隧道黑烟控制纵向通风译文

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1、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

2、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 5m5m 的隧道横截

3、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

4、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，MaMcp，所以烟气产生率 Ms可以 近似等于空气携带率 Ma：MsMa（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（

5、1）和（4）得：R= (7)0.162/31/31.5对于一个 1m1m 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 5m5m 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.

6、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 5M5M 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 5m5m 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

7、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 m5m，长为 2 0m 的隧道，隧道中央有 1 m1 m1 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-1c

8、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-1c 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

9、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-1c 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

10、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

11、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

12、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，在进行这个纵向通风系统设计时必须要注意，特别是对双线铁路隧道。以下几点是需要考虑的关键几点：有关乘客必须要明确一个清晰的逃生路线（通入空气的反方向为正确方向） 。由于隧道一般都比较暗，应该改善隧道内的照明效果预防发生火灾这种紧 急情况。对于地下隧道，应在地表面增加紧急出口数量。在隧道中提供便携式呼吸器和紧急照明应急措施。对于双向铁路隧道中，安装可以通过检测系统或固定的警报声而启动的隔 绝烟雾的窗帘。