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隧道火灾特性

编辑:北京消防设计公司    |      2019-09-17 15:17    

  隧道火灾中产生的大量烟气威胁人员逃生、影响火灾扑救路线、阻碍救援人员对伤员的救助。

  就其火灾特性来说,隧道火灾由于其狭长空间形式,致使火灾的发展和烟气的蔓延特性不同于一般建筑。

  隧道火灾特性

  由于空间的限制,隧道火灾中热烟气层反馈给内部空间的热量比在室外火灾中接受的热量要大得多。

  隧道火灾与室外火灾热反馈的不同之处,室外火灾中可燃物受到的火焰辐射很少,而隧道火灾中,可燃物周围的高温烟气对其产生的辐射热要远远高于室内火灾。

  由于热反馈较大,在室外火灾中不会被引燃的可燃物在隧道中会剧烈燃烧。

  例如,与开放环境相比,隧道中的火灾热释放速率能增大4倍。此外,可燃物的燃烧使得氧气不足,火灾大部分情况下属于通风控制,会产生大量烟气和未完全燃烧产物。

  因此,通风是影响火灾发展的重要因素,有时会决定火势的蔓延扩大或窒息熄灭。这表明,正确的送风方式和时机,对于控制火灾发展和烟气蔓延十分关键。

  01烟气分层

  在燃料控制的隧道火灾中,烟气流动状态和烟气分层程度取决于隧道内部的风速。

  为了便于描述,一般将隧道内风速划分三种速度范围:

  (1)无强迫通风(低速气流):0~1m/s;

  (2)中等强迫通风:1~3m/s;

  (3)高速强迫通风:速度大于3m/s。

  低风速范围一般是自然通风状态,烟气在火源附近形成烟气层。烟气在隧道内的回流长度相对较长,火源上游和下游两个方向的烟气扩散距离大致相同,当纵向风接近1m/s时,回流长度大概是隧道高度的17倍。

  中等风速下,火源附近的烟气成层被纵向风速强烈影响,回流长度为隧道高度的1~17倍。

  强迫通风所形成的纵向气流一般速度较高,这种情况下,火源下风方向的烟气成层程度低。因此,利用排烟装备形成高速气流强迫通风排烟时,必须要确认火灾下游区域内的人员疏散完毕。否则,烟气的高度湍流会对下游人员造成巨大威胁。

  02温度分布

  利用移动装备对隧道进行送风排烟时,隧道顶部温度的纵向分布与烟气分层有一定的联系。

  Newman指出,温度分布和气体产物以及烟气分布有一定关系;Ingason和Persson研究发现,火源处的烟气密度和温度以及氧气浓度具有相关性。

  因此可以得知温度分布和烟气层的分布是相关的,而温度分布不仅与风速有关,还与热释放速率和隧道高度有关。

  这些参数通常可以用Froude数(表征惯性力与烟气层的浮力之比)和Riehardson数(表示浮力和惯性力的比值)联系起来。

  在隧道内,对于火灾下游的气体,若由于纵向风的作用,热烟气与隧道空气充分混合,混合气体的平均温度、速度、浓度,作为与火源位置距离x的方程,是可以计算得到的。

  03热释放速率

  为了控制火灾烟气蔓延,许多隧道中都装有纵向通风系统,然而设计部门却很少考虑通风对于火灾的发展和传播的影响。

  尤其是当这些固定系统一旦失效,利用移动排烟装备进行烟气控制,对火灾热释放速率的影响,亟需深入研究。

  火灾热释放速率与诸多因素相关,包括燃料的燃烧充分程度和氧气的供给程度。

  尽管已经有很多文献研究不同通风条件下的烟气输运行为,却少有涉及到对于火灾自身的影响,因此,送风排烟下的火灾热释放速率无法明确。

  例如,对于隧道火灾,Heselden(1976)估算重载车辆(HGV)火灾热释放速率大约20MW。然而,Grant(1997)采用风速为3m/s的纵向通风,在隧道中进行的重载车辆火灾实验,测试得的热释放速率超过了120MW。

  隧道内风速增加,使火灾热释放速率增加,是由于火焰对可燃物给予了更多的热量传递,并且有更多的氧气运送到火源,加强了氧气与燃料的混合。

  04临界风速

  临界风速为隧道内发生火灾时,为了抑制火灾烟气回流,通过火场送风,在隧道内形成的最小纵向送风风速。图6.3为临界风速时烟气没有发生回流现象。

  Bettis等通过进行全尺寸实验,发现火源较小时,临界风速随热释放速率的1/3次幂指数而变化;当火源较大时,临界风速却随热释放速率的变化而不再发生变化。

  Parsons在Memorial火灾通风实验中发现,基于Froude数的临界风速预测模型在火源功率为50~100MW的火源热释放速率范围内,比实际临界风速偏高5~15%。

  因此基于Froude数的预测模型对于较大的火灾是不适用的。

  在进行隧道火灾扑救时,消防员的最终目标是疏散和救援所有被困人员,控制并熄灭火灾。火场送风排烟根据临界风速原理,可以将火灾产生的烟气控制在火源的下方,这会在火源上风方向提供一个无烟的逃生路线。

  然而,值得注意的一个问题是,达到临界风速的火场送风,可能会加剧燃烧物的燃烧。因此,在利用排烟装备进行火场送风排烟时,要合理调节排烟装备的战术参数。