ua084-水電站地下主廠房機(jī)械通風(fēng)排煙效果的1：12模型實(shí)驗(yàn)研究：排煙口位置影響

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精益求精，善益求善。ua084_水電站地下主廠房機(jī)械通風(fēng)排煙效果的1：12模型實(shí)驗(yàn)研究：排煙口位置影響水電站地下主廠房機(jī)械排煙效果的水電站地下主廠房機(jī)械排煙效果的PAGEPAGE12水電站地下主廠房機(jī)械排煙效果的PAGE水電站地下主廠房機(jī)械通風(fēng)排煙效果的1：12模型實(shí)驗(yàn)研究：排煙口位置影響西安建筑科技大學(xué)馬江燕李安桂武曄秋胡江中國(guó)水電集團(tuán)西北水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院肖斌丁季芳張鵬中國(guó)水電顧問(wèn)有限公司楊志剛摘要：利用弗勞德數(shù)模型(Froude-numberModel)建立1：12水電站主廠房模型，進(jìn)行了一系列研究。本文報(bào)告補(bǔ)風(fēng)口位置不變、改變排煙口位置，不同機(jī)械排煙風(fēng)量（G0、0.5G0、1.5G0）時(shí)的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究表明，對(duì)于水電站超大空間內(nèi)的發(fā)電機(jī)設(shè)備火災(zāi)情況，機(jī)械排煙量對(duì)排煙效果影響很大，而排煙口的相對(duì)位置對(duì)機(jī)械排煙效果影響較小。該研究成果為水電站機(jī)械防排煙的設(shè)計(jì)及規(guī)范的修訂提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：模型實(shí)驗(yàn)機(jī)械排煙水電站主廠房大空間1引言地下空間如隧道、水電站等建筑空間的外部由巖石、土壤包圍著，內(nèi)部空間只有與地面相接的通道才與外部大氣相連通，其火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)與煙氣控制受到了廣泛重視和研究[1][2]。關(guān)于水電站等地下廠房地下大空間，火災(zāi)及其煙氣流動(dòng)控制是國(guó)內(nèi)外有待于研究解決的難題。研究地下高大空間機(jī)械排煙，對(duì)防排煙設(shè)計(jì)、減少火災(zāi)中的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要的意義。然而，水電站地下主廠房空間巨大，應(yīng)用全尺寸實(shí)驗(yàn)研究非常困難，而且耗資巨大。相似模型實(shí)驗(yàn)作一種科學(xué)的研究方法被廣泛應(yīng)用到火災(zāi)煙氣流動(dòng)的研究之中，并能很好的預(yù)測(cè)真實(shí)的火災(zāi)煙氣流動(dòng)[3]-[5]。常用的火災(zāi)相似模型主要有兩大類(lèi)[3]：弗勞德模型（Froude-numberModel）和壓力模型（pressureMode）；壓力模型用于模擬可燃物的燃燒情景，模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在加壓容器中進(jìn)行。弗勞德模型用于模擬火煙羽的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題，模型在常壓下進(jìn)行。本模型實(shí)驗(yàn)在常壓下進(jìn)行，研究的問(wèn)題是火災(zāi)的煙羽流與傳熱的問(wèn)題，因而選擇Froude模型。本文基于Froude模型，采用1：12的比例尺，在不同工況下對(duì)水電站地下主廠房發(fā)電機(jī)層機(jī)械排煙效果進(jìn)行了研究。2模型介紹及模型物理比例尺2.1模型介紹本1：12模型（見(jiàn)圖1）是根據(jù)在建國(guó)家重點(diǎn)水電項(xiàng)目魯?shù)乩娬局鲝S房（見(jiàn)圖2）經(jīng)過(guò)合理的簡(jiǎn)化而建立起來(lái)的，模型分為三層：發(fā)電機(jī)層、母線(xiàn)層、水輪機(jī)層（具體尺寸見(jiàn)表1）。本實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)發(fā)電機(jī)層發(fā)生火災(zāi)時(shí)機(jī)械排煙效果進(jìn)行研究。名稱(chēng)實(shí)型模型模型長(zhǎng)度（m）模型寬度（m）發(fā)電機(jī)層高度（m）母線(xiàn)層高度（m）水輪機(jī)層高度（m）排煙口（長(zhǎng)×寬）（m）溫度*幾何尺寸*速度*時(shí)間*排煙量*火源強(qiáng)度*10225×0.5111160.460.06×0.0610.08330.28860.28860.00200.0020表1各量實(shí)型與模型比較匯總表（備注：*表示假設(shè)實(shí)型為1）圖11：12模型實(shí)物圖圖2水電站地下主廠房2.2物理比例尺在Froude模型中，F(xiàn)r（Froude）數(shù)是模型設(shè)計(jì)的依據(jù)，所以，模型的Frm數(shù)和原型的Frf數(shù)相等（腳標(biāo)m代表模型，f代表原型，下同），為了便于處理問(wèn)題，令：Tm=Tf即：，F(xiàn)r=1即可得出，即，又由：建立的模型幾何比例尺為1：12即：，可得，速度關(guān)系比例尺:，同理可得到：火源強(qiáng)度關(guān)系比例尺：；時(shí)間關(guān)系比例尺:；進(jìn)風(fēng)口或排煙口體積流量關(guān)系:。把各量比例尺匯總見(jiàn)表1。其中：Fr表示Froude數(shù)，V表示速度，X表示幾何尺寸，g為重力加速度，表示時(shí)間，Q表示火源強(qiáng)度，Vol表示機(jī)械排煙量。2.3熱電偶布置本實(shí)驗(yàn)主要利用熱電偶測(cè)量煙氣溫度的變化，熱電偶在發(fā)電機(jī)層的布置圖見(jiàn)圖3，煙氣圖3主廠房發(fā)電機(jī)層熱電偶的布置圖層高度是研究機(jī)械排煙效果的一個(gè)重要指標(biāo)，煙氣層的判別方法有很多，其中N百分比法[6][7]應(yīng)用廣泛，大量的實(shí)驗(yàn)研究和場(chǎng)模擬[8]-[10]計(jì)算均采用了該方法。本實(shí)驗(yàn)研究也采用N百分比法判斷煙氣層高度。3.模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Zukoski解和數(shù)值解的比較為了評(píng)價(jià)1：12模型律的合理性和準(zhǔn)確性,筆者開(kāi)展了模型實(shí)驗(yàn)以及全尺寸的FDS[11][12]模擬，實(shí)驗(yàn)的前提是沒(méi)有排煙，實(shí)驗(yàn)時(shí)火源釋放率1kW和3kW（位置主廠房的中心）按照表1火源強(qiáng)度比例尺進(jìn)行還原成實(shí)型，得到模擬時(shí)對(duì)應(yīng)火源強(qiáng)度500kW和1500kW，再把實(shí)驗(yàn)得到的煙氣層高度隨時(shí)間的變化按照相應(yīng)的比例尺（見(jiàn)表1）還原，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。Zukoski[13]給出了一個(gè)關(guān)于煙氣高度的計(jì)算公式：（1）式中：Z表示煙氣層高度，m；Q表示火源強(qiáng)度，kW；A表示發(fā)電機(jī)層地面面積，m2；H表示發(fā)電機(jī)層高度，m。圖4煙氣層高度變化(a)1kW(500kW)時(shí)煙氣層高度，(b)3kW(1500kW)時(shí)煙氣層高度把1：12模型值與FDS預(yù)測(cè)值以及Zukoski預(yù)測(cè)計(jì)算繪制在一張圖上，見(jiàn)圖4。從圖中可以得出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合的較好，而實(shí)驗(yàn)值、模擬值和Zukoski的預(yù)測(cè)值在前半程吻合度較好，而在后半程實(shí)驗(yàn)值、模擬值和Zukoski預(yù)測(cè)值吻合度較差。這表明1:12的相似模型和FDS的全尺寸模型能較好的預(yù)測(cè)地下水電站大空間的火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)狀況。4模型機(jī)械排煙效果實(shí)驗(yàn)我國(guó)《水利水電工程防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]給出了有關(guān)主廠房的規(guī)定:非地面廠房、封閉廠房的發(fā)電機(jī)層及其廠內(nèi)主變壓器搬運(yùn)道應(yīng)采取機(jī)械排煙系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)層的排煙量，可按一臺(tái)機(jī)組段的地面面積計(jì)算，不小于120m3/(h·m2)，而在《水利水電工程防火設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定排煙口的位值和間距，一般從業(yè)人員是按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[15]中規(guī)定：排煙口應(yīng)設(shè)置在頂棚或靠近頂棚的墻面上，防煙分區(qū)內(nèi)的排煙口距最遠(yuǎn)點(diǎn)的水平距離不應(yīng)超過(guò)30.0m4.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)火源強(qiáng)度為3KW，火源位置位于發(fā)電層地面中心位置，風(fēng)量給據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量設(shè)定為G0。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2給定。通過(guò)變動(dòng)排煙口的位置（見(jiàn)圖）來(lái)研究排煙口相對(duì)位置對(duì)排煙效果的影響。S系列的排煙口為“設(shè)計(jì)排煙口”，A系列的排煙口為“三排煙口”，A系列和S系列排煙口實(shí)驗(yàn)主廠房長(zhǎng)度方向上均勻布置的。把排煙口A-1、A-2、A-7、A-8、B-1、B-2、B-7、B-8、S-1、S-2、S-7、S-8定義層為“左集中排煙口”，把排煙口A-5、A-6、A-11、A-12、B-5、B-6、B-11、B-12、S-5、S-6、S-11、S-12定義為“右集中排煙口”。表2實(shí)驗(yàn)工況工況名稱(chēng)風(fēng)口布置方式排煙量火源位置火源強(qiáng)度環(huán)境溫度1設(shè)計(jì)風(fēng)口G0中心3kW20.72三風(fēng)口G0中心3kW15.93右風(fēng)口G0中心3kW18.034左風(fēng)口G0中心3kW20.75設(shè)計(jì)風(fēng)口0.5G中心3kW16.56三風(fēng)口0.5G中心3kW16.57右風(fēng)口0.5G中心3kW18.48左風(fēng)口0.5G中心3kW15.79設(shè)計(jì)風(fēng)口1.5G中心3kW20.110三風(fēng)口1.5G中心3kW18.411右風(fēng)口1.5G中心3kW17.912左風(fēng)口1.5G中心3kW17.7圖5排煙口在頂棚上的位置4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析4.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果把實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果按照排煙口位置進(jìn)行對(duì)比，圖6中無(wú)因次時(shí)間由下式計(jì)算：，式中H為發(fā)電機(jī)層高度，g重力加速度，t時(shí)間。無(wú)因次煙氣層高度由下式計(jì)算:，表示煙氣層高度與發(fā)電機(jī)層高度的比值。圖6給出了排煙口位置不同時(shí)無(wú)量綱煙氣層高度的變化，可以得知一個(gè)重要的現(xiàn)象—當(dāng)排煙口位置不同時(shí)，而排煙量相同時(shí)，無(wú)量綱煙氣層高度隨時(shí)間的變化相差并不大。下面分別給出三種風(fēng)量下的出現(xiàn)的現(xiàn)象：當(dāng)排煙量為1倍時(shí)，火災(zāi)初期四種風(fēng)口下排煙效果區(qū)別很小，在后期設(shè)計(jì)風(fēng)口(a)G0(b)0.5G0(c)1.5G0圖6不同排煙口布置方式下煙氣層高度(a)G0(b)0.5G0(c)1.5G0下的排煙效果相對(duì)較好；當(dāng)排煙量為1.5倍的設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，火災(zāi)初期四種排煙方式亦相差不大，到后期右集中排煙效果較好，集中排煙次之。當(dāng)排煙量為0.5倍的設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，火災(zāi)初期四種排煙方式亦相差不大，到后期左集中排煙效果較好。4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，在火源強(qiáng)度一定，排煙量一定，排煙口的位置對(duì)排煙效果不明顯，在排煙量一定的前提下排煙效果的好壞是由氣流組織來(lái)決定的。現(xiàn)在用一種思路來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題，送風(fēng)口的位置是決定氣流組織的一個(gè)重要因素，只要送風(fēng)口確定后，回風(fēng)口的位值對(duì)氣流組織影響較小（前提是送回風(fēng)不短路）。在水電站地下主廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)中，交通洞是唯一的補(bǔ)風(fēng)口，在排煙過(guò)程中相當(dāng)于送風(fēng)，排煙口相當(dāng)于回風(fēng)，風(fēng)量一定時(shí)，排煙口的位置對(duì)氣流組織的影響因素較小，這就說(shuō)明其對(duì)排煙效果影響也較小。流體力學(xué)[16]中也給出位于自由空間的點(diǎn)匯吸氣口的排風(fēng)量計(jì)算公式：式中：,——點(diǎn)1和點(diǎn)2的速度,——點(diǎn)1和點(diǎn)2的至吸入口的距離圖7點(diǎn)匯吸入口速度變化點(diǎn)匯的吸入口速度的衰減與距離的平方成反比，說(shuō)明排煙口吸入口速度影響范圍很小。從理論上分析表明，對(duì)于水電站這個(gè)特殊的空間，排煙口的位置對(duì)排煙效果的影響不大。5結(jié)論本文通過(guò)1：12模型進(jìn)行不同工況下的機(jī)械排煙實(shí)驗(yàn)，對(duì)補(bǔ)風(fēng)口位置不變、排煙口位置改變，對(duì)機(jī)械排煙影響做了較詳細(xì)的研究。研究結(jié)果表明：對(duì)于水電站發(fā)電機(jī)層超大空間，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，交通洞是唯一的補(bǔ)風(fēng)口，在這種情況下，機(jī)械排煙口的位置（無(wú)論是均勻布置還是非均勻布置）對(duì)機(jī)械排煙的效果影響較小，而機(jī)械排煙量對(duì)排煙效果影響很大這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以水電行業(yè)的防排煙的設(shè)計(jì)以及規(guī)范的修訂提供依據(jù)。致謝本研究得到國(guó)家水電行業(yè)國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目（編號(hào)：CHC-K-J-2007-21-12）及陜西省“13115”科技創(chuàng)新工程重大科技專(zhuān)項(xiàng)資助（項(xiàng)目編號(hào)：2009ZDKG-47），特此鳴謝。ExperimentalStudywith1:12ModelonMechanicalExhaustEfficiencyinMainHydropowerPlantFire:EffectofSmokeOutletsLocationXi'ANUniversityofArchitectureWuYeqiuHuJiangNorthwestHydroConsultingEngineersXiaoBingDingJifangZhangPengInternationalElectricPowerforChinaYangZhigangAbstract:Themainhydropowerplant1:12modelwasestablishedaccordingtotheFroudenumberModel.Seriesofmodeltestswithdifferentmechanicalexhaustrates(G0,0.5G0,and1.5G0)andlocationsofthesmokeoutletswerecarriedout.Resultsshowthatmechanicalexhaustrateshavegreatimpactonsmokeexhaustefficiency,whilelocationofsmokeoutletshaslittleeffectonmechanicalsmokeexhaustefficiency,whichcanprovidethebasisformechanicalsmokeexhaustsystemdesignandthespecificationamendmentofhydropowerplant.Keywords:modeltestmechanicalexhaustmainhydropowerplantlargespace參考文獻(xiàn)：[1]L.H.Hu,R.Huo,W.K.Chowet.al.·Full-scaleburningtestsonstudyingsmoketemperatureandvelocityalongacorridor[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2005,20:223–329[2]L.H.Hu,R.Huo,W.K.Chowet.al.·Onthemaximumsmoketemperatureundertheceilingintunnelfires[J]·TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2006,21:650–655[3]JAMESGQ.·Scalingapplicationsinfireresearch[J].FireSafetyJournal,1989,1(5):3-29.[4]劉方,付祥釗，廖曙江,等.中庭火災(zāi)煙氣流相似模型[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，11(4)：17-20.[5]J.L.BAILEY,G.P.FORNEY,P.A.TATEM.et.al·DevelopmentandValidationofCorridorFlowSubmodelforCFAST[J].JournalofFireProtectionEngineering,2002,12:139-161[6]CooperLY,HarkleroadM,QuintiereJ,etal·Anexperimentalstudyofupperhotlayerstratificationinfull-scalemulti-roomfirescenarios[J].JournalofHeatTransfer,1982,104(11):741-749[7]PeacockRD,BabrauskasV·Analysesoflarge-scalefiretestdata[J].FireSafetyJournal,1991,17(5):387-414[8]ChowWK,LiYZ,CuiE,etal·Naturalsmokefillinginatriumwithliquidpoolfiresupto1.6MW[J].BuildingandEnvironment,2001,36(1):121-127[9]李元洲,霍然,周建軍,等·中庭內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),1999,18(3):4-8[10]易亮，霍然，李元洲等·單側(cè)不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)氣大空間機(jī)械排