一个新的水平隧道火灾烟气逆流层长度模型研究.pdf

第3 6 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o ．5 2 0 0 7 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS a p ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 5 0 5 6 9 0 4 一个新的水平隧道火灾烟气逆流层 长度模型研究 周延 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要对前期实验获得的纵向通风隧道火灾烟气逆流层长度的实验数据以及其他研究者所发表 的3 组实验数据进行了综合分析，总结出了3 条关于烟气逆流层长度随火源释热速率和通风风 速变化规律的定性描述．据此构造了不同的回归模型，对上述4 组数据进行了多元非线性回归． 得到了一个关于纵向通风隧道火灾烟气逆流层长度的经验公式，该公式完全满足前述的3 条定 性规律，并较已知经验公式更好地与实验数据相符合． 关键词隧道火灾；烟气；逆流层长度；实验模拟；经验公式 中图分类号T D7 2文献标识码A AN o v e lM o d e lf o rL e n g t ho fC o u n t e r c u r r e n tS m o k eL a y e r i nH o r i z o n t a lTunne‘Fireorizontal1u n n e li r elH Z H O UY a n S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ，S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t F o u rg r o u p so fp u b l i s h e de x p e r i m e n t a ld a t aa b o u tl e n g t ho fc o u n t e r c u r r e n ts m o k e 1 a y e rw e r ec o l l e c t e d ．B ya n a l y z i n gt h e s ed a t a ，t h r e eq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o n sf o rc o u n t e r c u r r e n t s m o k el a y e rl e n g t hv a r y i n gw i t ht h eh e a tr e l e a s er a t ea n dv e n t i l a t i o nv e l o c i t yw e r ec o n c l u d e d ． D i f f e r e n tr e g r e s s i o nm o d e l sc o n s i s t e n tw i t ht h e s ed e s c r i p t i o n sw e r et r i e di nm u l t i p l en o n l i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s e s ．An o v e le m p i r i c a l r e l a t i o n s h i pf o rc o u n t e r c u r r e n ts m o k el a y e rw a so b t a i n e d ，w h i c hc o i n c i d e sc o m p l e t e l yw i t ht h et h r e ed e s c r i p t i o n s ，a n dg i v e sf lb e t t e rc o r r e l a t i o no f t h ef o u rg r o u p so fd a t at h a nk n o w nr e l a t i o n s h i p sd o ． K e yw o r d s t u n n e lf i r e ；s m o k ef l o w ；l e n g t ho fc o u n t e r c u r r e n ts m o k el a y e r ；e x p e r i m e n t a lm o d c l i n g ；e m p i r i c a lf o r m u l a 隧道火灾中的烟气逆流层直接威胁着火源上 风区域的安全．关于烟气逆流层的研究主要涉及2 个关键问题，即I 临界风速和逆流层的长度．临界风 速的大小主要取决于火羽流与纵向通风风流的相 互作用，有多位研究者分别采用理论分析、计算机 模拟和实验模拟等不同手段对此进行过研究阻6 。． 烟气逆流层的长度，不但取决于火羽流与风流的相 互作用，还取决于逆流烟气层与风流的相互作用． 因此，研究烟气逆流层长度的变化规律比研究临界 风速更加复杂．事实上，如果能够建立起一个具有 收稿日期2 0 0 7 一0 2 0 8 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 6 0 7 0 作者简介周延 1 9 7 0 - ，男，黑龙江省集贤县人，副教授。工学博士，从事火灾科学方面的研究． E - m a i l z y c u m t y a h o o ．c o r n ．c aT e l 0 5 1 6 8 3 8 8 4 5 7 5 万方数据 5 7 0中国矿业大学学报第3 6 卷 较强通用性的关于烟气逆流层长度随火源燃烧强 度 通常以火源的释热速率来衡量 及隧道纵向风 速变化的计算模型，那么关于临界风速的计算问题 自然也就迎刃而解．简单的说，临界风速就是正好 能抑制烟气逆流层的隧道纵向风速．当隧道纵向风 速恰好等于临界风速时，在火源的上风侧烟气逆流 层即将出现而又尚未出现，即处于临界状态，此时 显然可以认为烟气逆流层的长度为0 ．在临界状态 下，只要隧道纵向风速再稍有减少，火源上风侧就 会出现烟气逆流层，即逆流层的长度将大于0 ．因 此，所谓的临界状态实际上就是烟气逆流层长度恰 好为0 时的一种特殊状态．相应地，临界风速也可 以定义为在一定的火源燃烧强度和隧道几何条件 下，使烟气逆流层的长度恰好为0 时所对应的隧道 纵向风速．根据这一定义，只要令烟气逆流层的长 度为0 ，根据烟气逆流层长度的计算模型，不难推 出临界风速与各有关参数 包括火源释热速率、隧 道高度等 之间的函数关系．本文将根据烟气逆流 层长度的实验结果，通过对实验数据的分析处理， 建立一个适用范围较大的经验公式． 1 烟气逆流层实验模拟 为了研究烟气逆流层长度随火源释热速率和 隧道风速的变化规律，利用中国矿业大学的矿井火 灾综合模拟实验系统进行了小尺度实验研究．该实 验的详细情况参见文献E 7 3 ．此外，V a n t e l o n 等[ 8 1 、 O k a 等[ 2 ] 、L e e 等口嵋] 也都分别进行过隧道火灾烟 气逆流层的小尺度实验研究．本节将对这4 组实验 分别以Z h o u ，V a n t e l o n ，0 k a 和L e e 加以标识 加 以简要介绍． Z h o u ，V a n t e l o n ，0 k a 和L e e 采用的实验隧道 长度分别为9 ，3 ，1 4 ．9 2 ，1 0 ．4m ；断面形状及尺 寸如图1 所示；燃料分别为煤油、丙烷、丙烷、乙醇． 1 2 l O 8 6 4 2 咽陶辽臼嗄目 【a Z h o u b V a n t e l o n c O k a d L e e 图1 实验隧道断面 F i g ．1 C r o s ss e c t i o no ft h et u n n e lm o d e l s 以上4 组实验都考察了烟气逆流层长度随火 源释热速率及通风风速的变化规律．其中，周延 等口1 根据实验结果拟合出了如下的经验公式 L i 一0 ．0 4 0 4 e x p O ．0 4 1 4 Q ／u 。 ， 1 式中L 为无量纲逆流长度，L ； L ／H ；L 为烟 气逆流长度，m ；H 为隧道高度，m ；臼为火源释热 速率，k W ；U 。为通风风速，m ／s ． 周福宝等‘9 1 根据周延等‘7 3 的实验数据，结合量 纲分析给出了如下的经验公式 L f 一0 - 2 3 6 9 e x p o ．0 0 2 0 3 志 ， 2 式中岛为风流密度，k g ／m 3 ；S 为隧道断面，m 2 ． V a n t e l o n 等‘8 3 给出了如下的经验公式 L ；。c 鼎 0 。3 ， ㈤ 式中g 为重力加速度，m ／s 2 ；f p 为风流的比定压热 容，J ／ k g K ；t 为风流温度，K ． O k a 等和L e e 等未给出关于烟气逆流层长度 的实验拟合关系式． 2 实验结果与讨论 为对比已知经验公式与前述4 组实验的结果 之间的一致性，将4 组实验数据分别按式 1 ～ 3 加以整理，如图2 所示．在图2 中，实验数据都非常 分散，且式 1 ～ 3 都只是与小部分实验数据较好 地符合．由此可见，这3 个经验公式的通用性都不 太理想． j _ ／ k W _ s ．m ． 呈一／l O s『兰里r ，‰、胁鼬’aL 觚L H 5 ∥J a 式 I b 式 2 c 武 3 图2实验结果和经验公式 F i g ．2E x p e r i m e n t a ld a t aa n de m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p s 为了得到更好的关于烟气逆流层长度的经验可总结出以下3 条关于烟气逆流层的变化规律的 公式，必须对实验数据所反应出的实验规律做出合定性描述 理的总结．根据前述4 组实验数据，通过定性分析，1 纵向通风风速越大，逆流层长度越小；特别 万方数据 第5 期周延一个新的水平隧道火灾烟气逆流层长度模型研究5 7 1 地，当风速足够大 大于等于临界风速 时，逆流层 长度不大于o 无逆流 ． 2 火源释热速率越小，逆流层长度越小；特别 地，当释热速率为0 时，逆流层长度不大于0 ．‘ 3 当火源释热速率很大时，逆流层长度趋于 与释热速率无关． 其中，前2 条很容易理解．第3 条可由O k a 等[ 2 ] 的实验数据得到清晰的印证．且已有研究成果 表明当释热速率很大时，临界风速趋于与释热速 率无关，由此也可推断第3 条是应该成立的． 以上3 条描述可以作为检验烟气逆流层长度 经验公式在定性上是否合理的必要性准则．显然， 式 1 ～ 3 都不能与上述3 条完全符合，即它们在 定性上都不完全合理． Q ’一赢南， 4 a F - 鲁， 4 b 式中Q ’为无量纲释热速率；F 为F r o u d e 数；w 为 隧道宽度，m ；A ，B ，C ，a ，by c ，d 为模型系数，需通 过回归分析求得． 模型I I L i 南] e X p P “2 【- 矿瓦虿下J 旺p ，‘X 孕 4 一c ， ㈣ 模型I I I L ； e x p [ 高] F f 警 4 一c 川， 模型I V 3 耋竺羔⋯⋯⋯⋯- 呵一唧[ 耐矿] ㈣。一c ．∽ 铀士苎曼要篓茭乏竺墨慧苎户长度变化的3 条规 利用模型I L u , - - , I V 广、X q f fu 前’“ 述4 j 组＼实。验／数据进行多 散黑如下4 爪回归模型 元非巍蔷得到模型荔淼薹；茹蚕I 模型 “”“““”“9 ““’土””“”。“⋯“2 “⋯“ 一[ 本赫 6 F r 孕 4 ．c ，㈤釉删钴果脯准差如表1 所示√， 模型 模型系数 ABC口bC I I I I I I 1 V 1 ．6 0 ．2 2 9 0 ．0 0 4 6 0 0 ．9 8 5 0 ．1 5 1 0 ．1 5 8 0 ．6 5 0 0 ．1 5 0 由表1 可见，按模型I 和I V 所做回归预测的 标准差较小．考虑到指数模型的计算量较大，且对 模型系数比较敏感，故本文以模型I 作为推荐的回 归模型．由此得到关于烟气逆流长度的经验公式为 广9 01 2 L 亡一l 瓦R 狰j p - o 。，f 掣广一2 ．4 ． 8 ～o ／ 容易验证，式 8 所表达的逆流层长度的变化 规律与前面所总结出的3 条定性实验规律完全符 合． 以实验测得的无量纲逆流长度为横坐标值，以 式 8 的对应计算结果为纵坐标值，对比计算值与 实测值如图3 所示．由图3 可见，式 8 的计算结果 与实验结果总体一致性较好，线性相关系数达到了 0 ．9 4 9 ．对照全部5 2 个实验数据点和式 8 对应的 计算结果，有3 8 个点的相对计算误差在3 0 ％之 间．相对误差绝对值大于3 0 ％的点主要集中在无 量纲逆流长度小于3 的区间内．总体上，相对误差 的绝对值随无量纲逆流长度的增大而减小． 埋 琳 士 雹 ●∞ 目 工‘。的实测值 图3烟气逆流层长度的计算值与实测值对比 F i g ．3C o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t i o n sa n d m e a s u r e m e n t so fs m o k eb a c k e d u pl a y e rl e n g t h 综上，本节所提出的经验公式能比较合理地反 应烟气逆流层长度变化的定性和定量规律． 4结论 1 总结出了3 条关于逆流层长度随火源释热 速率和通风风速变化规律的定性描述．这3 条描述 可作为检验经验公式在定性上是否合理的必要性 7 2 5虬加∞加 O 0 O O 一 一 一 一加二一 弛 ∞●曲硒∞他 O 0 O O 一 一 一 一 4 0 黔 2 2 5 7 4 ∞5 8 孔0 8 8 0 8 2 3 3鸵6 9 8 4 3 2 够 6 万方数据 5 7 2 中国矿业大学学报 第3 6 卷 准则．已知的经验公式都不能完全满足这3 条定性 准则． 2 尝试了不同的回归分析模型，最终提出一 个新的经验公式．该公式完全符合前述3 条关于烟 气逆流层长度变化规律的定性描述，并在定量上与 实验数据取得了比较好的一致性． 3 与已知的3 个经验公式相比，本文所提出 的经验公式显然具有更好的通用性，可以作为工程 分析设计的参考．但由于该经验公式仍然是建立在 小尺度模型实验的基础之上的，因此在今后的研究 中还需对其加以进一步的检验和修正．此外，按本 文提出的经验公式整理实验数据发现，实验数据点 仍有一定的分散性．这一方面反应出烟气逆流层长 度变化规律的复杂性，另一方面也说明所提出的经 验公式还有待进一步的修正． 参考文献 [ 1 ] K U N S C HJP ．S i m p l em o d e lf o rc o n t r o lo ff i r eg a s e s i nav e n t i l a t e dt u n n e l [ J ] ．F i r eS a f e t yJ o u r n a l ，2 0 0 2 ， 3 7 1 6 7 - 8 1 ． [ 2 3O K AY 。A T K I N s O NGT ．C o n t r o lo fs m o k ef l o wi n t u n n e lf i r e s [ J ] ．F i r eS a f e t yJ o u r n a l ，1 9 9 5 ，2 5 4 3 0 5 - 3 2 2 ． [ 3 ]w UY ，B A K E RMzA ．C o n t r o lo fs m o k ef l o wi n t u n n e lf i r e su s i n gl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o ns y s t e m s a s t u d yo ft h ec r i t i c a lv e l o c i t y [ J ] ．F i r eS a f e t yJ o u r n a l ， 2 0 0 0 ，3 5 4 3 6 3 3 9 0 ． [ 4 3V A N Q U E L I NO ，w UY ．I n f l u e n c eo ft u n n e lw i d t h o nl o n g i t u d i n a ls m o k ec o n t r o l [ J ] ．F i r eS a f e t yJ o u r - n a l ，2 0 0 6 。4 1 6 4 2 0 4 2 6 ． [ 5 ] L E ESR ，R Y O UHs ．An u m e r i c a ls t u d yo ns m o k e m o v e m e n ti nl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o nt u n n e lf i r e sf o r d i f f e r e n ta s p e c tr a t i o [ J ] ．B u i l d i n ga n dE n v i r o n m e n t ， 2 0 0 6 ，4 1 6 t7 1 9 - 7 2 5 ． [ 6 ] L E ESR ，R Y O UHS ．A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h e e f f e c tr a t i oo nt h ec r i t i c a lv e l o c i t yi nl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o nt u n n e lf i r e s [ J ] ．J o u r n a lo f F i r eS c i e n c e s ． 2 0 0 5 ，2 3 2 1 1 9 - 1 3 8 ． [ 7 ] 周延，王德明，周福宝．水平隧道火灾中烟流逆流 层长度的实验研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ， 3 0 5 4 4 6 4 4 8 ． Z H o UY a h 。W A N GD e e m i n g ，Z H o UF u - b a o ．E x - p e r i m e n t a ls t u d yo nl e n g t ho fs m o k eb a c k - f l o wl a y e r o ff i r ei nh o r i z o n t a lt u n n e l [ J 3 ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，3 0 5 4 4 6 4 4 8 ． [ 8 ]V A N T E L O NJP ，G U E L Z I MA ，Q U A c HD ，e ta 1 ． I n v e s t i g a t i o no ff i r ei n d u c e ds m o k em o v e m e n ti nt u n n e l sa n ds t a t i o n s a na p p l i c a t i o nt ot h eP a r i sm e t r o [ c ] ／／c o xG 。L A N G F O R DB ．P r o c e e d i n g so ft h e 3 r dI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nF i r eS a f e t yS c i e n e e ． L o n d o n I A F S S ，1 9 9 1 9 0 1 - 9 1 8 ． [ 9 3 周福宝，王德明．巷 遂 道火灾烟流滚退距离的无 因次关系式[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 4 0 7 - 4 1 0 ． Z H O UF u - b a o ，W A N GD e - m i n g ．N o n - d i m e n s i o n a l e x p r e s s i o nf o rb a c k f l o wd i s t a n c e so fs m o k ea n dh o t g a s e si nr o a d w a yo rt u n n e lf i r e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，3 2 4 4 0 7 4 1 0 ． 责任编辑王继红 万方数据