084 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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1、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

2、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

3、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）

4、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*10225245.55.50.5×0.51111118.52.120.460.460.06×0.0610.08330.28860.28860.00200.0020表1各量实型与模型比较汇总表（备

5、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，

6、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

7、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

8、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Zukos