徐浩倬，李耀庄，徐志胜，何路



基于正交试验法的隧道集中排烟部分影响因素模拟试验研究

徐浩倬，李耀庄，徐志胜，何路

(中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075)

基于正交试验法设计试验方案，采用FDS数值模拟方法，研究排烟量、排烟口间距、排烟口开启方式和纵向风速对隧道内火灾情况下集中排烟效果的影响，并利用方差分析得出各因素对隧道集中排烟效果影响的显著程度。研究结果表明：在隧道盾构段火灾情况下，采用集中排烟时，排烟口开启方式和纵向风速对集中排烟效果有着特别显著的影响，排烟口间距对烟气蔓延范围有一定的影响。根据研究结果，隧道火灾情况下集中排烟时宜采用火源上下游对称开启排烟口方式，重点研究设计合理的纵向风速，结合火灾规模和烟羽流模型计算出的合理排烟量以及排烟口合理的间距，从而获得最佳烟气控制方案和排烟效率。

集中排烟；正交试验法；方差分析

隧道火灾燃烧猛烈，短时间内温度急剧升高，烟气浓度大，产生大量CO和其他有毒有害气体，且隧道空间狭长，发生火灾时车辆障碍物多，严重危害隧道内人员疏散和救援。独立排烟道集中排烟模式排烟的目的就是将火灾烟气控制在隧道较小的范围内，以实现隧道火灾引起的伤亡和损失的最小化[1]。集中排烟将烟气控制在火灾附近一定范围内，同时将烟气集中排出隧道外，提高隧道内发生火灾时环境的安全性，为隧道内人员的疏散以及救援提供良好的条件。因此，集中排烟模式下的排烟效率尤为重要。在实际隧道工程的独立排烟道集中排烟模式系统中，排烟效率还可能受到排烟量、排烟口间距、排烟口开启方式和数量以及纵向风速等因素影响。蔡崇庆等[2]利用数值模拟的方法研究排烟口间距对隧道集中排烟效率的影响，分析认为排烟口间距越大，导致排烟口开始发生吸穿的排烟速率越小。刘琪等[3]同样利用数值模拟的方法研究排烟风量对隧道集中排烟效率的影响。此外，国内外许多学者也对隧道集中排烟效率的影响因素进行了深入研究[4−8]。已有文献中，对集中排烟模式排烟效率的研究，大多采用控制变量法，对于影响集中排烟效率的因素进行单个研究，以此选取出该因素的取值；工程上同样采取控制变量法，对所考虑因素，选取比较几个值，从中选定出一个取值。控制变量法中未考虑各个影响因素对集中排烟效果影响的不同程度及搭配效果，综合可比性较低。另外，若考虑因素较多情况下，工作量大大增加。正交试验法是应用正交表的正交原理和数理统计分析，研究多因素优化试验的一种科学方法。它可以用最少的试验次数优选出各因素较优参数或条件的组合[9]。进行正交试验，既可以保证试验结果的有效性，又可大大减少工作量。故本文考虑对4种影响集中排烟效率的因素进行正交试验，为今后工程中相关研究提供方法上的参考。本文采用正交试验法对排烟量、排烟口间距、排烟口开启方式和数量以及纵向风速4种隧道内集中排烟影响因素进行模拟试验，并进行比较分析，得出4个因素对隧道集中排烟效果的影响，并分析这4个因素影响的显著程度。

1 模拟试验设计

1.1 试验模型

以某过江通道工程盾构段为试验对象，模拟该隧道盾构段火灾工况下集中排烟。以该过江通道工程盾构段建立FDS(Fire Dynamic Simulation)模型，模型的盾构外径14.5 m，内径13.3 m，模型长600 m，顶部排烟道净面积约为12.95 m2，每个排烟口尺寸为5 m×1.25 m，不考虑坡度的影响。

1.2 试验因素与位级

根据国内外相关研究及工程实例，模拟试验选取排烟量、排烟口间距、排烟口开启方式和数量以及纵向风速4个因素作为研究对象。

1) 排烟量主要取决于烟气生成速率，而火灾烟气生成速率主要取决于火源上方烟气羽流的质量流量，采用轴对称型烟羽流模型计算出排烟量为126.5 m3/s。《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)规定：排烟风机的全压应满足排烟系统最不利环路的要求。且其排烟量应考虑10%~20%的漏风量，根据烟气生成量理论计算值，考虑火灾最不利场景。故本模拟试验中选取140，150和160 m³/s 3种排烟量[10]。

2) 参考《公路隧道通风设计细则》(JTGTD70/ 2−02−2014)，排烟口间距不宜小于60 m。故本次模拟试验中设置55，60和65 m3种排烟口间距[11]。

3) 排烟口开启方式主要有对称开启和非对称开启。根据该过江隧道工程的实际情况，本次模拟试验选取三种排烟口开启方式：火源上游开启2组/下游开启4组、火源上游开启3组/下游开启3组和火源上游开启2组/下游开启3组。

4) 根据该过江隧道工程实际情况，本次模拟试验选取3种纵向风速：0.5，0.8和1.0 m/s。

此外，依据该过江隧道工程实际通车情况以及火灾危险性，选取此次模拟试验火灾荷载为30 MW，采用t2超快速火。具体试验因素与位级，如表1所示。

1.3 正交表选择

正交表的类型有很多，常见的正交表有二位级正交表、三位级正交表、四位级正交表以及混合表。选择正交表时，需要考虑因素(变量)的个数、因素位级(变量的取值)的个数，正交表的行数等。本模拟试验为四因素三位级试验，故选用三位级表L9(34)，如表2所示。

表1 试验因素与位级

表2 正交表

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

利用FDS对9组试验进行模拟分析，得出烟气层蔓延范围随距火源距离的变化曲线和各排烟口的排烟效率以及总排烟效率，如图1和表3所示。

由图1可以看出，9组试验工况烟气蔓延规律一致，但每组工况的烟气在火源上下游蔓延范围有所区别；由表3可以看出，9组试验工况每个排烟口的排烟效率不同，总体排烟效率存在差别。故对烟气在火源上下游蔓延的范围和总体的排烟效率进行后续分析。

图1 烟气蔓延范围图

表3 排烟口排烟效率分析

注：S火源上游排烟口；X火源下游排烟口

采用方差分析时，应计算考核指标数值总和，每一列的各位级数离差平方和S及其自由度f，总离差平方和及其自由度，并将计算结果填入正交数据分析表中[12]。,S,分别用以下各式计算[4]：

式中：y为第次试验考核指标值；为试验次数。

式中：K为每一列相同位级考核指标数值之和；为考核指标数值综合；为位级数；为试验次数；=1，2，3，…，。

表4 数据分析表

注：1−3,为1-3位级烟气蔓延长度之和，R为烟气蔓延长度极差，S为烟气蔓延长度离差平方和；1-3,为1-3位级排烟效率之和，R为排烟效率极差，S为排烟效率离差平方和；为自由度

2.2 方差分析

利用方差分析，可以找出各因素对考核指标影响的主次顺序，同时可以找出各因素影响的显著程度，列出其影响的主次顺序[13]。烟气蔓延范围方差分析结果见表5，排烟效率方差分析见表6。

表5 烟气蔓延范围方差分析

表6 排烟效率方差分析

注：“—”表示无影响；“。”表示有一定影响；“*”表示显著；“**”表示非常显著；“***”表示非常非常显著

2.3 研究结果分析

2.3.1 烟气蔓延范围

从表5可以看出，对烟气蔓延范围影响效果由大到小依次是排烟口开启方式、纵向风速、排烟口间距；排烟量的大小对烟气蔓延范围并无明显影响。实际隧道工程中一般考虑在火源上下游300 m开启相应的排烟口进行集中排烟，为了将烟气控制在火源附近一定范围内，对称开启火源上下游3个排烟口效果最好。纵向风速对烟气蔓延范围也有显著的影响，风速过小无法控制烟气在一定范围，风速过大易造成烟气紊乱[14]。排烟口间距对烟气蔓延范围存在一定影响，考虑上下游300 m之间对称分布效果较好。由于本试验设定的排烟量3个因素是根据本隧道工程火灾规模及烟羽流模型计算得出较为合理的排烟量数值，因此本试验分析中排烟量的大小对烟气蔓延范围并无明显影响。

2.3.2 排烟效率

从表6可以看出，对排烟效率影响效果由大到小依次是纵向风速和排烟口开启方式；排烟量和排烟口间距对排烟效率并无明显影响。隧道内发生火灾时，实际隧道工程中考虑着火点两端提供一定的纵向诱导风速，将烟气控制在一定范围内，通过排烟口从顶部排烟道排出。如果纵向风速过小，烟气会蔓延超出排烟口开启的范围，导致排烟效率下降；如果纵向风速过大，导致烟气紊乱，同样导致排烟效率下降。排烟口的开启方式对排烟效率的影响也是十分显著的，排烟口的开启方式控制着整个火灾段的排烟范围，若开启范围较大，部分排烟口起不到排烟作用；若开启范围较小，烟气超出其控制范围，导致无法排出全部烟气[15]。由于本次试验排烟量是根据本隧道工程火灾规模及烟羽流模型计算得出较为合理的排烟量，且排烟口间距是按照相关标准设计值一定范围内设计和布置，所以本次试验这2个因素对排烟效率并无明显影响。

3 结论

1) 排烟口开启方式和纵向风速对集中排烟的烟气蔓延范围特别显著，排烟口间距对烟气蔓延范围存在一定影响。隧道工程中火灾情况下采用集中排烟时，建议采取火源上下游对称开启排烟口的方式，并计算及模拟出合适的纵向风速。此外，排烟量的大小应根据烟羽流模型以及实际隧道工程确定的火灾规模计算得出合理的数值，从而能够很好地控制住烟气蔓延范围。

2) 排烟口开启方式和纵向风速对集中排烟的排烟效率影响同样特别显著，隧道工程中火灾情况下采用集中排烟时，建议采取火源上下游对称开启排烟口的方式，并计算及模拟出合适的纵向风速。此外，排烟量的大小应根据烟羽流模型以及实际隧道工程确定的火灾规模计算得出合理的数值，结合排烟口间距设计相关标准，从而保证火灾情况下的高排烟效率。

3) 基于正交试验法得出的结果，可以明显看出本文所考虑的四个因素对集中排烟效率影响的显著程度。通过正交试验法可以发现某个因素的重要程度，从而有针对性地去提高集中排烟的排烟效率。另外，还可以从设计的试验方案中综合性的选取出最优的组合方案。

4) 本文只选择了4个因素3位级的正交表对隧道集中排烟烟气蔓延范围和排烟效率展开正交试验并进行方差分析，给出了排烟量、排烟口间距、排烟口开启方式和纵向风速对烟气蔓延范围和排烟效率的影响显著程度。隧道实际工程中采用集中排烟时，还可以对多因素多位级进行正交试验，使得集中排烟的各个设计值同时达到最优值，并且得出最优的组合方案。

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(编辑 阳丽霞)

Simulation experimental study on some influences factors of central exhaust in tunnels based on orthogonal test

XU Haozhuo, LI Yaozhuang, XU Zhisheng, HE Lu

(Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology,Central South University, Changsha 410075, China)

In order to research the influence of smoke exhaust volume, the distance of smoke vent, the opening mode of smoke vent and longitudinal ventilation velocities on smoke exhaust effect in tunnel, tests were designed based on orthogonal test method and FDS, the influence degree of factors was obtained by analysis of variance. The results show that in the case of fire in tunnel shield section, the opening mode of smoke vent and longitudinal ventilation velocities could be affected significantly on central smoke exhaust, the distance of smoke vent has a little effect on central smoke exhaust. In fire condition, central smoke exhaust should adopt the way of upstream and downstream symmetrical opening smoke vent, studying the longitudinal ventilation velocities specially and getting the best way of controlling smoke and the best efficiency with reasonable smoke exhaust volume and distance of smoke vent according to fire scale and plume model.

tunnel; central smoke exhaust; orthogonal test; analysis of variance

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.019

U456.3+3

A

1672 − 7029(2018)10 − 2590 − 07

2017−07−27

国家自然科学基金资助项目(51676210)

徐志胜(1962−)，男，山东安丘人，教授，博士，从事隧道火灾、安全及防灾方面研究；E−mail：xuzhsh82@163.com