Effect of lateral mechanical smoke exhaust on smoke backflow behavior and temperature profile in a mountain tunnel: A numerical investigation and analysis

Technische Samenvatting: Effect van Laterale Mechanische Rookafzuiging op Rookterugstromingsgedrag en Temperatuurprofiel in een Bergtunnel

Probleemstelling
Bergtunnels maken vaak gebruik van laterale openingsschachten die via transversale kanalen zijn verbonden om ventilatie en rookextractie te faciliteren, met name wanneer geologische beperkingen of bestaande structuren de constructie van directe verticale schachten verhinderen. Hoewel er uitgebreid onderzoek bestaat naar rookbeweging in conventionele enkelbuis-tunnels en tunnels met centraal aan het plafond gemonteerde extractiesystemen, is er een aanzienlijke kenniskloof met betrekking tot het specifieke gedrag van rook in tunnels met laterale open schachten. Eerdere studies hebben zich grotendeels gericht op longitudinale ventilatie of plafondextractie, waardoor de asymmetrische stromingsvelden, temperatuurverdeling en rook-back-layering kenmerken die uniek zijn voor laterale schachtconfiguraties onvoldoende begrepen zijn. Deze studie adresseert de noodzaak om te kwantificeren hoe mechanische rookafzuiging in een laterale openingsschacht de rookmigratie, temperatuurattenuatie en terugstromingslengte beïnvloedt in vergelijking met traditionele plafondextractiemethoden.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van een numerieke investigatie met behulp van de Fire Dynamics Simulator (FDS), ontwikkeld door het National Institute of Standards and Technology (NIST). Het computationele model was gebaseerd op een survey van een tunnel in Shenzhen, bestaande uit een hoofdtunnel (165 m lang, 12 m breed, 6,6 m hoog) verbonden met een transversaal kanaal (12 m × 7,5 m × 4,2 m) en een verticale schacht (42 m hoog).

De belangrijkste simulatieparameters waren:

• Brandscenario's: Vijf verschillende warmteafgifgraad (HRR) werden gesimuleerd (3, 5, 10, 15 en 20 MW) om verschillende groottes van voertuigbranden te representeren.
• Afzuigcondities: De mechanische rookafzuigsnelheden varieerden tussen 3 m/s en 5 m/s.
• Grid-onafhankelijkheid: Er werd een grid-gevoeligheidsanalyse uitgevoerd, waarbij een gridgrootte van 0,25 m werd bepaald om een balans te vinden tussen computationele efficiëntie en de nauwkeurigheid van de temperatuurvoorspelling.
• Vergelijkende Analyse: De studie vergeleek de prestaties van de laterale openingsschacht met een hypothetische plafondopening-schacht met identieke geometrische afmetingen om de effecten van de laterale verbinding te isoleren.

Belangrijkste Bijdragen

1. Identificatie van Asymmetrie: De studie verheldert de duidelijke asymmetrie in rookstromingsgedrag veroorzaakt door laterale openingsschachten, in contrast met de axiale symmetrische stroming waargenomen bij plafondextractiesystemen.
2. Kwantitatieve Modellering: Er werden twee empirische modellen ontwikkeld om te voorspellen:
   • De longitudinale temperatuurafname stroomopwaarts van de brandbron.
   • De rook back-layering lengte onder laterale mechanische afzuigcondities.
3. Mechanisme Verheldering: Het onderzoek verduidelijkt het fenomeen van grenslaagscheiding binnen het transversale kanaal en de impact daarvan op de temperatuurverdeling en rookaccumulatie.

Resultaten en Analyse

• Rookstroming en Temperatuurasymmetrie: In tegen tegenstelling tot plafondextractie, dat symmetrische temperatuurprofielen produceert, creëert de laterale openingsschacht een zeer asymmetrisch stromingsveld. De temperatuurgradiënt nabij de schachtzijde is aanzienlijk steiler dan aan de tegenovergestelde zijde vanwege hogere turbulente kinetische energie. Binnen het transversale kanaal vindt grenslaagscheiding plaats, waardoor rook aan één zijde van het kanaal accumuleert terwijl de andere zijde een lage-temperatuurzone blijft. De specifieke zijde van accumulatie hangt af van de interactie tussen de intensiteit van de verbranding en de afzuigsnelheid; hoge afzuigsnelheden met een lage warmteafgifte neigen de hoge temperaturen aan de linkerzijde van het kanaal te concentreren, terwijl hoge warmteafgifte met lage afzuigsnelheden de hoge-temperatuurzone naar rechts verschuift.

• Longitudinale Temperatuurafname: De studie vond dat de longitudinale temperatuurafname primair wordt beheerst door de mechanische rookafzuigsnelheid in plaats van de warmteafgifgraad. De dimensieloze longitudinale temperatuur volgt een exponentiële vervalfunctie. De vervalcoëfficiënten waren gecorreleerd met de dimensieloze mechanische afzuigsnelheid, waarbij bleek dat de afzuigsnelheid een lineaire relatie heeft met de attenuatieparameters. De volgorde van significantie voor de vervalcoëfficiënten werd bepaald als $t > A > y_0$. Een empirisch model werd geformuleerd om de temperatuurverdeling op basis van deze bevindingen te voorspellen.

• Rook Back-layering Lengte: De lengte van de rook back-layering (de afstand die rook stroomopwaarts reist tegen de longitudinale wind in) neemt af naarmate de mechanische afzuigsnelheid toeneemt. Dit wordt toegeschreven aan de verhoogde dynamische druk gegenereerd door de hogere afzuigsnelheid, die de drijfvermogen-gestuurde rookfront weerstaat. Omgekeerd verhogen hogere warmteafgiftegraden de thermische drijfkracht, wat leidt tot een langere back-layering lengte. De studie introduceerde een geïnduceerde longitudinale snelheid om de impact van de laterale schacht te kwantificeren en leidde een gemodificeerde voorspellende correlatie af voor de rook back-layering lengte, inclusief een correctiecoëfficiënt ($\lambda = 3,14$) om rekening te houden met de specifieke dynamica van laterale extractie.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat dit werk een kritische referentie vormt voor het ontwerp van ventilatie- en rookextractiesystemen in bergtunnels met laterale open schachten. Door het verschil in rookmigratie tussen laterale en plafondextractie te demonstreren, benadrukt de studie dat laterale systemen mogelijk hogere mechanische afzuigcapaciteiten vereisen om de verhoogde weerstand van horizontale passages te overwinnen en de resulterende asymmetrische temperatuurvelden te beheersen. De ontwikkelde empirische modellen voor temperatuurafname en back-layering lengte bieden praktische instrumenten voor ingenieurs om brandgevaren te beoordelen en veiligheidsontwerpen te optimaliseren. De studie concludeert dat het begrijpen van deze specifieke stromingsgedragingen essentieel is voor effectieve brandpreventie en -bestrijding in moderne infrastructuur van bergtunnels.