隧道黑烟控制纵向通风译文

隧道黑烟控制纵向通风隧道黑烟控制纵向通风 Prof W K Chow The Hong Kong Polytechnic University 香港理工大学 摘要摘要 在隧道中实行纵向通风系统达到控制烟流要进行两个方面的分析 第一方面是运行纵向通风系统后羽流空气夹带率的增加 第二方面是 对于易 燃物 由于提高了通风量即氧气供给量 结果会使热释放率随通风供给率增加 而增加 本论文可以通过计算流体动力学 CFD 应用验证研究 重点考虑在纵 向设计注意通风系统 1 01 0 引言引言 在香港特别行政地区 即将或已经建设了许多公路和铁轨隧道 1 在未 来几年内 即将兴建至少五个铁路隧道 预计总长度将超过 12 千米 纵向通风 系统通常被设计在在需要烟气控制等隧 中 这对于小横截面积的地下铁路隧道 是很适合的 因为在城镇分区有空间的限制 此外横向通风也很难安装 在这 种类型的通风系统中 空气从隧道的一端向火源出吹去 所以在隧道的这一段 烟雾就被阻止得到控制 通风系统排放的的空气速度 VLV 一定要高于一个关键值 Vc 有关的瓦顶棚 射流速率 这样在隧道中才不会出现逆流层 烟雾相对低风速产生回流 根 据经验可得 Vc 的有效值与隧道火源释放的热量 Qc 单位 W 和隧道的宽度 W 单位 m 存在以下的关系 Vc 0 0292 Qc W 1 3 1 例如 在 5m 5m 的隧道横截面上 5MW 火源的 Vc 值大小约 3ms 1 这意味 着纵向通风空气排出速度 VLV要高于 3ms 1 或空气排出量应至少为 73m3s 1 所 以设计这样大规模的空气供应系统不得不要考虑到许多实际问题 因为不仅在 选择合适的风扇难以取舍 而且在选择空气管道的预留空间也有难度 此外 还应考虑到以下两点 1 在运行这纵向通风系统后 空气流向火源的速率提升会产生很多烟雾 2 由于通风提供了大量的新鲜空气 会导致火源热量的释放增大而导致 Vc 增长 本文讨论了以上这两个观点 通过模拟计算流体动力学 CFD 进行证明这 一结论 2 02 0 提升烟气产生率提升烟气产生率 烟气产生率 ms是火源羽流空气携带率 ma和易燃气体产生率 mcp之和 Ms Ma Mcp 2 由于空气携带率远远大于易燃气体产生率 Ma Mcp 所以烟气产生率 Ms可以 近似等于空气携带率 Ma Ms Ma 3 对于自然通风条件下的火源 火源羽流的空气携带率 单位 kg s 1 与火线长度 P 单位 m 和隧道高度 y 单位 m 有以下关系 Ma 0 2Py1 5 4 如果设计的纵向通风系统以 VLV的速度通入空气 隧道是宽为 W 和高 H 的矩形截 面 那么对于密度为 air空气流速为 ai VLV W H 5 m 气流速度比 R 为纵向通风的速率和自然通风条件下流向火源的空气速率的比值 即 R 6 综合方程 1 和 4 得 R 7 0 16 2 3 1 3 1 5 对于一个 1m 1m 平面 净高 3m 的火区 其火线长度 P 为 4m 若空气密度 air为 1 1kgs 1 其空气携带率 ma4 2kgs 1 或者容积率为 4 6 m3s 1 一个 横截面 5m 5m 的隧道 其设定的火源为 5M W 那么纵向通风系统所需要的空 气流量至少为 73m3s 1 因此 当运行这纵向通风系统后 空气携带率或者烟气 产生率就会比自然通风情况下火灾时的要高 16 倍 大量火灾时产生的烟气会向 着隧道的另一个隧道口涌去 如果这是对一条双行铁路隧道 那么会发生什么 呢 另一辆火车会出现在隧道的另一端吗 3 03 0 提高放热率提高放热率 向着火源提高空气供给量会提高火源放热率 Qc 放热率可以通过耗氧量方 法计算 由于 4 76 mol 的空气中含有 1 mol 氧气 所以氧气浓度会以空气的进 气速率成正比 假设自然通风的放热率是 纵向通风的放热率为 Q R 8 对于上述的横截面为 5M 5M 的隧道 火源为 MW 而设计的纵向通风系统 可得 16 9 根据方程式 1 可知 通入空气临界速度应提高到操作纵向通风系统前的临 界速度的 2 5 倍以上 对于以上所举的横截面为 5m 5m 的隧道 Vc将从 3m s 提高 7 5m s 除非通风系统的控制范围大于 250 要不然不能阻止原先纵向通 风速率的回流效果 4 04 0 CFDCFD 模拟验证模拟验证 图 1 隧道断面模型 通过 CFD 模拟可以验证上述的结论 如图 1 中所示 设定一横截面为 5 m 5m 长为 2 0m 的隧道 隧道中央有 1 m 1 m 1 m 的 5M W 的火源 将隧道 各边分别沿 x 轴 y 轴 垂直 和 z 轴三个方向分为 3 9 1 5 和 1 3 等分 在 关键区域采用非均匀网格系统得到更多的单元格 使得在进行 CFD 分析得到的 结果更精确 本文选取 CFD PHOENICS 2 2 版软件作为该假定模型的模拟器 采 SUN Ultrasparc 微处理器 执行计算 a 空气速率 0 b 空气速率 1 m s 1 c 空气速度 3 m s 1 d 空气速度 5 m s 1 图 2 5 M W 火源的速度矢量图 a 空气速度 0 b 空气速度 1 m s 1 c 空气速度 3 ms 1 d 空气速度 5 ms 1 图 3 5MW 火源温度分布图 在图 2 a 图 3 a 和图 4 a 显示了在运行纵向通风系统前稳态环境下 即 未采取通风的条件下 空气速率 V 为 0 的火源燃烧生成烟气的速度矢量 隧 道内温度变化线和烟流线 从图中数据可以看出 燃烧产生的烟气直线上升至 隧道顶部 遇阻碍物后 烟流顺着隧道顶壁向四周扩散 隧道内温度也分布较 均匀 沿着烟流方向递减 图 2 b 图 3 b 和图 4 b 显示的是 空气以 1m s 1的速率从隧道左端入口 吹入即启动纵向通风烟气速度矢量 隧道内温度变化和烟流线的分布的结果 燃烧产生的烟气也会上升 由于受到从左边入口空气速率的影响 烟气大部分 向隧道另一端扩散去 但是纵向通风的风速不够大 一部分烟流会顺着空气速 度方向的反方向扩散 即出现逆流的结果 因此 这样的通风空气速度不能保 证烟气完全扩散到隧道的另一边 a 空气速度 0 b 空气速度 1 ms 1 c 空气速度 3 ms 1 d 空气速度 5 ms 1 图 4 烟流分布图 图 2 c 图 3 c 和图 4 c 显示了纵向通风系统以 3m s 1的通风速率进行通 风的烟气速度矢量图 隧道内温度变化分布和烟流线分布结果 根据方程式 1 可知此速度为 Vc 即烟气不会出现逆流层的临界速度 此时 燃烧产生的 烟气受到较大的空气速率影响 烟流向着隧道的另一端扩散过去 从而保证了 隧道进风口端无烟 达到了隧道通风的要求 图 2 d 图 3 d 和图 4 d 纵向通风的空气速度提高到 5m s 1时烟气的速度 矢量图 隧道内温度分布图和烟流线分布图的分析结果 从图 2 a 中 很明显 的看出 当通风速率达到 5m s 1时 大量的烟雾会受到通风空气速率的影响 被吹向隧道的另一端口 甚至于刚刚燃烧产生的烟气就被空气流带向隧道的另 一端口 从途中还可以看出 烟流 下游 接近隧道地面的烟流量 的烟气 浓度十分显著 这就是本论文所提到的观点 1 增大通风速率 会加快易燃物 的燃烧 生成更多的烟气 由于通风速率很大 使得烟气完全随着空气流排放 到隧道的另一端口 是增加空气羽流携带率的结果 a 速度矢量图 a 速度矢量图 b 温度分布图 b 温度分布图 c 烟流线分布图 c 烟流线分布图 图 5 纵向通风速率为 3ms 1 图 6 纵向通风速率为 5ms 1 4 MW 的火源环境分析 4 MW 的火源环境分析 如果设计的纵向通风系统排空气速率为 3m s 1 由于提供了足够的氧气输 入 促进燃烧 增大了热量释放率 所以这火源的热释放率将会提高到 40 M W 比原来高 8 倍 在图 5 中 显示的是火源环境下速度矢量图 隧道内温度 分布图和烟流分布图的分析结果 在图上可以明显的看到逆流层的分层效果 而当纵向通风系统以 5m s 1的空气通入速率运行时 就会如图 6 显示的一样 由于该条件下的通风速度已大于 Vc 所以在图中不能发现明显的逆流层出现 根据方程式 1 可知 对于一个 5M W 的火源 为了防止烟气在排放是发生逆 流现象 空气通入速率的关键有效值应该是本论文中分析案例的两倍左右 结 果分析可以了解到 以 5m s 1的通风速率足够可以防止火源产生的烟气逆流 5 05 0 总结总结 关于隧道通风 若要按本文介绍的纵向通风原理进行设计通风 那么就要 考虑到以下两点 1 应考虑燃烧时烟气产出率的提高 2 应考虑临界空气速率由于燃烧时放热率的增加而增加 以上这两点都可以通过 CFD 模拟软件模拟加以证明论证 由于面向社会公众的 的数据比较少 所以于实验没多大的可比较性 因此 在进行这