长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法与流程

1.本发明涉及隧道排烟技术领域，特别涉及一种长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法。


背景技术：

2.地铁隧道火灾主要具有以下特点：人员疏散困难，由于土建成本等原因，隧道空间狭小，尤其是在浓烟状态下容易发生拥挤踩踏事故。地铁由于其出入口相对较少，空气不流畅，导致火灾时所生成的烟气浓度较大，毒性较强。总结以往的火灾案例可以看出，隧道的通风排烟效果尤为关键。
3.在地铁隧道中，排烟口作为隧道内通风排烟系统中的关键部分，学者们围绕排烟口的排烟效率、烟气扩散等问题，采用理论分析、数值模拟和模型实验等手段进行了研究。江荷等利用fds模拟了在半横向通风排烟模式下，列车在隧道中部发生火灾时排烟口数量对排烟效果和人员疏散的影响；邱永海等采用数值模拟得出了火源位置横向分布对半横向通风系统排烟效果几乎没有影响，而排烟口分布对火灾烟气的蔓延影响较大的结论；利用fds数值仿真，梁园等研究了隧道内侧向排烟口的宽高比与排热效率之间的关系，即随着排烟口宽高比的增大，排烟口内烟气所占比例不断增大，排热效率逐渐增加。针对某半横向式通风隧道，许少刚等通过搭建实验平台研究了排烟速率、排烟口尺寸和排烟口宽高比对火灾中排烟效果的影响，确定了排烟口距顶棚的高度与整体排烟效果之间的关系。
4.目前，在排烟口结构的设计优化方面，谢智云等针对隧道侧部重点排烟方式，公开了一种新型的排烟口导流装置，通过改变隧道排烟口内横向导流板的排烟角度，减小排烟口处的局部阻力，从而提高烟气的排量速度。然而，由该装置所表征的排烟性能，尚未建立起排烟口结构参数与局部阻力之间的关系。因此，由上述专利所涉及的内容来看，单个排烟口的无量纲结构参数与排烟口局部阻力之间的量化关系尚未形成。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种成本低、工作安全可靠的长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，其中隧道中部设有一块吊顶板，吊顶板将隧道洞身一分为二，上部结构为排烟道，下部结构为行车道，行车道中间沿隧道洞身长度方向设有行车道分隔板，行车道分隔板将行车道分隔为上行线行车道和下行线行车道，上行线行车道和下行线行车道结构对称，上行线行车道与排烟道之间、下行线行车道与排烟道之间均通过开设于吊顶板上的排烟口相连通，上行线行车道或下行线行车道以排烟口为中心分为左侧行车道与右侧行车道，排烟道以排烟口为中心分为左侧排烟道及右侧排烟道，设计方法包括以下步骤：
7.步骤一：开启行车道两侧的两台压入式风机，确定左右侧风机压入风速、行车道断面面积及排烟道断面面积；
8.步骤二：计算得到单位体积流量左右侧行车道产生的总能量、左右侧排烟道产生的总能量；
9.步骤三：利用行车道与排烟道两侧能量差计算得出排烟口处局部阻力；
10.步骤四：通过计算出的局部阻力，根据风流流经排烟口断面处风速的不同，由局部阻力确定排烟口处的局部阻力系数；
11.步骤五：改变排烟口的面积，将多组不同排烟口面积工况下的排烟口局部阻力进行多项式拟合，得到通风机工况下排烟口面积大小与局部阻力之间存在的关系式，再研究局部阻力系数与面积比之间的关系，从而得到局部阻力系数最小的排烟口长宽比。
12.上述长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，所述步骤二中：
13.右侧行车道产生的总能量为e1：
[0014][0015]
式(1)中：e1为单位体积流量下的行车道右侧产生的总能量，pa；a1为行车道断面面积，m2；α1为第一动能修正系数；v1为右侧行车道平均风速，m/s；γ为空气容重，取11.8n/m3；p1为行车道断面处压能，pa；z1为行车道位置水头，m；q为空气流量，m3/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；∫(p1 γz1)dq为单位体积流量下的通过行车道断面的流体势能，pa；为单位体积流量下的通过右侧行车道断面的流体动能，pa；u1为右侧行车道断面上微元面积上的风速，m/s；
[0016]
左侧行车道产生的能量e2表示为：
[0017][0018]
式中：v2为左侧行车道平均风速，m/s；α2为第二动能修正系数；为单位体积流量下的通过左侧行车道断面的流体动能，pa；u2为左侧行车道断面上微元面积上的风速，m/s；
[0019]
风流通过排烟口进入排烟道，在右侧排烟道产生的能量为e3，表示为
[0020][0021]
式中：e3为单位体积流量下的右侧排烟道产生的总能量，pa；a2为排烟道断面面积，m2；p2为行车道断面处压能，pa；z2为行车道位置水头，m；v3为右侧排烟道平均风速，m/s；α3为第三动能修正系数；为单位体积流量下的通过行车道断面的流体势能，pa；为单位体积流量下的通过右侧排烟道断面的流体动能，pa；u3为右侧排烟道断面上微元面积上的风速，m/s；
[0022]
左侧排烟道产生的能量e4表示为：
[0023]
[0024]
式中：v4为左侧排烟道平均风速，m/s；α4为第四动能修正系数；为单位时间内通过左侧排烟道断面的流体动能，pa；u4为左侧排烟道断面上微元面积上的风速，m/s。
[0025]
上述长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，所述步骤二中，动能修正系数α的计算公式为：
[0026][0027]
式中：a为过流断面面积，m2；v为过流断面上的平均风速，m/s；u为过流断面上微元面积上的风速，m/s。
[0028]
上述长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，所述步骤三中，排烟口处局部阻力hm计算公式如下：
[0029]
e1 e
2-e
3-e4＝hmꢀꢀ
(6)。
[0030]
上述长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，所述步骤四中，由局部阻力hm确定排烟口处的局部阻力系数ξ：
[0031][0032]
式中：v5为排烟口断面平均风速，m/s；ρ为空气密度，20℃取1.205kg/m3。
[0033]
上述长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，所述步骤五中，得到的排烟口面积比与局部阻力的关系式为：
[0034]hm
＝axb，b＜0；
ꢀꢀ
(8)
[0035]
式中，x为排烟口面积比，排烟口面积比为排烟口在改变长边或短边后排烟口开口面积与原面积的比值；a，b均为无量纲系数。
[0036]
上述长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，所述步骤五中，改变排烟口的面积时，采用排烟口长度不变却改变宽度或者宽度不变却改变长度的方式，从而得到排烟口长宽比，进而在局部阻力系数最小时得到相应的排烟口长宽比。
[0037]
本发明的有益效果在于：本发明引入动能修正系数，利用伯努利能量守恒，推导出基于上下游能量差的排烟口局部阻力表达式，利用该表达式，得到局部阻力系数最小的排烟口无量纲参数，即为最优长宽比，可用于指导排烟口结构的设计优化，节约运营成本。
附图说明
[0038]
图1为本发明的流程图。
[0039]
图2为长大单洞双线隧道的结构示意图。
[0040]
图3为长大单洞双线隧道的流场示意图。
[0041]
图4为长大单洞双线隧道的结构侧视图。
[0042]
图5为排烟口无量纲面积与局部阻力系数的特性曲线图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0044]
如图1-图4所示，长大单洞双线隧道中部设有一块吊顶板6，吊顶板6将隧道洞身一
分为二，上部结构为排烟道7，下部结构为行车道8，行车道8中间沿隧道洞身长度方向设有行车道分隔板9，行车道分隔板9将行车道8分隔为上行线行车道和下行线行车道，上行线行车道和下行线行车道结构对称，上行线行车道与排烟道7之间、下行线行车道与排烟道7之间均通过开设于吊顶板6上的排烟口5相连通，上行线行车道或下行线行车道以排烟口5为中心分为左侧行车道1与右侧行车道2，排烟道7以排烟口5为中心分为左侧排烟道3及右侧排烟道4。
[0045]
一种长大单洞双线隧道中单个排烟口的无量纲结构设计方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一：开启行车道两侧的两台压入式风机，确定左右侧风机压入风速、行车道断面面积及排烟道断面面积。
[0047]
步骤二：计算得到单位体积流量左右侧行车道产生的总能量、左右侧排烟道产生的总能量。
[0048]
右侧行车道产生的总能量为e1：
[0049][0050]
式(1)中：e1为单位体积流量下的行车道右侧产生的总能量，pa；a1为行车道断面面积，m2；α1为第一动能修正系数；v1为右侧行车道平均风速，m/s；γ为空气容重，取11.8n/m3；p1为行车道断面处压能，pa；z1为行车道位置水头，m；q为空气流量，m3/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；∫(p1 γz1)dq为单位体积流量下的通过行车道断面的流体势能，pa；为单位体积流量下的通过右侧行车道断面的流体动能，pa；u1为右侧行车道断面上微元面积上的风速，m/s；。
[0051]
左侧行车道产生的能量e2表示为：
[0052][0053]
式中：v2为左侧行车道平均风速，m/s；α2为第二动能修正系数；为单位体积流量下的通过左侧行车道断面的流体动能，pa；u2为左侧行车道断面上微元面积上的风速，m/s。
[0054]
风流通过排烟口进入排烟道，在右侧排烟道产生的能量为e3，表示为
[0055][0056]
式中：e3为单位体积流量下的右侧排烟道产生的总能量，pa；a2为排烟道断面面积，m2；p2为行车道断面处压能，pa；z2为行车道位置水头，m；v3为右侧排烟道平均风速，m/s；α3为第三动能修正系数；为单位体积流量下的通过行车道断面的流体势能，pa；为单位体积流量下的通过右侧排烟道断面的流体动能，pa；u3为右侧排烟道断面上微元面积上的风速，m/s。
[0057]
左侧排烟道产生的能量e4表示为：
[0058][0059]
式中：v4为左侧排烟道平均风速，m/s；α4为第四动能修正系数；为单位体积流量下的通过左侧排烟道断面的流体动能，pa；u4为左侧排烟道断面上微元面积上的风速，m/s。
[0060]
动能修正系数α的计算公式为：
[0061][0062]
式中：a为过流断面面积，m2；v为过流断面上的平均风速，m/s；u为过流断面上微元面积上的风速，m/s。
[0063]
步骤三：利用行车道与排烟道两侧能量差计算得出排烟口处局部阻力。
[0064]
排烟口处局部阻力hm计算公式如下：
[0065]
e1 e
2-e
3-e4＝hmꢀꢀ
(6)。
[0066]
步骤四：通过计算出的局部阻力，根据风流流经排烟口断面处风速的不同，由局部阻力确定排烟口处的局部阻力系数。
[0067]
排烟口处的局部阻力系数ξ：
[0068][0069]
式中：v5为排烟口断面平均风速，m/s；ρ为空气密度，20℃取1.205kg/m3。
[0070]
步骤五：改变排烟口的面积，将多组不同排烟口面积工况下的排烟口局部阻力进行多项式拟合，得到通风机工况下排烟口面积大小与局部阻力之间存在的关系式，再通过引入动能修正系数来研究局部阻力系数与面积比之间的关系，从而得到局部阻力系数最小的排烟口长宽比。
[0071]
排烟口面积比与局部阻力的关系式为：
[0072]hm
＝axb，b＜0；
ꢀꢀ
(8)
[0073]
式中，x为排烟口面积比，排烟口面积比为排烟口在改变长边或短边后排烟口开口面积与原面积的比值；a，b均为无量纲系数。
[0074]
改变排烟口的面积时，采用排烟口长度不变却改变宽度或者宽度不变却改变长度的方式，从而得到排烟口长宽比，进而在局部阻力系数最小时得到相应的排烟口长宽比。
[0075]
实施例
[0076]
本实施例采用双压式风机组合排烟数据，开启行车道两侧的两台压入式风机，首先确定左右侧风机压入风速、行车道断面面积及排烟道断面面积，其具体参数如下：
[0077]
a)有左侧风机压入风速为{0.47,0.64,1.05}，m/s；
[0078]
b)有右侧风机压入风速为{1.16,1.64,1.96}，m/s；
[0079]
c)有行车道断面面积为0.23616m2；
[0080]
d)有排烟道断面面积为0.10285m2。
[0081]
实施例中选择长500mm，宽300mm的吊顶排烟口为工况1，并将其作为参照，将排烟口面积以改变长边、改变短边的形式分为两组，每组设置6种排烟口面积工况，如表1所示。
[0082]
表1排烟口面积工况
[0083][0084]
如图3所示，左侧行车道1发生火灾，压入的新鲜气流与火灾产生的烟气混合，烟气被胁迫向着吊顶排烟口5流动，形成了左侧行车道烟气流a。左侧行车道烟气流a与逆向流动的右侧行车道新鲜流b在吊顶排烟口5下方汇集涌向吊顶排烟口5，随后向排烟道7两侧排出，形成左侧排烟道烟气流c与右侧排烟道烟气流d。
[0085]
根据公式(1)至(8)得到：
[0086]
①
当左侧风机压入风速为0.47m/s，且右侧风机压入风速1.16m/s，表1中工况1的排烟口处局部阻力hm为60.14pa，进一步，得到表1中工况2至工况6依次为85.42pa、116.17pa、194.08pa、362.72pa、1442.53pa，工况7至工况11依次为81.51pa、116.6pa、198.87pa、441.79pa、1554.18pa；
[0087]
②
当左侧风机压入风速为0.64m/s，且右侧风机压入风速1.64m/s，表1中工况1的排烟口处局部阻力hm为118.44pa，进一步，得到表1中工况2至工况6依次为187.42pa、268.17pa、397.64pa、700.72pa、1761.49pa，工况7至工况11依次为199.54pa、305.49pa、426.98pa、795.62pa、1821.64pa；
[0088]
③
当左侧风机压入风速为1.05m/s，且右侧风机压入风速1.96m/s，表1中工况1的排烟口处局部阻力hm为343.78pa，进一步，得到表1中工况2至工况6依次为463.47pa、574.24pa、761.68pa、1221.65pa、2384.84pa，工况7至工况11依次为472.56pa、603.34pa、806.63pa、1342.78pa、2645.32pa。
[0089]
将两组面积工况下的排烟口局部阻力进行多项式拟合，得到特定通风机工况下排烟口面积大小与局部阻力之间存在的特定关系式。再通过引入动能修正系数来研究局部阻力系数与面积比之间的关系，所得结果如图5所示。
[0090]
当排烟口变长边时，其拟合关系式为：
[0091][0092]
其中：x，排烟口的面积比，无量纲数；h
m1
，排烟口变长边时排烟口处的局部阻力，pa。
[0093]
当排烟口变短边面积时，其拟合关系式为：
[0094][0095]
其中：x，排烟口的面积比，无量纲数；h
m2
，排烟口变短边面积时排烟口处的局部阻力，pa。
[0096]
通过分析无量纲结构参数实施过程，得出如下结论：
①
排烟口面积与局部阻力之间具有相关性，且在同一通风机工况下，排烟口变短边的局部阻力大于变长边。
②
在引入动能修正系数的基础上建立了不同风机工况条件下无量纲面积与局部阻力系数之间的特定关系曲线族，并确定了局部阻力系数最小的排烟口长宽比为3.3:2。