds p a c et r a f f i cs y s t e m,a san e wt y p eo fu n d e r g r o u n dt r a f f i c,h a sal a r g et r a f f i cf l o w,a n dt h e r ea r em u l t i p l es u b-m e r g i n gp o i n t s,c o m p l e xa i r f l o wo r g a n i z a t i o n,a n dc o m p l i c a t e dd i s a s t e rp r e v e n t i o na n ds m o k ee x h a u s t.B yt a k i n gt h ec o n n e c t i n gr a m po fac o m p l e xu n d e r g r o u n ds p a c et r a f f i cs y s t e mi n H a n g z h o ua st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d,ad e s i g nm e t h o df o rv e n t i l a t i o na n ds m o k ee x h a u s to nt h er a m pi sp r o p o s e d.T h et w o-i n-o n ec o n n e c t i n gr a m ps t r u c t u r ei ss e l e c t e d,a n dF L U E N Ti su s e d t os i m u l a t e t h e e f f e c t i v e n e s so f i t s t w od i s a s t e rp r e v e n t i o na n ds m o k ee x h a u s t i n gs c h e m e s.T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ns c h e m eo fs e p a r a t e l ys e t t i n gs m o k ee x h a u s tp o r t sa tt h ee n d so ft h et w oc o n n e c t i n gr a m p sc a ne f f e c t i v e l ye n s u r et h ee s c a p es a f e t yo fv e h i c l e sd o w n s t r e a mo ft h ef i r es o u r c ea n dp e r s o n n e lu p s t r e a mo ft h ef i r es o u r c e.W h e nt h e s m o k e e x h a u s t v o l u m e i s i n c r e a s e db y4 0m3/s,t h e s a m e e f f e c t o f d i s a s t e r p r e v e n t i o na n ds m o k e e x h a u s t c a na l s ob ea c h i e v e d.C o n s i d e r i n gt h ec o s to fc i v i lc o n s t r u c t i o n,t h i ss c h e m ei so p t i m i z e dc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r,p r o v i d i n gar e f e r e n c e f o r t h es a m e t y p eo f t u n n e l s t r u c t u r e.K e y w o r d s:C o m p l e xu n d e r g r o u n ds p a c et r a f f i cs y s t e m;C o n n e c t i n gr a m p;R a m ps m o k ep r e v e n t i o n;D i v i d ea n d m e r g e;N u m e r i c a l s i m u l a t i o n23火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第3 2卷第1期