ua084-水电站地下主厂房机械通风排烟效果的1：12模型实验研究：排烟口位置影响

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精益求精，善益求善。ua084_水电站地下主厂房机械通风排烟效果的1：12模型实验研究：排烟口位置影响水电站地下主厂房机械排烟效果的水电站地下主厂房机械排烟效果的PAGEPAGE12水电站地下主厂房机械排烟效果的PAGE水电站地下主厂房机械通风排烟效果的1：12模型实验研究：排烟口位置影响西安建筑科技大学马江燕李安桂武晔秋胡江中国水电集团西北水电勘测设计院肖斌丁季芳张鹏中国水电顾问有限公司杨志刚摘要：利用弗劳德数模型(Froude-numberModel)建立1：12水电站主厂房模型，进行了一系列研究。本文报告补风口位置不变、改变排烟口位置，不同机械排烟风量（G0、0.5G0、1.5G0）时的模型实验结果。研究表明，对于水电站超大空间内的发电机设备火灾情况，机械排烟量对排烟效果影响很大，而排烟口的相对位置对机械排烟效果影响较小。该研究成果为水电站机械防排烟的设计及规范的修订提供了理论依据。关键词：模型实验机械排烟水电站主厂房大空间1引言地下空间如隧道、水电站等建筑空间的外部由岩石、土壤包围着，内部空间只有与地面相接的通道才与外部大气相连通，其火灾的风险与烟气控制受到了广泛重视和研究[1][2]。关于水电站等地下厂房地下大空间，火灾及其烟气流动控制是国内外有待于研究解决的难题。研究地下高大空间机械排烟，对防排烟设计、减少火灾中的人员伤亡和财产损失具有重要的意义。然而，水电站地下主厂房空间巨大，应用全尺寸实验研究非常困难，而且耗资巨大。相似模型实验作一种科学的研究方法被广泛应用到火灾烟气流动的研究之中，并能很好的预测真实的火灾烟气流动[3]-[5]。常用的火灾相似模型主要有两大类[3]：弗劳德模型（Froude-numberModel）和压力模型（pressureMode）；压力模型用于模拟可燃物的燃烧情景，模型实验设计在加压容器中进行。弗劳德模型用于模拟火烟羽的流动与传热问题，模型在常压下进行。本模型实验在常压下进行，研究的问题是火灾的烟羽流与传热的问题，因而选择Froude模型。本文基于Froude模型，采用1：12的比例尺，在不同工况下对水电站地下主厂房发电机层机械排烟效果进行了研究。2模型介绍及模型物理比例尺2.1模型介绍本1：12模型（见图1）是根据在建国家重点水电项目鲁地拉水电站主厂房（见图2）经过合理的简化而建立起来的，模型分为三层：发电机层、母线层、水轮机层（具体尺寸见表1）。本实验研究主要针对发电机层发生火灾时机械排烟效果进行研究。名称实型模型模型长度（m）模型宽度（m）发电机层高度（m）母线层高度（m）水轮机层高度（m）排烟口（长×宽）（m）温度*几何尺寸*速度*时间*排烟量*火源强度*10225×0.5111160.460.06×0.0610.08330.28860.28860.00200.0020表1各量实型与模型比较汇总表（备注：*表示假设实型为1）图11：12模型实物图图2水电站地下主厂房2.2物理比例尺在Froude模型中，Fr（Froude）数是模型设计的依据，所以，模型的Frm数和原型的Frf数相等（脚标m代表模型，f代表原型，下同），为了便于处理问题，令：Tm=Tf即：，Fr=1即可得出，即，又由：建立的模型几何比例尺为1：12即：，可得，速度关系比例尺:，同理可得到：火源强度关系比例尺：；时间关系比例尺:；进风口或排烟口体积流量关系:。把各量比例尺汇总见表1。其中：Fr表示Froude数，V表示速度，X表示几何尺寸，g为重力加速度，表示时间，Q表示火源强度，Vol表示机械排烟量。2.3热电偶布置本实验主要利用热电偶测量烟气温度的变化，热电偶在发电机层的布置图见图3，烟气图3主厂房发电机层热电偶的布置图层高度是研究机械排烟效果的一个重要指标，烟气层的判别方法有很多，其中N百分比法[6][7]应用广泛，大量的实验研究和场模拟[8]-[10]计算均采用了该方法。本实验研究也采用N百分比法判断烟气层高度。3.模型实验结果与Zukoski解和数值解的比较为了评价1：12模型律的合理性和准确性,笔者开展了模型实验以及全尺寸的FDS[11][12]模拟，实验的前提是没有排烟，实验时火源释放率1kW和3kW（位置主厂房的中心）按照表1火源强度比例尺进行还原成实型，得到模拟时对应火源强度500kW和1500kW，再把实验得到的烟气层高度随时间的变化按照相应的比例尺（见表1）还原，实验和数值模拟结果见图4。Zukoski[13]给出了一个关于烟气高度的计算公式：（1）式中：Z表示烟气层高度，m；Q表示火源强度，kW；A表示发电机层地面面积，m2；H表示发电机层高度，m。图4烟气层高度变化(a)1kW(500kW)时烟气层高度，(b)3kW(1500kW)时烟气层高度把1：12模型值与FDS预测值以及Zukoski预测计算绘制在一张图上，见图4。从图中可以得出，实验结果和模拟结果吻合的较好，而实验值、模拟值和Zukoski的预测值在前半程吻合度较好，而在后半程实验值、模拟值和Zukoski预测值吻合度较差。这表明1:12的相似模型和FDS的全尺寸模型能较好的预测地下水电站大空间的火灾时烟气流动状况。4模型机械排烟效果实验我国《水利水电工程防火设计规范》[14]给出了有关主厂房的规定:非地面厂房、封闭厂房的发电机层及其厂内主变压器搬运道应采取机械排烟系统，发电机层的排烟量，可按一台机组段的地面面积计算，不小于120m3/(h·m2)，而在《水利水电工程防火设计规范》中没有详细规定排烟口的位值和间距，一般从业人员是按照《建筑设计防火规范》[15]中规定：排烟口应设置在顶棚或靠近顶棚的墙面上，防烟分区内的排烟口距最远点的水平距离不应超过30.0m4.1实验过程简介本实验火源强度为3KW，火源位置位于发电层地面中心位置，风量给据设计风量设定为G0。实验工况见表2给定。通过变动排烟口的位置（见图）来研究排烟口相对位置对排烟效果的影响。S系列的排烟口为“设计排烟口”，A系列的排烟口为“三排烟口”，A系列和S系列排烟口实验主厂房长度方向上均匀布置的。把排烟口A-1、A-2、A-7、A-8、B-1、B-2、B-7、B-8、S-1、S-2、S-7、S-8定义层为“左集中排烟口”，把排烟口A-5、A-6、A-11、A-12、B-5、B-6、B-11、B-12、S-5、S-6、S-11、S-12定义为“右集中排烟口”。表2实验工况工况名称风口布置方式排烟量火源位置火源强度环境温度1设计风口G0中心3kW20.72三风口G0中心3kW15.93右风口G0中心3kW18.034左风口G0中心3kW20.75设计风口0.5G中心3kW16.56三风口0.5G中心3kW16.57右风口0.5G中心3kW18.48左风口0.5G中心3kW15.79设计风口1.5G中心3kW20.110三风口1.5G中心3kW18.411右风口1.5G中心3kW17.912左风口1.5G中心3kW17.7图5排烟口在顶棚上的位置4.2实验结果及分析4.2.1实验结果把实验得出的结果按照排烟口位置进行对比，图6中无因次时间由下式计算：，式中H为发电机层高度，g重力加速度，t时间。无因次烟气层高度由下式计算:，表示烟气层高度与发电机层高度的比值。图6给出了排烟口位置不同时无量纲烟气层高度的变化，可以得知一个重要的现象—当排烟口位置不同时，而排烟量相同时，无量纲烟气层高度随时间的变化相差并不大。下面分别给出三种风量下的出现的现象：当排烟量为1倍时，火灾初期四种风口下排烟效果区别很小，在后期设计风口(a)G0(b)0.5G0(c)1.5G0图6不同排烟口布置方式下烟气层高度(a)G0(b)0.5G0(c)1.5G0下的排烟效果相对较好；当排烟量为1.5倍的设计风量时，火灾初期四种排烟方式亦相差不大，到后期右集中排烟效果较好，集中排烟次之。当排烟量为0.5倍的设计风量时，火灾初期四种排烟方式亦相差不大，到后期左集中排烟效果较好。4.2.2实验结果分析从实验的结果来看，在火源强度一定，排烟量一定，排烟口的位置对排烟效果不明显，在排烟量一定的前提下排烟效果的好坏是由气流组织来决定的。现在用一种思路来解释这个问题，送风口的位置是决定气流组织的一个重要因素，只要送风口确定后，回风口的位值对气流组织影响较小（前提是送回风不短路）。在水电站地下主厂房的结构特点中，交通洞是唯一的补风口，在排烟过程中相当于送风，排烟口相当于回风，风量一定时，排烟口的位置对气流组织的影响因素较小，这就说明其对排烟效果影响也较小。流体力学[16]中也给出位于自由空间的点汇吸气口的排风量计算公式：式中：,——点1和点2的速度,——点1和点2的至吸入口的距离图7点汇吸入口速度变化点汇的吸入口速度的衰减与距离的平方成反比，说明排烟口吸入口速度影响范围很小。从理论上分析表明，对于水电站这个特殊的空间，排烟口的位置对排烟效果的影响不大。5结论本文通过1：12模型进行不同工况下的机械排烟实验，对补风口位置不变、排烟口位置改变，对机械排烟影响做了较详细的研究。研究结果表明：对于水电站发电机层超大空间，火灾发生时，交通洞是唯一的补风口，在这种情况下，机械排烟口的位置（无论是均匀布置还是非均匀布置）对机械排烟的效果影响较小，而机械排烟量对排烟效果影响很大这一实验结果可以水电行业的防排烟的设计以及规范的修订提供依据。致谢本研究得到国家水电行业国家重点科研项目（编号：CHC-K-J-2007-21-12）及陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项资助（项目编号：2009ZDKG-47），特此鸣谢。ExperimentalStudywith1:12ModelonMechanicalExhaustEfficiencyinMainHydropowerPlantFire:EffectofSmokeOutletsLocationXi'ANUniversityofArchitectureWuYeqiuHuJiangNorthwestHydroConsultingEngineersXiaoBingDingJifangZhangPengInternationalElectricPowerforChinaYangZhigangAbstract:Themainhydropowerplant1:12modelwasestablishedaccordingtotheFroudenumberModel.Seriesofmodeltestswithdifferentmechanicalexhaustrates(G0,0.5G0,and1.5G0)andlocationsofthesmokeoutletswerecarriedout.Resultsshowthatmechanicalexhaustrateshavegreatimpactonsmokeexhaustefficiency,whilelocationofsmokeoutletshaslittleeffectonmechanicalsmokeexhaustefficiency,whichcanprovidethebasisformechanicalsmokeexhaustsystemdesignandthespecificationamendmentofhydropowerplant.Keywords:modeltestmechanicalexhaustmainhydropowerplantlargespace参考文献：[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.·Onthemaximumsmoketemperatureundertheceili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