分岔隧道火灾烟气运动特性与排烟策略研究

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随着我国交通行业的飞速发展,城市内交通网络也变得愈加复杂。当城市地下道路与地面路网或地下交通枢纽、其它地下道路相连,将会形成分岔隧道。我国隧道通风排烟普遍采用纵向通风排烟方式,其中临界风速确定和隧道内压力平衡计算是隧道通风排烟系统设计的关键,而在分岔隧道中由于存在隧道截面变化和渐扩段等特殊结构,烟气流动和压力变化就显得尤为复杂。因而,亟需对分岔隧道内通风排烟的关键参数与策略进行系统分析。本文首先研究隧道宽度以及隧道渐扩段对隧道内通风系统的影响,利用Fluent模拟隧道火灾工况。引入有效风速概念,分析隧道宽度以及隧道渐扩在不同火源功率下对临界风速的影响,并与小尺寸实验结果进行对比。分析了不同火源功率、不同通风速率、隧道宽度和隧道渐扩对火风压的影响,并推导了火风压关于隧道宽度、火源功率和通风速度的公式。其次,利用Fluent模拟分岔隧道渐扩段火灾以及隧道分岔后隧道火灾工况,分析了不同隧道分岔角对临界风速和火风压的影响,得到了各个火灾工况下隧道排烟系统设计的要求。最后,针对紫金港西线分岔隧道,根据研究的临界风速和火风压规律,在考虑火风压和临界风速的情况下进行三段隧道内的通风压力耦合计算,确定运营通风和火灾工况下的风机需求,完成对分岔隧道的通风排烟系统设计,并分析火源位置对最佳排烟策略的影响,确定最佳排烟方式。主要结论如下:(1)等截面隧道内,火风压中火区绕流阻力和热烟摩阻增量两项会随着风速的增大而相互作用。导致火风压会先随风速的增大而增大,到达一个峰值后随着风速增大而减小,最后当风速增大到临界风速后趋于稳定的数值;并且随着隧道宽度的增大,通风速率对火风压的影响逐渐减弱;渐扩隧道的火风压变化规律与等截面隧道相似,但渐扩隧道烟气回流中断面宽度逐步减小,速度增大,烟气惯性力增加,火风压相比等截面隧道更大。(2)在隧道小角度分岔(0~15°)下,是否存在分岔以及具体的隧道分岔角对临界风速的影响不大,但隧道分岔角越大,热烟气摩阻增量越小,其火风压数值越小;相比渐扩隧道,分岔隧道由于分岔的存在,带来的突扩导致烟气摩阻增量更大,需要更大的风压;分岔隧道渐扩段处的火风压数值并不大,因此分岔隧道渐扩段火灾时,更应注意的是由于渐扩段有效风速减小带来的影响;分岔后主、支路火灾时,由于火风压存在于分岔后隧道,火风压会明显影响烟气的分流,改变分岔隧道内的压力平衡状态。(3)火灾工况时,需要充分考虑临界风速、火风压、火源位置对隧道内压力平衡耦合计算的影响;当分岔前主路发生火灾时,只要确保分岔前主路的风机开启,以达到分岔前主路渐扩段发生火灾的临界风速,即可有效抑制烟气的回流;火灾发生在分岔后主、支路时,在开启分岔前主路风机排烟的基础上,再开启火灾段风机进行共同排烟,即可有效抑制烟气的回流。
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