一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法

本发明属于隧道火灾防排烟领域，适用于对有水喷雾灭火系统的上行单坡隧道火灾临界风速的预测。

背景技术：

1、单坡隧道多存在于越岭线路的展线及沿河线路中，以满足一定的高程需求。一方面，单坡隧道作为一种狭长受限空间，火灾一旦发生，极易造成群死群伤的恶劣后果，同时隧道内火灾救援难度大，使得人民生命财产安全受到极大威胁。因而有必要对其开展深入研究，以便于为更多复杂隧道类型的相关研究提供理论基础；另一方面，纵向通风是抑制烟气逆流的重要控制手段，发生火灾时，纵向通风能够将烟气从下游排出，保障隧道上游区域能安全进行人员疏散及救援活动，而临界风速是抑制烟气向隧道上游方向扩散所需的最小风速，也是决定纵向排烟有效性的关键参数，因而对临界风速的研究可以为实际防排烟工程设计提供理论依据及设计参考，有助于资源的合理利用。

2、隧道内若装有水喷雾系统，火灾发生后水喷淋被启动，细水雾不仅对烟气扩散具有阻碍作用，还能够降低隧道内的温度，为救援争取宝贵的时间。对于水喷雾系统的研究大多是在二十一世纪才开展的，多数集中在水喷雾对火灾烟气温度的影响、以及水喷雾对通风驱动力的影响等。部分学者将两者相结合进行了一定量的研究，但多数集中在两者耦合下隧道内火灾烟气特性分布情况，对水喷雾作用下的临界风速研究相对较少。而目前无针对考虑隧道水喷雾流量对上行单坡隧道临界风速的计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决当前水喷雾系统下隧道火灾仿真中尚未考虑坡度与水喷雾耦合作用下的临界风速预测方法。隧道火灾中采取不同火源功率的火源模型，为加水喷雾系统上行单坡隧道火灾的临界风速预测提供一种有效的方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种加水喷雾系统上行单坡隧道火灾临界风速的预测方法，包括以下步骤：

4、(1)根据隧道的物理结构和隧道内水喷雾系统设置情况，确定所述隧道内的火灾场景模拟的基础设定参数，在fds软件中建立隧道火灾仿真的物理模型；

5、(2)确定隧道内临界风速的影响因素，建立所述临界风速vc与所述影响因素的关系式。

6、(3)确定所述影响因素的基本物理量，根据π定理得到所述影响因素的无量纲项，进而将步骤(2)中的所述量纲关系式转变为无量纲关系式，再获得所述临界风速vc的无量纲计算公式；

7、(4)以影响因素为变量，通过fds进行数值模拟计算，得到不同情况下的临界风速vc；将模拟结果绘制成散点图，明确各影响因素对所述临界风速vc的影响；

8、(5)对所述散点图的结果进行非线性拟合，得到所述步骤(3)中的所述无量纲计算公式中的各未知系数的取值，进而构建无量纲式的加水喷雾系统上行单坡隧道火灾临界风速预测模型。

9、在上述方案基础上，本发明可做如下改进。

10、进一步，所述步骤(1)中，所述基础设定参数包括隧道模型尺寸、隧道坡度i、火源功率q、水喷雾流量q；

11、进一步，所述隧道模型尺寸为长300m×宽9m×高6.3m，在模型隧道中，设置有热电偶在隧道顶端(距离隧道顶部0.15m处)用于测量隧道内温度变化情况，同时在隧道中心线上设置有温度切片以观测隧道内部温度场的变化；

12、进一步，所述隧道坡度分别设置为0％、3％、5％、7％；

13、进一步，所述火源尺寸为4.8m×2m，距离隧道底部1.5m，火源功率为10mw、15mw、20mw、25mw、30mw；

14、进一步，在距离火源上下游20～30m的隧道两侧壁4.2m高处安装了间距为5m的水喷雾喷头。喷水流量设置为0l/min、100l/min、200l/min、300l/min、400l/min、500l/min、600l/min。

15、进一步，所述步骤(2)中，隧道中的影响因素有火源热释放速率q、隧道水力直径hef、隧道坡度i、环境空气温度t0、环境空气密度ρ、空气的定压比热容cp、重力加速度g、水喷雾系统流量q。

16、进一步，所述步骤(2)中，所述临界风速vc与所述影响因素的关系式为：

17、f(vc,q,q,hef,i,t0,ρ,cp,g)＝0

18、进一步，所述步骤(3)中，所述基本物理量为隧道水力直径hef、环境空气温度t0、环境空气密度ρ、重力加速度g。

19、进一步，引入π定理可得到：

20、

21、进一步，所述步骤(3)中，所述影响因素的无量纲项为：

22、

23、进一步，所述步骤3)中，所述临界风速vc的无量纲计算公式为：

24、

25、即：

26、vc*＝f(q*,q*,i)

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：理论上，应用了π定理和量纲分析，奠定了理论基础；实际应用上数值模拟方法简单，可根据隧道实际情况设置参数。综合考虑了加水喷雾的上行单坡隧道结构的特殊性，确定了水喷雾流量、隧道坡度及火源功率对隧道内临界风速的影响，适用于多种不同坡度、火源功率、不同水喷雾流量的上行单坡隧道内临界风速的预测。通过模拟发现与预测公式吻合度较高，验证了此方法的科学性的和实用性，补充了传统单坡隧道研究中未考虑坡度与水喷雾耦合作用的情况，完善了坡度隧道内临界风速的预测公式。本方法在量纲关系推导过程中基本考虑了全部的影响因素，得到的结果更具创新性和指导意义。通过预测计算临界风速度能够为加水喷雾上行单坡隧道火灾烟气控制及消防救援提供指导。

技术特征：

1.一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(1)中隧道的三维模型，所述基础设定参数包括隧道模型尺寸、隧道坡度i、火源功率q、水喷雾流量q。

3.根据权利要求2所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(1)所述隧道模型尺寸为长300m×宽9m×高6.3m，在模型隧道中，设置有热电偶在隧道顶端(距离隧道顶部0.15m处)用于测量隧道内温度变化情况，同时在隧道中心线上设置有温度切片以观测隧道内部温度场的变化。

4.根据权利要求3所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(1)所述隧道坡度分别设置为0％、3％、5％、7％；所述火源尺寸为4.8m×2m，距离隧道底部1.5m，火源功率为10mw、15mw、20mw、25mw、30mw。

5.根据权利要求4所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(1)所述在距离火源上下游20～30m的隧道两侧壁4.2m高处安装了间距为5m的水喷雾喷头，喷水流量设置为0l/min、100l/min、200l/min、300l/min、400l/min、500l/min、600l/min。

6.根据权利要求5所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(2)中，隧道中的影响因素有火源热释放速率q、隧道水力直径hef、隧道坡度i、环境空气温度t0、环境空气密度ρ、空气的定压比热容cp、重力加速度g、水喷雾系统流量q。

7.根据权利要求6所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述临界风速vc与所述影响因素的关系式为：

8.根据权利要求7所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述基本物理量为隧道水力直径hef、环境空气温度t0、环境空气密度ρ、重力加速度g。

9.根据权利要求8所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述影响因素的无量纲项为：

10.根据权利要求9所述的一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述临界风速vc的无量纲计算公式为：

技术总结
本发明涉及一种加水喷雾系统上行单坡隧道临界风速的预测方法。所述临界风速预测方法包括：根据隧道结构及坡度确定火灾场景，在火灾动力学模拟软件FDS中建立隧道模型并设置其基本参数，划分网格；确定临界风速的影响因素和基本物理量，根据π定理得到影响因素的无量纲项，推导出临界风速的无量纲计算公式；改变隧道坡度、火源功率及水喷雾流量，进行数值模拟，获得不同工况下隧道内临界风速值；将模拟结果绘制成散点图并进行非线性拟合，得到无量纲关系式中各未知系数的取值，进而构建无量纲上行单坡隧道内临界风速预测模型。本发明适用于不同火源功率、不同水喷雾流量、不同坡度的上行单形坡隧道火灾发生时隧道临界风速预测。

技术研发人员：王洁,柴艺
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14