Smoke Temperature Characteristics in Longitudinally ventilated mountain Tunnels featuring on Lateral-opening Vertical Shaft

Technische Samenvatting: Rooktemperatuurkenmerken in Berggetunnels met Longitudinale Ventilatie en Lateraal Openende Verticale Schachten

Probleemstelling
Berggetunnels vereisen vaak verticale schachten die via laterale rookafvoerkanalen zijn verbonden om ventilatie en nooduitgang te faciliteren. In het geval van een brand creëert de interactie tussen longitudinale ventilatie en mechanische rookextractie via deze laterale openingen complexe rookmigratiegedragingen die aanzienlijk verschillen van standaard horizontale puntextractie of zuiver longitudinale systemen. Hoewel er uitgebreid onderzoek bestaat naar rooktemperatuurverdeling in longitudinaal geventileerde tunnels, is er een opvallend gebrek aan begrip van de specifieke thermische kenmerken en temperatuurvervalmechanismen in berggetunnels met lateraal openende verticale schachten, met name wanneer de brandbron zich stroomopwaarts van de afvoerkanaal bevindt. Deze complexiteit vormt een uitdaging voor het effectieve ontwerp van rookbestrijdingssystemen en de plaatsing van branddetectie- en vroegtijdige waarschuwingssystemen.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een experimentele benadering met een 1/10 schaalmodel gebaseerd op Froude-gelijkenisregels om rooktemperatuurprofielen te onderzoeken. De experimentele opstelling bestond uit een 16,5 m lange tunnel met een verticale schacht (4,2 m hoog) die verbonden is via een 2 m lang lateraal rookafvoerkanaal.

• Experimentele Condities: In totaal werden 5 4 brandexperimenten uitgevoerd met diesel-poolbranden met drie verschillende bronafmetingen (zijden van 0,15 m, 0,20 m en 0,23 m), wat overeenkomt met volledige warmteafgifte (HRR) variërend van 2,29 MW tot 9,89 MW.
• Variabelen: De studie varieerde drie belangrijke parameters:
  1. Brandbronafmeting: Drie verschillende poolafmetingen.
  2. Mechanische Rookextractiesnelheid ($V_s$): Drie niveaus (2,03, 2,79 en 3,53 m/s in het model; 6,42–11,17 m/s op volledige schaal).
  3. Longitudinale Ventilatiesnelheid ($V_l$): Zeven niveaus variërend van 0,18 m/s tot 1,23 m/s (model schaal).
• Instrumentatie: Temperatuurgegevens werden verzameld met behulp van 71 K-type thermokoppels gepositioneerd op 0,1 m onder het tunnelplafond, met variërende dichtheden van de tussenruimte nabij de schachtintersectie en verder stroomafwaarts. Luchtsnelheden werden gemeten met draadjesanemometers.

Belangrijkste Resultaten

1. Longitudinale Temperatuurverdeling:

   • Naarmate de mechanische ventilatiesnelheid toeneemt, vertoont de rooktemperatuur onder het plafond een initiële snelle daling gevolgd door een meer geleidelijke afname.
   • Bij lagere longitudinale snelheden zijn de ventilatiecondities de dominante factor die de rookontwikkeling beïnvloedt. Bij hogere longitudinale snelheden worden de eigenschappen van de brandstofbron de dominante factor, en neemt de temperatuurgradiënt aanzienlijk af.
   • De temperatuurafwijking veroorzaakt door variërende brandbronafmetingen is aanzienlijk nabij de brandbron, maar wordt verwaarloosbaar in het verre veld, wat aangeeft dat drijfvermogenseffecten afnemen met de afstand.
   • De dimensieloze longitudinale temperatuurverdeling wordt minimaal beïnvloed door de omvang van de brandbron, wat suggereert dat het vervalgedrag van terugstromende rook onafhankelijk is van de brandgrootte in deze context.

2. Temperatuurvervalcoëfficiënt:

   • De longitudinale rooktemperatuurvervalcoëfficiënt ($k$) bleek te nemen naarmate de longitudinale snelheid toeneemt.
   • Een lineaire relatie werd vastgesteld tussen de vervalcoëfficiënt en een gemodificeerd Froude-getal ($Fr'$), dat rekening houdt met de gecombineerde effecten van mechanische extractie en longitudinale ventilatie: $k = 0,394 Fr' + 0,08$.

3. Maximale Excessieve Temperatuur:

   • De maximale excessieve temperatuur onder het plafond neemt snel toe met de grootte van de brandbron.
   • Een globale empirische correlatie werd ontwikkeld om de maximale excessieve temperatuur te voorspellen. De dimensieloze maximale excessieve temperatuur ($\Delta T_{max}/T_{\infty}$) correleert met de dimensieloze warmteafgifte ($Q^*$) en het gemodificeerde Froude-getal ($Fr'$) volgens de relatie: $\frac{\Delta T_{max}}{T_{\infty}} = a(Q^*)^{2/3} + b(Fr')^{-1/3} + c$.
   • De passende coëfficiënten voor dit model werden bepaald als $a = -2,34$, $b = 0,53$ en $c = 1,37$.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat dit onderzoek cruciale inzichten biedt in het thermische gedrag van rook in berggetunnels met lateraal openende verticale schachten, een scenario dat voorheen onvoldoende onderzocht was. De belangrijkste bijdragen zijn:

• Empirische Correlaties: De ontwikkeling van specifieke correlaties om zowel de maximale excessieve temperatuur als het longitudinale temperatuurverval te voorspellen onder de gecombineerde invloed van laterale geconcentreerde rookextractie en longitudinale ventilatie.
• Ontwerprichtlijnen: De resultaten bieden waardevolle gegevens voor het optimaliseren van de opstelling van branddetectoren en vroegtijdige waarschuwingssystemen in soortgelijke berggetunnelconfiguraties.
• Verheldering van Mechanismen: De studie verheldert de overgang in dominante factoren (van ventilatie naar brandstofeigenschappen) naarmate de longitudinale windsnelheden toenemen en kwantificeert de impact van het "schoorsteeneffect" dat inherent is aan hoge verticale schachten op de rookbeheersing.

Het artikel concludeert dat het begrijpen van deze specifieage temperatuurkenmerken essentieel is voor het verbeteren van rookbeheersingsstrategieën en het waarborgen van de veiligheid bij evacuatie en brandbestrijding in complexe bergtunnelomgevingen.