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横向通风隧道防排烟试验研究
0引言
我们在一个小型隧道内进行了一系列的实验，研究了在通风隧道中，位于浮力源两侧的两个排气口之间的烟流的限制。我们的研究目的是量化阻尼器的形状和位置（相对于隧道轴）对横向通风系统性能的影响，包括全宽阻尼器的具体情况。为此，我们研究了阻尼器下游回流长度的范围、“临界速度”（抑制通风口的后层流下风）和烟雾分层的稳定性。结果表明，当阻尼器的宽度与隧道宽度相同时，风洞的减振效果最佳，在给定抽放流量的情况下，最大限度地减小了抽放后层流的影响，保证了烟气分层的稳定性。最坏的情况是在天花板侧面安装方形阻尼器，这种结构在达到限制条件之前扰乱了烟雾层的分层。随后，我们评估了设置在隧道天花板下游的固体屏障对烟雾传播的影响。结果表明，设置在天花板侧边的方形阻尼器能显著提高系统的效率，降低约束速度，提高烟气分层的稳定性。
1 介绍
火灾或隧道等密闭空间事故的后果可能是悲剧性的。在这些建筑物中，由于车辆的部件和材料(塑料、轮胎等)以及运输的所有有害物质(燃料、木材、纺织品、塑料等)，火灾会产生大量的有毒烟雾。这些烟雾会造成可见度的降低，从而导致吸入有害气体和有毒物质的使用者无法疏散。烟雾确实是隧道火灾中死亡的主要来源。因此，必须安装安全系统，以确保隧道使用者的良好安全条件和发生火灾时的应急服务。通风是扑救火灾和控制有毒烟雾在这些空间扩散的最重要系统之一。根据隧道内的交通方式(即单向或双向)和流量状况(即拥挤或不拥挤)，可将机械通风分为纵向通风和横向通风两种类型。
对于单向低交通量的公路隧道，需要纵向通风，并且设计为在与车辆交通相同的方向上产生纵向气流（图1a）。利用这一策略，烟雾和燃烧产物被推到火源位置的下游，以确保位于火灾上游的人员安全疏散，并便于救援力量的干预。相反，横向通风系统适用于长双向隧道或拥挤的单向交通隧道（图1b）。在这些情况下，纵向通风是不合适的，因为在这些情况下，将烟雾推向一个方向会危及隧道使用者。在横向通风的情况下，烟雾通过风门排出，风门通常位于天花板上，同时控制隧道内的纵向气流。通常追求两个目标：保持自然分层和将烟雾限制在隧道的有限段内，在该段内进行抽气。
目前纵向通风中的烟气控制一直是广泛研究的主题[2-5]，而横向通风方面的文献却很少。在后一种策略中，一个主要的流量控制参数被称为“临界速度”，定义为防止烟雾传播到抽气风门之外所需的最小反向速度，以及天花板通风口处的相关抽气流量。Vauquelin和Meacute;egret[6]在一个小型隧道内进行了火灾实验，该隧道配有两个位于火源两侧的机械排气管道，研究了不同的火灾放热率（HRR）下，它们的位置和形状对排气系统效率的影响。他们得出的结论是，无论管道的形状和位置如何，位于隧道顶部的横矩形管道比其他测试管道效率更高。Vauquelin和Telle[7]进行了另一项实验研究，在源头下游激活了一个通风口（并假设烟流相对于火灾位置是对称的）。他们评估了排气口下游的分层烟层长度和临界速度，以获得几个HRR值。然后，Vauquelin[1]使用相同的实验装置（但使用两个通风口系统）进行其他实验，以估计给定HRR所需的提取流量。Wang等人[8] 在有顶板开孔的隧道内进行了一系列的全尺寸燃烧试验，研究了自然排烟对隧道内烟气传播特性、天花板下速度场和温度场、烟层高度和回流距离的影响。
由于在实际隧道中进行此类火灾试验的成本较高且存在固有的困难，他们通过数值模拟将本研究扩展到包括隧道顶部不同竖井布置的其他火灾场景[9]。Ingason和Li[10]进行了一系列小型火灾实验，以研究单点提取系统和两点提取系统的效率。他们的结论是，在两点抽气的情况下，限制所有烟雾所需的诱导纵向速度较低。Fan等人[11]对竖井隧道火灾进行了实验模拟，定量分析了自然通风条件下堵孔对隧道排烟效率的影响。结果表明，由于竖井内的烟囱效应，在热烟层和冷空气层之间发生了高混合过程。Li等人[12]利用火灾动力学模拟软件（FDS）研究了隧道机械排烟下新鲜空气从底层直接进入排烟系统时发生的堵孔现象。这种现象是不可取的，应该避免，因为它大大降低了隧道火灾中的排烟效率[1,13–17]。近年来，进一步的实验研究[18–21]和数值研究[22–24]研究了火灾情况下抽气系统的防烟性能和效率，重点是排气口尺寸和火源位置[22]、隧道坡度[20]、排气口位置和形状[6]。
公路隧道的通风也可以通过结合横向和纵向通风系统来控制，这是隧道通风文献中最近考虑的一种方法。Lee等人[25]在小型隧道中进行火灾试验，以评估自然通风和纵向通风条件下排烟管道的性能。结果表明，自然通风方式比纵向通风方式具有更好的排烟效果，这是因为它能保护隧道内的烟气分层。Chen等人[26]在缩小规模的隧道中进行了实验，研究了纵向通风和仅在下游侧的天花板抽气口组合的隧道中，天花板抽气和热源之间的距离对热浮力烟反分层长度的影响。他们发现，随着天花板抽气口与热源之间距离的增加，烟层长度增加。Yao等人[27]考虑了火源上游有竖井的情况，以研究纵向通风隧道火灾中烟气反分层流的长度。实验结果表明，与没有竖井的隧道相比，竖井可以显著缩短烟气反分层流动长度。与Chen等人[26]以前使用的小规模隧道相同。在相同的通风系统下，Tang等人[28]进行了一系列实验，以研究浮力烟流分层的行为。他们发现两种通风系统的组合对烟气分层有很大的影响，气流形态可以分为不同的流型。
在这项研究中，我们提出了在一个比例模型隧道中使用横向通风控制烟雾的实验分析结果。隧道内的火灾烟雾是通过轻气体（空气和氦的混合物）的连续释放来模拟的，这种方法通过研究临界速度和反分层现象得到了巩固[29,30]。烟雾通过位于隧道天花板上的两个机械排气口排出，一个位于源的每一侧，与浮力源等距。如前所述，临界速度被定义为防止烟气从排气口下游流动所需的最小诱导纵向速度。当诱导纵向速度小于约束速度时，排气口下游出现烟气反层流。在排气口的下游边缘和烟背层的末端之间测量背层长度。我们测试了两种不同形状的抽气阻尼器，正方形和横向矩形（图3）。两个阻尼器具有相同的横截面积，矩形阻尼器几乎横跨隧道的整个宽度（图3a）。方形排气口放置在天花板的两个不同位置：第一个在天花板中心（图3b），第二个在天花板边缘（图3c），宽度约为隧道宽度的三分之一。我们的工作重点是测量烟气反分层长度、确定临界速度以及根据源条件和抽气流量提供分层定性信息的可能性。目的是比较不同排气口的结果，以评估先前定义的参数（即排气挡板的形状和位置）对排烟系统性能的影响。分析完成后，我们通过将屏障固定在隧道顶部（每个挡板的下游）来测试固体屏障对烟雾限制的影响。在全尺寸隧道中，这些屏障被设计成可移动的，仅在发生火灾时才会部署。已经研究了这些障碍物对纵向通风隧道中漂浮烟雾传播的影响[31]。结果表明，即使在通风速度较低的情况下，大的障碍物也能阻止烟源下游的烟气回流层。本文的目的是研究它们对约束速度和浮力烟层分层的影响，以确定它们是否能提高排烟系统的效率。
2 实验装置和测量技术
2.1 缩尺模型
火灾模拟实验是在里昂中央理工学院（图2a）的海洋与声学实验室（Mecanique des Fluides et Acousticue）实验室（LMFA）开发的1/25缩尺模型风洞中进行的。实验装置的示意图如图2b所示。模型隧道是矩形截面的通道。长8.4米，宽0.36米，高0.18米。火灾引起的烟雾是由轻气体（空气和氦的混合物）释放到周围空气中模拟的。空气和氦的流量由两个流量计控制和测量。这两种气体在长管道中充分混合，并在注入增压室之前注入雾化油。在流量计控制下，用于播种油颗粒的空气流量很低，因此不会影响混合物的密度[35]。然后通过放置在地面隧道中心的直径Di=0.1 m的圆形源注入混合物。隧道的侧壁由透明钢化玻璃制成，能够在二维纵向平面上显示漂浮液体（种子中有颗粒），该平面由隧道入口箱处的透镜发射的激光束照亮。
隧道在天花板上设置两个阻尼器，每侧一个，并与源头设置相同的距离（即5H，H为隧道高度），每一个都连接到一个机械排气扇，两个风扇都是远程控制的，它们的转速通过连接到每个风扇上的电位计来调节。每台风机产生的抽气气流范围为5-150 msup3;/h。假设一个无限长的隧道，挡板位于距离10H的地方，通过将两个排气口之间的面积（即10 h x h x 2 hasymp;0.117 m3）作为参考，每台风机产生的抽气速率在“每小时换气次数（ACH）”范围内从43到1286每小时。
使用两种不同形式的阻尼器进行这些试验，正方形“SSD”（图3b、c和a）和横向矩形“RSD”（图3a），具有约0.011msup2;的相同表面积。它们的尺寸分别为0.104m~0.104m和0.32m~0.034m。对两个不同位置的方形阻尼器进行了测试，第一个位置在中心，称为“SSD-PC”（图3b），第二个位置在隧道天花板的一侧，称为“SSD-PS”（图3c）。
减震器设计为易于安装在隧道天花板上，带有固定连接（8个螺钉）。在每侧，使用转子流量计（见 2.3），量程为6.4–64 msup3;/h（高流量为16至160 msup3;/h），测量通过排气管的抽气流量。安装在阻尼器和转子流量计之间的喷嘴特别有助于确保转子流量计入口处的流速均匀，以避免转子流量计内旋转浮子的波动。浮子在线性刻度上的位置表示通过转子流量计的流量。然而，烟流的密度比空气的密度低，因此需要根据烟流密度对测量的流量进行校正。为此，在每个转子流量计上方放置一个校准的氧传感器，以测量排气烟流中的空气浓度。在氧传感器之前放置一个蜂窝状气缸，以保护氧传感器不受可能降低其测量值的油颗粒的影响。
为了研究障碍物对烟传播的影响，我们考虑了两个在我们最近的工作中使用的大障碍物[31]。其高度为H=h/4和H=h/3，其宽度等于隧道宽度。屏障是实心的，可承受烟气流动力和诱导的纵向气流力。对于每种情况的阻尼器，两个屏障固定在隧道的天花板上，一个在震源的每一侧。如图4所示，屏障（透明以使烟雾可见）位于阻尼器的正下游。其目的是通过比较有障碍物和无障碍物时的结果，评估它们在提高横向通风系统效率方面所能提供的额外效益。请注意，在实际的隧道中，这些屏障设计为可移动的，仅在发生火灾时才会部署。
2.2 流量控制参数及相似性
按照小规模实验的惯例，隧道内的火源是通过注入轻气体（氦和空气的混合物）来模拟的[32,33]。如Jiang等人 [32] 所示在纵向通风隧道的实验中，如果火焰的大小不超过隧道的半高，则可以认为这些密度羽流可靠地再现了火灾产生的烟雾行为。当然，采用这种方法，我们将完全忽略由隧道壁传导或辐射传热引起的任何动态和热效应[1]。
在确定隧道几何参数（高度H和宽度W）的同时，考虑了无限长隧道内的横向通风系统。我们可以断言，烟背层的延伸L可以依赖于源参数（即源的直径、浮力气体释放的速度和密度）和诱导的纵向速度U0[30,34]，以及排气口的几何参数（即横截面积、形状和位置）。采用基本尺寸参数[32,33]，假设扩散效应可以忽略不计，则后层的无量纲长度可以表示为：
式中，为环境空气密度，Gamma;i=5/4alpha;pi;*Bi/DW 3为“羽流理查森数”，alpha;=0.12为“顶帽”卷吸系数[36]的参考值，式中
是浮力通量，g为重力加速度，为混合物在源头的总体积流量。注意浮力通量可通过以下关系直接与等效热释放率（）相连：
式中，是环境空气温度，是比热容（假定常数）。
由于临界速度被定义为引入零后分层长度，从（式（1））我们可以写出
先前的研究[30,35]表明，考虑到高度浮力释放，即对于Gamma;igt;1，关系（式（1））和（式（4））可以高度简化。在这些条件下，反分层长度和约束速度对单个源参数（如源的直径、浮力气体释放的密度和出口速度）没有明显的依赖性。这些参数只影响源浮力通量（式（4））的变化。因此，在这些条件下（式（1））减少到：
=U0/的弗劳德数，表示通风流产生的惯性力与源处浮力喷射产生的浮力之比。关系式（式（5））有时表示为“隧道理查森数的函数。在本研究中，我们将忽略阻尼器开口面积的依赖性，在这种情况下（式（5））将减少为：
这意味着临界弗劳德数
是排气口形状和位置的函数，即
由（式（6）和（式（8））表示的依赖关系的确定构成了我们的研究对象。
请注意，从（式（7））我们可以得到，约束速度可以与浮力通量（这意味着火焰羽流仅由其浮力通量表征）相关，因此与热释放速率相关。
2.3 转子流量计和氧传感器的校准
转子流量计是一种测量流体体积流量的装置，它由一个锥形管组成，管内有一个旋转浮子，浮子由流体的阻力向上推，重力向下拉。由于阻力取决于流体密度，就我们的目的而言，流量计刻度需要考虑气体密度的变化进行校准，以提供参考空气密度的流速（由转子流量计指示）与任何气体混合物的实际流速之间的关系。为此，在另一个试验装置（图5）中进行试验，该装置由两个流量计组成，独立控制空气和氦气的流量；一个长管，确保空气和氦气的良好混合；一个转子流量计，用于流量测量；两个氧传感器，用于测量混合气体中的氧气浓度。
在不同的密度比下进行试验，其中，/ = 0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1。对于密度比的每一个值，用130 L/min到700 L/min（即8 msup3;/h到42 msup3;/h）的混合速率（qi）校准转子流量计。气体混合物的密度是通过放置在转子流量计下游的电化学传感器测量氧气浓度来估计的。该浓度与电压值相关，由Arduino板（Arduino UNO-DIP REV3）采集并显示在数字屏幕（Grove-LCD RGB背光）上。校准了两台测量范围分别为6.4–64 msup3;/h和16–160 msup3;/h
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