纵向通风水平隧道火区阻力特性.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 0 6 年1 1 月 中国矿业大学学报 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 V 0 1 ．3 5N o ．6 N O V ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 0 3 0 5 纵向通风水平隧道火区阻力特性 周延 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要通过建立风流与火源的统一控制体，分析了纵向通风水平隧道火区通风阻力的构成，建立 了火区阻力特性的计算模型．结果表明火区阻力包括摩擦阻力和加速阻力两部分；在火区长度 较大时，摩擦阻力将成为火区阻力的主要部分；在火区长度较小时，加速阻力将成为火区阻力的 主要部分；忽略烟气质量的增加及组分的变化会导致火区温度计算结果过高，进而可能造成火区 通风阻力计算结果的明显升高． 关键词隧道火灾；纵向通风；火区；流动阻力特性 中图分类号T D7 2 2 文献标识码A F l o wR e s i s t a n c eC h a r a c t e r i s t i c so fF i r eZ o n e i nH o r i z o n t a lT u n n e lw i t hL o n g i t u d i n a lV e n t i l a t i o n Z H O UY a n 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 g8 LT e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B yd e f i n i n gac o n t r o lv o l u m ec o n t a i n i n ga l lt h ef i r e ，s m o k ea n da i rf l o wi nf i r ez o n e ， t h em e c h a n i s mo ff l o wr e s i s t a n c eo ft h ef i r ez o n ei nh o r i z o n t a lt u n n e lw i t hl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dat h e o r e t i c a lm o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h ef i r ez o n e ’Sf l o wr e s i s t a n c ew a s p r o p o s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wr e s i s t a n c eo ff i r ez o n ec o n s i s t so ff r i c t i o n a lr e s i s t a n c e a n da c c e l e r a t i o nr e s i s t a n c e ．T h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ec a nb em o r ed o m i n a n tt h a na c c e l e r a t i o nr e s i s t a n c ef o ral o n g e rf i r ez o n e ，a n da c c e l e r a t i o nr e s i s t a n c ec a nb em o r ed o m i n a n tf o ras h o r t e r o n e ．O m i t t i n gt h em a s si n c r e a s ea n dc o n t e n tv a r i a t i o no fs m o k ef l o ww i l ll e a dt oo v e r e s t i m a t e t h ef i r ez o n e ’St e m p e r a t u r e ，a n dt h e no v e r e s t i m a t et h ef i r ez o n e ’Sf l o wr e s i s t a n c e ． K e yw o r d s t u n n e lf i r e ；l o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n ；f i r ez o n e ；f l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s 在火灾时期，隧道中采用纵向通风的一个主要 目的就是防止烟流逆流层的形成，进而为火区上风 侧人员疏散和火灾扑救创造条件．为此，必须保证 隧道通风风速大于控制逆流层生成的临界风速，也 就是必须保证隧道的通风动力能够克服在设计风 速条件下的隧道通风阻力．对水平隧道而言，火灾 的发生将导致隧道通风阻力增加．在进行隧道火灾 时期的通风设计时，必须充分考虑火灾时隧道的阻 力特性．在隧道火灾中必然存在一个或长或短的着 火区域，可称之为火区．因此，火区阻力是火灾时隧 道通风阻力必然的组成部分．本文将对纵向通风水 平隧道火区的通风阻力特性进行分析，以便为火灾 时期隧道通风的分析与设计提供参考． 火区通风阻力的构成 对纵向通风的隧道，当入风流速不小于控制烟 收稿日期2 0 0 6 0 1 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 一 ，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 n T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 4 5 7 5 万方数据 7 0 4中国矿业大学学报 第3 5 卷 流逆流的临界风速时，烟流不会进入火区的上风区 域．忽略热辐射对火区上风区域的影响，则可认为 进入火区的风流为正常的新鲜风流． 在分析隧道火区通风阻力时，方法之一是认为 火灾烟气流动符合阻力平方定律，即[ 1 ] ．D a P F 一上R 0Q 2 笋妇三， 1 p qp ≈p 式中A P F 为火区通风阻力，P a ；R 。为正常时期隧 道的通风风阻 以体积流量计算 ，N S 2 ／m 8 ；P o 为 正常新鲜风流的密度，k g ／m 3 ；I D 为火区内气流的平 均密度，k g ／m 3 ；Q 为火区内的体积流量，m 3 ／s ；Q 。 为火区内的质量流量，k g ／s ． 显然，式 1 所表达的火区阻力中，没有包括 火区入口、出口的动量变化引起的附加阻力． 方法之二是将火和风分别加以考虑一方面考 虑火源放热使风流膨胀加速而产生的热阻力；另一 方面考虑火焰对风流的阻碍作用[ 2 q ] ，即产生所谓 的局部绕流阻力．对热阻力的分析相对比较简单， 而对火焰这种复杂几何形状的绕流问题则是很难 解决的．而且，由于火焰中的气体本身也是流动的， 风流对火焰的绕流问题可能比一般的固体绕流问 题更难把握．因此，这种方法目前只能用于定性分 析． 本文将把火源和风流当作一个整体来看待．如 图1 所示，取自火源上风侧边缘 z o 到下风侧 边缘 z z 。 之间的气流区域为控制体，并定义 控制体两端的断面相同时其压力差为火区通风阻 力．按照这种控制体的定义，火和风的相互作用就 变成了控制体内部的质量、动量和能量交换．实际 上，风流在遇到火源后所产生的绕流，也正是两者 之间质量、动量和能量交换的必然结果．换言之，风 流在火焰周围绕流，实际也就是风流推动火焰中的 流体，使之获得水平动量的过程．显然，控制体内部 不同部位间的质量、动量和能量交换并不会对控制 所具有的总的质量、动量和能量产生直接的影响． 图1火区控制体 F i g ．1 C o n t r o lv o l u m eo ff i r ez o n e 根据动量守恒原理，在稳态情况下控制体人 口、出I 1 之间压差的作用是1 克服控制体与隧道 固体边界间的流动摩擦阻力；2 产生控制体出口 相对于人口在水平方向上的动量增量．其中，第1 项可称为摩擦阻力；第2 项可称为加速阻力．由于 火源既是一个热量源又是个质量源，加速阻力的产 生机理应包括以下3 个方面a ．热阻力 根据热阻 力的形成机理，热阻力就是由于流体受热膨胀然后 加速而引起的[ 5 ] ；b ．因燃料燃烧而加入风流的那 部分质量 即烟气的质量增量 ，在风流的带动下做 加速运动而产生的阻力；C ．因燃烧反应使气流摩 尔数增加导致体积流量增大，进而引起气流加速而 产生的阻力． 2基本假设 在将火区处理成图1 所示控制体的基础上，为 便于分析的进行，还需做以下4 点假设 1 所有气态组分均可看作是完全气体； 2 火势已充分发展，将燃烧和流动过程看作 是稳态的； 3 燃料的化学组成为C 。H 。0 ，，沿燃烧区均 匀分布； 4 在氧气未完全耗尽时，燃料热解后立即燃 烧，燃烧反应为按式 2 进行的完全化学反应． c 。H 。O z n 署一虿1 o z 3 ．7 6 N z 一 竹C O z 罟H z 0 3 ．7 6 咒 予一号 N z ． 2 根据假设4 ，在火区内的任意断面上，只可能 存在O 。，N 。，C O z 及H z 0 ．所产生的C O 。和H 。O 的质量等于热解 或气化，下同 的燃料的质量与参 与燃烧的O 。质量的和． 3火区通风阻力的计算模型 单位时间向火区供给的氧气质量为 m o ．一0 ．2 3 p 0 “o S ， 3 式中m o 。为单位时间向火区的供氧量，k g ／s ；0 ．2 3 为空气中氧气的质量分数；五。为人风流平均流速， m ／s ；S 为隧道断面，m 2 ． 由式 2 可得，燃料与氧气的当量质量比为 庐一西鬲干百磊万 F 丽’ ．MF 4 式中M F 为燃料的摩尔质量，g ／t o o l ；3 2 为氧气的 摩尔质量，g ／l m 0 1 ． 从火区上风侧边缘到火区内任一位置处，单位 时间热解的燃料质量为 ／7 。2 F z 一f 2 磊7 ，d z ， 5 J 0 万方数据 第6 期周延等纵向通风水平隧道火区阻力特性 7 0 5 式中m ， z 为单位时间在区间[ o ，z ] 上热解的燃 料质量，k g ／s ；z 为火区内任意一点与火区上风侧 边缘的距离，z ≤z c ，m ；z c 为火区长度，m ；m 7 F 为 单位时间、单位长度燃料带上热解的燃料质量， k g ／ m s ． m 7 F 矽F W F ， 6 式中W ，为燃料分布宽度，r f l ；∥，为燃料热解速 率，即单位时间、单位面积热解的燃料质量， k g ／ m 2 s ，它一般随燃料面积的增大而增大，并 趋向一个仅与燃料种类有关的最大值∥。m 部分 常见燃料的∥。。，，可在文献i - 6 3 中查得．如，正庚烷 的极限热解速率为7 ∥。。，c ，H 。。一0 ．1 0 1k g ／ m 2 s ． 当燃料沿隧道均匀分布时，燃料分布宽度为常数， 则在火区内可近似地认为优7 F 为常数．有 m F z 一m ’F z ． 7 设燃料的分布长度为z ，，则火区长度为 z 。一m i n 』“墼I ． 8 【优FJ 火区内任意处的质量流量为 Q 。 z p o U o S m F z z ≤z c ， 9 式中Q 。 z 是。处的质量流量，k g ／s ． 由式 2 可得火区内气流摩尔流量为 N z _ - - 譬导害 等 专 N ， z z ≤X C ， 1 0 式中N z 为z 处的摩尔流量，k m o l ／s ；2 8 ．8 为空 气的千摩质量，k g ／k m o l ；N F z 一m F z ／M F ，为 单位时间在区间[ 0 ，z ] 上热解的燃料物质的量， k m o l ／s ． 火区内各组分的摩尔分数为 椰0 2 一，z 鬻， 1 1 a z H 2 0 罟糕， 1 1 b z a i r 一1 一I 咒 百m 3 ．7 6 卅予一号 ] 鬻，Ⅲc ， z 0 2 0 ．2 1 x a i r ， 1 i d z N 2 _ 3 ．7 6 九 署一专 豁 0 ．7 9 x a i r ， 1 1 e 式中z C 0 2 ，z H 2 0 ，z a i r ，z 0 2 和X N 2 分别为C O 。，H 。0 ，过剩空气，O 。和N 。的摩尔分 数． 则任一组分i 的质量分数为 似D 一器№“ 1 2 式中硼 i 为第i 种组分的质量分数，i C O 。， H z 0 ，过剩空气，0 。，N 。；M f 为第i 种组分的千摩质 量，k g ／k m 0 1 ． 火区内的能量守恒关系为 Fc p d T 竖等掣阳3 ， 式中T z 为z 处烟气的平均温度，K ；T o 为人风 流温度，也是燃料的初始温度，K ；△H 。，L 为燃料在 温度T o 条件下的燃烧热，取正值，k J ／k g ；C 。为烟 气的比定压热容，C 。一∑ ‰，i Cp ’i ，C p ’f 为第i 种 组分的比定压热容，k J ／ k g K ；X R 为辐射热损失 在总放热量中所占的比例．根据实验结果，一般认 为燃烧过程产生的热量有6 0 ％～8 0 ％消耗于加热 烟流，另外有2 0 ％～4 0 ％通过热辐射的方式散失 到了周围环境中[ 7 ] ．结合本文的研究目的，取X 。 一0 ．2 0 ．除此之外，本文不再考虑火区内烟流与隧 道壁面间的其它换热过程． 比热是温度的函数，对任一气体组分i ，其比 热在一定温度范围内可表示为温度的三次多项式 C p ，i a0 f a l 。i T a z , i T 2 a 3 , i 丁3 ， 1 4 式中a 。∽口1 ．i ，a ．i 和a 。．；为只与气体种类i 有关 的常数．根据文献[ 8 ] 中的数据，可拟合出本文所涉 及的4 中气体C O 。，H 。0 ，0 。，N 对应的比热计算 系数值，见表1 ． 衰1比热计算系数 T a b l e1C o e f f i c i e n t si ns p e c i f i ch e a tf o r m u l a H z o 撼；然一；蒜一2 4 ．7 。；m 2 7 ㈣3 ～1 5 。0 。．．2 。4 。 、， 1 ．0 5 3 1 ．6 9 44 ．5 2 7 1 7 ．0 82 7 3 ～1 5 0 00 ．3 4 0 。 1 ．0 3 7 2 ．0 2 0 0 ．4 7 10 ．3 8 91 5 0 0 ～2 5 0 00 ．0 7 8 由式 1 3 ， 1 4 ，通过迭代求解可得到火区内 任意位置z 处烟流的平均温度T z ． 忽略压力变化对气流密度的影响，可得燃烧段 内气流的体积流量为 个，一、 Q z 三弃竿N z 2 2 ．4 z ≤z c ， 1 D 上0 式中Q z 为z 处气流的体积流量，I T l 3 ／s ；2 2 ．4 为 常温常压下1k m o l 气体所占的体积 若火区入口 万方数据 7 0 6中国矿业大学学报第3 5 卷 条件偏离常温常压较多，需适当校正 ，m 3 ／k m 0 1 ． 火区内气流的平均流速为 石 z _ 掣 z ≤z c ， 1 6 式中“ z 为X 处气流的平均流速，m ／s ． 火区内气流的密度为 p x 一券 z ≤X C ， 1 7 式中 1 0 z 为z 处气流的密度，k g ／m 3 ． 则火区通风阻力为 A p o - - ，．一p x c u 2 z c 一p o 让3 ，i 6 等d x ， ㈣， 式中A p o - 。．为火区通风阻力，P ap a 为隧道的摩擦 因子；d 为隧道的当量直径，m ．显然，式 1 8 的右 边第1 ，2 项为加速阻力；第3 项为摩擦阻力． 4算例分析 以1 条宽4 ．0m ，高4 ．0m ，长度为5 0 0m 的矩 形隧道为例，假设在隧道底板因正庚烷泄露形成1 条长度、宽度未知的燃料带．隧道人风流密度p o 一 1 ．2k g ／m 3 ；隧道摩擦因子A 0 ．0 3 5 ；气温T o 2 9 8K ；设计防止烟气逆流的临界风速为3 ．0m ／s ． 分析正庚烷发生燃烧后的火区通风阻力． 尽管燃料沿隧道纵向分布长度未知，沿隧道横 向的分布宽度也未知，但显然其分布宽度应大于0 且小于隧道宽度，分布长度应大于0 且小于隧道长1 度．对于不同的燃料分布，火区的阻力特性是不同 的，因此需分别加以计算． 考虑不同的燃料燃烧速率及燃料分布，计算得 到火区阻力构成比例 图2 ．图中，m ，／ 细2 瓯 为 燃料实际燃烧速率与当量燃烧时的燃烧速率的比 值，本文称之为无因次燃烧速率． 1 ．O 墨 筮0 ．8 镁 霉0 ．6 较 嚣 0 ．2 O1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 火区长度，m 图2火区阻力构成比例 F i g ．2P e r c e n t a g eo fd i f f e r e n tp a r t si n c l u d e d i nf i r ez o n e ’Sd r a g 由图2 可以看出在同样燃烧速率下，摩擦阻 力在火区通风阻力中所占的份额随着燃料分布长 度增大而增大；加速阻力所占的份额相应减小．在 燃料无因次燃烧速率为0 ．0 5 对应正庚烷的实际 燃烧速率为0 ．2k g ／s ，释热速率约9M W ，相当于 一起中小规模的火灾 ，火区长度达到5 0 0m 的情 况下，加速阻力所占份额仍在1 0 ％以上．因此，在 分析火区阻力时不能仅考虑摩擦阻力，加速阻力也 是重要的，在火区长度较小时更是如此． 如前所述，加速阻力中应包括因燃料燃烧而进 入风流的那部分质量 即烟气的质量增量 做加速 运动而产生的阻力．一般情况下，单位时间燃烧的 燃料质量与风流质量流量相比是很小的．在本文所 讨论的算例中，将风流中的氧气全部耗尽所需的正 庚烷的质量也不过3 ．8k g ／s ，仅占风流质量流量 5 7 ．6k g ／s 的6 ．6 ％．但不能因此忽略烟气质量的 增加及气流组分的变化，而仅考虑火源对风流的加 热作用． 图3 分别给出了在火区分布长度为2 0 0m 时， 考虑烟气质量及组分的变化时火区总阻力及加速 阻力随燃烧速率的变化规律，以及在忽略烟气质量 及组分的变化即只考虑火源对风流的加热作用时 的结果． 1 2 0 1 0 0 蛊8 0 叠6 0 4 0 2 0 总阻力 加速阻力 00 ．20 ．40 ．60 ．81 ．0 而F 斤妒而0 2 图3火区阻力随无因次燃烧速率的变化 F i g ．3 V a r i a t i o no ff i r ez o n e ’Sd r a gw i t hf u l e ’S d i m e n s i o n l e s sb u r n i n gr a t e 根据图3 所示的结果，忽略烟气质量及组分的 变化时，阻力的计算计算结果可较考虑烟气质量及 组分的变化时高1 3 ％，加速阻力高1 7 ％．在燃烧速 率很低的情况下，忽略烟气变化时阻力计算结果较 考虑烟气变化时略低 图4 ，但差值非常小，从数 值上看完全可以忽略．导致这种结果的原因是忽 略烟气质量的增加及C O z ，H z O 等具有较高比热 的燃烧产物的生成将导致火区温度计算结果升高 图5 ，火区温度升高有增大阻力的趋势；忽略烟 气质量的增加及因组分变化而引起的摩尔数的增 加有导致阻力计算结果下降的趋势；在燃料消耗速 率很小时，2 种趋势基本相互抵消；而在燃料消耗 速率较大时，火区温度升高导致的阻力增大的趋势 大大加强，进而造成阻力计算结果的明显升高． 万方数据 第6 期 周延等纵向通风水平隧道火区阻力特性 7 0 7 皂 理 } | 9 j 碟 j j { f R 盛 00 ．0 20 ．0 40 ．0 60 ．0 80 ．1 00 ．1 2 而F 仰扁0 2 图4考虑与忽略烟气变化阻力计算结果差值 F i g ．4 D i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed r a g sc a l c u l a t e d w i t ho rw i t h o u ts m o k e ’Sv a r i a t i o n 蟹 越 赠 图5火区出口平均温度 F i g ．5A v e r a g et e m p e r a t u r ea to u t l e to ff i r ez o n e 5结论 1 摩擦阻力在火区总阻力中所占的份额随火 区长度的增大而增大，但在一个相当大的长度范围 内，加速阻力都是不能忽略的；在火区长度较小时， 加速阻力可以超过摩擦阻力成为火区阻力的主要 部分； 2 尽管单位时间参与燃烧的燃料质量通常远 小于风流的质量流量，但不能因此而忽略烟气质量 的增加和烟气组分的变化，否则将导致火区温度计 算结果过高，进而可能造成火区通风阻力计算结果 的明显升高． 在本文提出的火区通风阻力模型中，摩擦阻力 的计算采用的是管道流阻力的D a r c y 公式．D a r c y 公式一般可用于计算隧道内的通风阻力，但由于火 区内气流速度在断面上的分布与一般通风时的状 况可能有很大的区别，D a r c y 公式在计算火区摩擦 阻力时的精度如何还不太清楚．此外，火区内的烟 流与隧道壁面的换热过程在本文的模型中也做了 简化处理．因此，在今后的研究中还需对本文所提 出的火区阻力模型做进一步的检验或修正．此外， 对摩擦阻力和加速阻力的相对重要程度也需做更 深入的研究． 参考文献 [ 1 ] 卢平，丛北华，廖光煊，等．纵向通风水平隧道火灾 烟气流动特性研究[ J ] ．中国工程科学，2 0 0 4 ，6 1 0 6 0 - 6 4 ． L UP i n g ，C O N GB e i - h u a ，L I A OG u a n g - x u a n ，e ta 1 ． S t u d yo ff i r es m o k ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fh o r i z o n t a l t u n n e lu s i n gl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，2 0 0 4 ，6 1 0 6 0 - 6 4 ． [ 2 ] 王明年，杨其新，袁雪戡，等．公路隧道火灾情况下风 压场变化的模型试验研究口] ．公路交通科技，2 0 0 4 ， 2 1 3 6 0 - 6 3 ． W A N GM i n g - n i a n ，Y A N GQ i x i n ，Y U A NX u e - k a n ， e ta 1 ．T h em o d e lt e s to nv e n t i l a t i o np r e s s u r ec h a n g e i nh i g h w a yt u n n e lf i r e [ J ] ．J o u r n a lo fH i g h w a ya n d T r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t ，2 0 0 4 ，2 1 3 6 0 - 6 3 ． [ 3 ] 王德明，周福宝，周延．矿井火灾中的火区阻力及 节流作用[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 4 3 2 8 - 3 3 1 ． W A N GD e - m i n g ，Z H O UF u - b a o ，Z H O UY a n ．F i r e r e s i s t a n c ea n di t se f f e c to nf i r e - t h r o t t l i n gd u r i n gm i n e f i r e [ J ] ．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 4 3 2 8 3 3 1 ． [ 4 ] 王德明，章永久，张玉良，等．高瓦斯太井特大火区治 理的新技术[ J ] ．采矿安全工程学报，2 0 0 6 ，2 3 1 4 7 5 1 ． W A N GD e - m i n g 。Z H A N GY o n g - j i u ，Z H A N GY u _ l i a n g ，e ta 1 ．N e wt e c h n o l o g i e sf o rf i g h t i n ge x t r a o r d i n a r yf i r ei nah i g h g a s s yc o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n g s a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，2 3 1 4 7 5 1 ． [ 5 ] 过增元．热流体学[ M ] ．北京清华大学出版社， 1 9 9 2 ． [ 6 ] D R Y S D A L ED ．A ni n t r o d u c t i o nt Of i r ed y n a m i c s [ M ] ．W e s tS u s s e x J o h nW i l e y S o n s ，1 9 9 8 ． [ 7 ] M A R K A T O SNC ，M A L I NMR 。C O XG ．M a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fb u o y a n c y - i n d u c e ds m o k ef l o wi n e n c l o s u r e [ J ] ．J o u r n a lo fH e a ta n dM a s sT r a n s f e r ， 1 9 8 2 ，2 5 1 6 3 7 5 ． [ 8 ] 伊赫桑巴伦．纯物质热化学数据手册[ M ] ．程乃 良，牛四通，徐桂英，等译．北京科学出版社，2 0 0 3 ． 责任编辑王继红 嘶∞舵0眈舛舾 0 O 0 0 O O 万方数据