一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法

本发明涉及隧道火灾烟气控制，具体涉及一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法。

背景技术：

1、隧道火灾严重威胁着隧道内司乘人员及消防救援者的生命安全，同时隧道火灾还会对隧道结构造成破坏引发二次事故，造成更大的生命财产损失。顶部重点排烟模式在公路隧道中广泛运用，但还是避免不了火灾的发生，严重影响人员疏散和有效救援。因此，如何更合理地优化设计隧道排烟模式显得极其重要。

2、点式排烟是一种新型的排烟形式，即在发生火灾后立即打开火源附近的排烟口进行排烟。点式排烟是利用隧道顶部排烟口排出隧道内的烟气，减少了排烟口开启数量，极大地提高了排烟系统的排烟效率。纵向通风是通过射流风机和隧道风机联合运行使得隧道中形成一定的纵向气流，烟气向通风下游侧流动，通风上游侧的环境参数能满足人员安全疏散要求。将单个大面积排烟口改为含多个排烟阀的排烟口，可防止排烟口易吸穿致排烟效率下降。

3、现阶段规范和实际隧道工程中，大多采用的是排烟口间距不超过60m、双向均衡排烟控制模式，存在间距小成本高、排烟口个数多漏风严重、控制模式复杂等不足。为了探讨排烟口间距突破60m时的必要性，亟待明确隧道纵向大间距点式排烟模式的烟气控制效果与合理性。

技术实现思路

1、为了解决背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法，对一些长度较长的隧道，可采取本发明新型纵向大间距点式排烟模式进行通风排烟，与传统模型比较，本发明所述的技术参数更优，能够降低隧道建设和运营成本，且可满足所述有效性评估模型。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1、提出隧道纵向大间距点式排烟模式的概念，采用火源上游侧纵向通风+下游侧精准开启1处纵向间距超过60m排烟口的新型隧道纵向大间距点式排烟模式，排烟口含有多个排烟阀；

4、步骤2、基于人员疏散安全和排烟有效性，构建以烟气蔓延范围、清晰高度处温度、清晰高度下方烟气毒性、清晰高度以上热辐射强度、排烟效率五个指标约束的隧道纵向大间距点式排烟模式的有效性评估模型；

5、步骤3、利用有效性评估模型，基于消防性能化设计思路，确定隧道纵向大间距点式排烟模式优化技术参数，当所有技术参数满足设计要求时，得出最佳通风排烟方案。

6、可选地，所述步骤2中，有效性评估模型为：

7、

8、式中，lc60表示烟气蔓延范围，l表示火源至开启排烟口距离，tz表示清晰高度处温度，cco表示清晰高度下方烟气毒性，ti表示清晰高度以上热辐射强度，η表示排烟效率。

9、可选地，所述步骤3中技术参数包括：纵向通风风速、最小排烟量、排烟口面积、排烟阀个数、排烟口间距。

10、进一步地，所述纵向通风风速vs的计算包括：

11、为抑制烟气逆流发生，需满足火源处断面纵向通风风速vs≥临界风速vc；

12、选择wu和bakar临界风速计算结果vc＝3.67m/s，故得纵向通风风速vs≥vc＝3.67m/s；

13、wu和bakar提出的临界风速计算公式如下：

14、

15、式中，vc表示临界风速，v″表示无量纲风速，q″表示无量纲火源释放速率，q表示火灾热释放功率，ρ0表示火场远区空气密度，cp表示空气定压比热，表示隧道水力直径，t0表示火场远区空气温度，g表示重力加速度。

16、进一步地，所述最小排烟量vemin的估算包括：

17、为将火灾烟气控制在火源与下游排烟口段内，下游重点排烟量ve需大于纵向排烟需风量qreq(f)且不小于烟气生成量vp，则排烟系统计算排烟量v计算为两者较大值即能将烟气最多限度排出；

18、即纵向大间距点式排烟模式最小排烟量vemin≥1.2v计算；

19、(1)烟气生成量vp：

20、重点排烟量采用轴对称型烟羽流的烟气生成量vp；

21、

22、

23、

24、式中，mp表示羽流质量流量，vp表示火灾烟气生成量，qc表示火源对流热释放速率，z1表示火焰限制高度，z表示燃料面到烟气层底部的高度，ρ0表示环境温度下气体密度，t0表示环境温度，cp表示空气的定压比热，t表示烟气平均温度；

25、(2)纵向排烟需风量qreq(f)：

26、纵向排烟的排烟需风量可按下式计算：

27、qreq(f)＝ar·vcr

28、式中，qreq(f)表示纵向排烟需风量，ar表示隧道净空断面积，vc表示临界风速；

29、根据公式计算得到轴对称羽流生成量vp＝184.2m3/s，纵向排烟需风量qreq(f)＝238.6m3/s，即得到计算排烟量v计算＝qreq(f)＝238.6m3/s，故最小设计排烟量vemin≥1.2v计算＝286.3m3/s，考虑排烟风机转化率影响，取设计排烟量为ve＝300m3/s。

30、进一步地，所述排烟口面积s总的估算包括：

31、排烟道内的设计风速不宜大于15m/s，排烟口的设计风速不宜大于10m/s，即排烟道内流速ud≤15m/s，排烟口流速ue≤10m/s；

32、可得s总≥ve/ue＝30m2。

33、进一步地，所述排烟阀个数的确定包括：

34、为防止单个排烟口易吸穿致排烟效率下降，将单个大面积排烟口改为含多个排烟阀的排烟口；

35、取排烟阀横向长度2.5m、纵向长度1.6m，则其面积s阀为4m2，排烟口面积不变，排烟阀个数a＝s总/s阀≥ve/(ues阀)＝7.5，即a≥8，a取整数。

36、进一步地，所述排烟口大间距的确定包括：

37、排烟口间距设置需对人行横通道起保护作用，故排烟口最小间距为250m；

38、每个排烟分区的长度不应大于1000m；

39、因此，排烟口大间距设置范围为250m～1000m。

40、进一步地，还包括对所述设计方法的验证优化，具体为：

41、(1)fds数值模拟部分：建立水下公路隧道模型，排烟口位于隧道顶板，火源设置在两排烟口纵向之间，选择公路隧道火灾最不利情况，设置不同工况来验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及优化研究证隧道纵向大间距点式排烟模式的关键技术参数(纵向通风风速、排烟阀个数、排烟口间距)，提取模型数据得到各工况参数的趋势和现象；

42、(2)根据所述有效性评估模型，对步骤(1)中提取到的各工况参数的趋势和现象进行分析对比，探讨不同参数变化对烟气控制和排烟有效的影响，从而验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及得到最佳纵向通风风速、排烟阀个数和排烟口间距。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计方法简单，评判指标新颖有效，验证优化合理，可根据隧道实际工程情况设置参数，适用于采用顶部点式重点排烟方式的不同尺寸隧道。本方法基于通风排烟策略有效性评估模型，验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及优化研究新模式的关键技术参数(纵向通风风速、排烟阀个数、排烟口间距)，得到的结果具创新性和实际工程意义。隧道纵向大间距点式排烟模式具有更高的火灾安全性，代表了未来隧道火灾烟控的新方向。