一种隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型的确定方法

本发明涉及隧道火灾烟气流动计算领域，具体涉及一种隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型的确定方法。

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。并且隧道内烟气在流动过程中与周围环境不断进行热交换，使得烟气的速度场和温度场发生变化，进而导致烟气在隧道内分别表现出不同的流动特性，随着隧道火灾研究的不断的深入，学者们不仅仅局限于对隧道通风方式研究，隧道排烟技术也作为保障隧道内安全的重要手段被广泛研究。隧道的建造位置一般处于山区或河道，并且结合其狭长的建筑特点，一旦在隧道内发生火灾，控制带有毒性的高温烟气就显得尤为重要，如若排烟不当就可能会造成人员伤亡。目前现有的排烟方式有纵向排烟、横向排烟和重点排烟，其中纵向排烟是长公路隧道的主要排烟方式。虽然重点排烟在新建的特长隧道、城市隧道中应用广泛，但是不同隧道规范中关于设计产烟量以及排烟口设置参数方面存在的差异，给研究人员在设计过程中带来较大的困惑。当火灾位置与隧道端部排烟风机的距离过长时，重点排烟模式下排烟口漏风严重、烟道阻力增加，导致风机性能下降，排烟效果变差。因此，研究隧道纵向大区段重点排烟口临界间距及卷吸系数是一个亟待解决的问题。

2、隧道火灾烟气蔓延全过程可划分为4个阶段，按顺序依次为火羽流上升阶段和撞击顶棚阶段(根据火源功率的大小和隧道断面形状的不同，可以分为烟羽流撞击和火焰直接撞击两种情况)、径向蔓延阶段、过渡阶段以及一维流动阶段。前三个阶段较短，故可将前三个阶段总质量流率看成一个整体，且将纵向长度忽略。根据《fire engineeringguidelines》：为保证人员疏散环境安全，远离火源处烟气层高度为2m处能见度应满足vz≥10m、温度应满足tz≤60℃，远离火源处烟气层高度为2m处的烟气层厚度为(h-2)m。故需要确保两个条件的情况下即可保证人员疏散环境安全。不同排烟方式下排烟口间距过大会使得烟气在蔓延过程中温度降低，热浮力减小，烟气易沉降，远离火源处烟气层高度为2m处有高温且有毒烟气的情况。故纵向大区段重点排烟模式中除了排烟口间距临界范围需要进一步探究外，影响人员安全疏散的烟气层高度也需进行研究。现有研究主要是针对排烟口间距不超过60m的重点排烟模式进行了研究，然而该排烟模式使得隧道内排烟口数量多、漏风严重，易导致排烟效果不佳，研究拓展性较为缺乏。

技术实现思路

1、为了解决背景技术存在的问题，本发明的目的在于基于火灾动态模拟器fds及实验方法建立一种隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型的确定方法，与以往研究比较，本发明所述的技术参数更能够克服了纵向排烟和常规重点排烟的缺陷，使火源上游侧无烟气存在且火源下游侧烟气被控制在较小范围。该模式融合了纵向排烟和重点排烟的各自优势：可将烟气就近排出，减小了纵向排烟模式下高温烟气对隧道内设备大范围的破坏；开启排烟口数量少、漏风量少、控制方式简单、可操作性强，提高了排烟的时效性。由此可见，纵向大区段重点排烟模式具有更高的火灾安全性且可满足隧道逃生人员研究需求。本发明通过理论和实验相结合的方式进行分析，选择烟气允许高度为2m且能见度vz≥10m、温度tz≤60℃两个条件作为关键性判据。然后，通过数值模拟分析不同火源功率和不同长度、宽度隧道内烟气层厚度变化情况，提出合理的隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型的确定方法，所述模型包括：

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8、当隧道高度大于6m时，隧道单向点式排烟口最小临界间距d1中卷吸系数β1取0-0.005内，最大临界间距d1*中卷吸系数β2取0.0188-0.025内；当隧道高度不大于6m时，隧道单向点式排烟口最小临界间距d2中卷吸系数β1取0.0075-0.01内，最大临界间距d2*中卷吸系数β2取0.025-0.04内；

9、其中，d表示隧道纵向大区段重点排烟口间距；d1、d1*分别表示当隧道高度大于6m时，排烟出口的最小和最大临界间距；d2、d2*分别表示当隧道高度大于6m时，排烟口的最小和最大临界间距；h表示隧道高度；w表示隧道宽度；l1表示自然排烟情况下烟气允许高度为2m且满足能见度不小于10米时，能见度处计算的火源一侧与排烟口的临界距离；l2表示自然排烟情况下烟气允许高度为2m且满足温度不大于60℃时，计算的火源一侧与排烟口的临界距离；l1*表示机械排烟情况下烟气允许高度为2m且满足能见度不小于10米时计算的火源一侧与排烟口的临界距离；l2*表示机械排烟情况下烟气允许高度为2m且满足温度不大于60℃时计算的火源一侧与排烟口的临界距离；b1表示自然排烟下烟气允许高度为2m且满足温度不大于60℃条件下的温度衰减系数；b2表示机械排烟下烟气允许高度为2m且满足温度不大于60℃条件下的温度衰减系数；v表示机械排烟情况下纵向通风风速；b表示火源半径；q表示火源功率。

10、可选地，所述式(1)按以下步骤确定：

11、步骤1、根据《fire engineering guidelines》：确定能保证人员疏散环境安全的条件：烟气允许高度为2m时能见度应满足vz≥10m、温度应满足tz≤60℃；故需要确保两个条件的情况下即可保证人员疏散环境安全；

12、步骤2、对隧道纵向大区段重点排烟的烟气自由蔓延作用时的烟气质量流率进行理论推导，明确单向点式排烟口临界间距范围的有效性影响公式；

13、对隧道纵向大区段重点排烟的烟气在机械排烟作用时的烟气质量流率进行理论推导，明确单向点式排烟口临界间距范围的有效性影响公式；

14、步骤3、采用火灾动态模拟器fds模拟设定不同隧道长度、宽度下不同火源功率情况，在火灾动态模拟器fds中沿隧道长度方向等距设置温度测量横断面，根据相邻温度测量横断面的温度计算沿程烟气温度，获得沿程烟气温度的变化与火源距离的关系曲线，根据隧道内竖向温度分布直观地反应烟气分层情况；

15、步骤4、改变隧道长度、宽度设定值，重复步骤3获得不同火源功率下各隧道长度、宽度下烟气厚度，在自然排烟和机械排烟两种不同卷吸系数下对烟气层厚度进行处理，得到式(1)所示的隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型。

16、优选地，所述模型还给定了隧道高度不大于6m时，最大临界间距下的温度衰减系数的取值：b1＝0.012，b2＝0.01。

17、一种隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型在优化设计隧道通风排烟中的应用。确定的不同排烟模式下的排烟口临界间距及推荐卷吸系数用于优化设计隧道通风排烟参数，防止人员逃生时视线被烟气遮挡，并且提出排烟效果更为优异的纵向大区段重点排烟方式。

18、本发明所述的技术参数更能够符合纵向大区段重点排烟方式，能够充分研究隧道烟气层厚度，且可满足隧道逃生人员研究需求，并为后续隧道内更好防排烟设施提供思考。

19、进一步地，还包括对所述方法的验证优化，具体为：

20、(1)fds数值模拟部分：根据《fire engineering guidelines》：为保证人员疏散环境安全，烟气允许高度为2m时能见度应满足vz≥10m、温度应满足tz≤60℃；故需要确保两个条件的情况下即可保证人员疏散环境安全；对隧道纵向大区段重点排烟的烟气自由蔓延作用时的烟气质量流率进行理论推导，明确纵向大区段重点排烟方式的排烟口临界间距范围的有效性影响公式；

21、(2)理论分析选择相关参数作为数值计算纵向大区段重点排烟口临界间距的关键性判据；然后，通过数值模拟分析不同功率和不同长度、宽度隧道内烟气流动参数变化情况，提出合理的隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型；最后，根据实验分析火源功率和不同隧道长度、宽度等因素对不同卷吸系数的影响，提出不同隧道推荐卷吸系数，便于工程设计人员直接根据隧道长度及设置的火源功率获得相符合的卷吸系数；

22、(3)实验模拟部分：根据所述模型，对步骤(1)、(2)中提取到的各工况参数的趋势和现象进行分析对比，探讨不同隧道长度、宽度及火源功率参数变化对隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数计算模型影响，从而集合实验验证隧道纵向大区段重点排烟口临界间距推荐卷吸系数；将方法的合理性、结合隧道长度宽度推荐卷吸系数的提出与传统烟气流程相比较更加细化，更能够优化研究效率，有利于人员逃生疏散救援方向的提出，且可满足研究人员对烟气流动区域的满足。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法简单，评判指标有效，可最大化的从减少排烟口数量、增大排烟口间距角度出发解决漏风问题，提出一种纵向大区段重点排烟模式，即火源上游侧纵向通风+下游侧精准开启一处排烟口(含多个排烟阀)。纵向大区段重点排烟确定方法克服了纵向排烟和常规重点排烟的缺陷，使火源上游侧无烟气存在且火源下游侧烟气被控制在较小范围。该模式融合了纵向排烟和重点排烟的各自优势：可将烟气就近排出，减小了纵向排烟模式下高温烟气对隧道内设备大范围的破坏；开启排烟口数量少、漏风量少、控制方式简单、可操作性强，提高了排烟的时效性。由此可见，纵向大区段重点排烟模式具有更高的火灾安全性。故发明人针对隧道纵向大区段重点排烟口大间距进行探讨，在保证人员疏散环境安全前提下，通过分析烟气自由蔓延、顶部排烟过程中质量流率，对最大、最小排烟口间距进行理论推导。推导出关于烟气层厚度与离火源距离的关系式，提出卷吸系数推荐值，定量隧道单向点式排烟口临界间距范围，为进一步研究隧道排烟设计提供新思路，得到的结果具创新性和实际工程意义。隧道长度及热释放速率对湍流混合沉降区的影响计算方法具有更高的研究效率，能够提高研究效率，且可满足人员对逃生疏散救援的研究。