H型隧道烟气流动与防排烟性能的热烟实验研究

0 引言

随着我国城市轨道交通建设快速发展[1]，隧道火灾危害最大的是隧道内烟气扩散造成的人员伤亡，对隧道烟气流动的研究已成为轨道交通安全的研究热点[2-3]。由于隧道地形复杂，结构特殊等特点，目前关于隧道火灾方面的研究多集中在缩尺实验和数值模拟方面[4-9]。2007年，王彦富等[6]以全尺寸隧道为平台，对拱顶附近烟气最高温度等进行研究，国内外对H型隧道的热烟实验还较少。本文采用以甲醇油盘为火源，辅以发烟饼为烟气示踪标记物的热烟实验,对H型隧道烟气流动与防排烟性能进行研究，为H型隧道防排烟设计提供了科学的实验依据。

1 H型隧道热烟实验环境

H型隧道布局如图1所示，全长75 m，截面为圆形，直径2 m。两条相邻隧道之间在37.5 m处设一条交互通道，可任意开启或关闭。在H型隧道尽头分别布置4组轴流风机，2#、3#、4#风机向隧道内送风，1#风机从隧道内排烟，风机呈两排上下布置，如图2所示。1#隧道内在距隧道顶端0.5 m处每隔7.5 m布置一支温度传感器，分别为T1～T9。

图1 H型隧道布局

图2 隧道尽头风机组布局

2 H型隧道热烟实验过程

实验1：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.7 MW热烟自由蔓延实验。

实验2：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.7 MW热烟实验，1 min后开启并调节1#风机组上排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为1.0 m/s。

实验3：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.70 MW热烟实验，1 min后开启并调节1#风机组上排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为1.2 m/s。

实验4：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.7 MW热烟实验，1 min后开启并调节1#风机组上排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为1.5 m/s。

实验5：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.7 MW热烟实验，1 min后同时开启并调节1#风机组上排风机和下排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为2.0 m/s。

实验6：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.7 MW热烟实验，1 min后开启并调节2#风机组上排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为1.2 m/s。

实验7：在1#隧道内距右端40 m处放置火源，进行0.7 MW热烟实验，1 min后开启并调节1#风机组上排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为1.2 m/s，当烟气蔓延到2#隧道时，开启3#风机组和4#风机组进行对向加压送风。

各实验工况情况如表1所示。

表1 实验工况实验编号交互通道状态火源功率/MW开启风机位置平均排烟风速/(m·s-1)1开启0.7无0.02开启0.71#上排1.03开启0.71#上排1.24开启0.71#上排1.55开启0.71#上排,1#下排2.06开启0.72#上排1.27开启0.71#上排,3#,4#1.2

3 H型隧道热烟实验结果

3.1 排烟风速对烟气流动影响的实验

实验1过程中，热烟自由蔓延过程中，隧道内逐渐充满烟气，烟气无明显分层，如图3所示，目测烟气蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9组温度数据，如图4所示，由图可得：热烟自由蔓延实验初期烟气迅速升温，之后烟气温度达到稳定阶段，最后由于油盘中的燃料逐渐耗尽，火灾功率变小，烟气温度随之下降。环境温度随距火源距离的增加而降低，距火源最近的测点温升最高。

图3 实验1时1#隧道内烟气蔓延情况

图4 实验1等高度测点温度

实验2过程中，开启1#风机组上排风机，使隧道内37.5 m处平均排烟风速为1.0 m/s后，隧道内逐渐充满烟气，烟气无明显分层，如图5所示，目测烟气蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9组温度数据，如图6所示，由图可得：烟气温升的趋势类似于热烟自由蔓延实验，初期烟气迅速升温，之后烟气温度达到稳定阶段，最后由于油盘中的燃料逐渐耗尽，火灾功率变小，烟气温度随之下降。对比实验1和实验2：风机与火源之间的T6～T9测点(以下称“近风侧测点”)烟气温升与实验1趋同，距离风机较远的T1～T5测点(以下称“远风侧测点”)温升比实验1有降低趋势，但在800 s时温度出现明显升高，分析由于排烟风机的启动，部分烟气向近风侧移动，导致远风侧烟气温度有所降低，但由于实验2的风机排烟能力不足，导致后期烟气产生向远风侧回流现象，因此在800 s时远风侧测点温度出现明显升高。

图5 实验2时1#隧道内烟气蔓延情况

图6 实验2等高度测点温度

实验3过程中，开启1#风机组上排风机，使1#隧道内交互通道处平均排烟风速为1.2 m/s后，隧道内近风侧和远风侧烟气出现明显分层[7-9]，如图7所示，目测少量烟气蔓延至2#隧道。采集1#隧道9组温度数据，如图8所示，对比实验1～3分析可得：实验3烟气温升趋势明显不同于热烟自由蔓延实验，初期烟气迅速升温，之后烟气温度呈下降趋势。实验3的烟温峰值比实验2明显降低，这时远风侧热烟气与空气分层明显，高温烟气集中在隧道上半部分，远风侧隧道下半部分可用于人员逃生。

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