(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気流路を介して換気ファンに連結されている１または複数の排気口が設けられたトンネル内に発生する温度変化を伴うガス流体の排気をシミュレーションする換気試験方法であって、
前記排気口毎の排気量をそれぞれ初期値に設定し、模型内で発生させたガス流体を拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散実験工程と、
前記模型拡散実験工程で算出した密度を用いた管路網計算によって各排気口から前記換気ファンに至る排気流路全体の圧力バランスを求め、該圧力バランスから各換気口における排気量の計算値を算出する圧力バランス計算工程と、
前記排気口の排気量をそれぞれ前記圧力バランス計算工程で算出した計算値に設定し直し、模型内で発生させたガス流体を再度拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散補正実験工程とを具備し、
前記圧力バランス計算工程により計算された各排気口での排気量が、前回の模型拡散実験工程または模型拡散補正実験工程で設定された排気量と所定値以内の差になるまで、前記圧力バランス計算工程及び前記模型拡散補正実験工程を繰り返すことを特徴とする温度変化を伴うガス流体の換気試験方法。
【請求項２】
前記模型内で発生させるガス流体が、ガス発生温度に相当する密度に調整したトレーサガスであることを特徴とする請求項１記載の温度変化を伴うガス流体の換気試験方法。
【請求項３】
前記圧力バランス計算工程では、前記密度の算出値に加え、前記換気ファンの流量、前記換気ファンの差圧、または前記換気ファンにおける流量と差圧との関係式のいずれかひとつを入力して計算することを特徴とする請求項１または２記載の温度変化を伴うガス流体の換気試験方法。
【請求項４】
排気流路を介して換気ファンに連結されている１または複数の排気口が設けられたトンネル内に発生する温度変化を伴うガス流体の排気をシミュレーションする換気試験装置であって、
前記排気口毎の排気量をそれぞれ初期値に設定し、模型内で発生させたガス流体を拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散実験手段と、
前記模型拡散実験手段で算出した密度を用いた管路網計算によって各排気口から前記換気ファンに至る排気流路全体の圧力バランスを求め、該圧力バランスから各換気口における排気量の計算値を算出する圧力バランス計算手段と、
前記排気口の排気量をそれぞれ前記圧力バランス計算手段で算出した計算値に設定し直し、模型内で発生させたガス流体を再度拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散補正実験手段とを具備し、
前記圧力バランス計算手段により計算された各排気口での排気量が、前回の模型拡散実験手段または模型拡散補正実験手段で設定された排気量と所定値以内の差になるまで、前記圧力バランス計算手段による排気量の計算及び前記模型拡散補正実験手段による密度の算出が繰り返されることを特徴とする温度変化を伴うガス流体の換気試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路トンネルなどの各種トンネルに設置される換気装置の換気性能をシミュレーションする換気試験方法に係り、特に、火災等で発生する煙などのように温度変化を伴うガス流体の換気性能をシミュレーションするのに用いて好適な換気試験方法及び換気試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、道路トンネルなどの各種トンネルには換気装置が設置されている。この換気装置は、たとえば図４に示すように、トンネル１０内に開口する１または複数の換気口１１と、各換気口１１に連結された換気管１２と、各換気管１２が連結されてトンネル外部へ連通する換気ダクト１３と、換気ダクト１３に設置された換気ファン１４とを具備して構成される。なお、各排気口１１は、トンネル１０の走行方向（軸方向）に適当なピッチで配列されている。
このような換気系では、各排気口１１及び換気管１２を通して、排気ダクト１３の末端に設けられた換気ファン１４により排気される。
【０００３】
このような換気装置の性能を事前にシミュレーションして検証する手法としては、トンネル１０や換気口１１等について実機の縮尺模型を製作し、この縮尺模型のトンネル１０内で換気模型実験を行うことが考えられる。しかし、このような換気模型実験では、トンネル１０内に発生するガス流体の拡散をシミュレーションすることはできるものの、排気管１２及び排気ダクト１３よりなる排気流路の圧力損失までを考慮した換気系全体の流れ（換気性能）をシミュレーションする実験を行うことは相似則上困難である。
【０００４】
具体的に説明すると、たとえば模型の縮率を１００分の１にした場合、排気流路も１００分の１になるので、実機と縮尺模型とのレイノルズ数を同じにするためには流速や粘性を調整する必要がある。仮に流速のみを１００倍にするとすれば、通常の実機では数１０ｍ／秒程度となる流速を１００倍した値、すなわち音速を遙かに上回る流速にする必要があり、粘性との組み合わせにより調整するにしても適当な置換流体が存在しないため実現はきわめて困難である。
このため、従来の換気模型実験は、オリフィス等により予め設定した換気量を所定の換気口から排気させることにより行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、温度が変化するガス流体、たとえば火災時に発生する煙のようなガス流体には温度分布があり、火災発生位置から遠ざかるにつれてガス温度が低下する傾向となる。このため、ガス流体の温度変化に伴って排気流路内を流れる流速が変化し、結果として排気流路内の圧力損失も変化して換気量を変動させることになる。このようなガス流体の流速変化は、温度変化によってガス流体の密度が変化することに起因している。
従って、上述したように予め換気量を設定するという従来の実験方法では、ガス流体の温度変化が全く反映されないため、トンネル内で発生した温度変化を伴うガス流体を換気する模型実験を正確に実施することは困難であった。
【０００６】
また、模型上では温度浮力を直接再現することは困難なため、ガス流体の温度を密度で置き換えることが考えられる。このようにすれば、密度の異なったガス流体が各排気口より取り込まれることになるが、トンネル内と排気ダクトとの間の差圧は一定のため、密度が変化すればオリフィスを通過するガス流量も変化する。この場合、模型実験でも排気ダクトまでを考慮した圧力バランスを再現する必要があるが、スケール効果により、直接の再現は困難である。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、温度変化を伴うガス流体の換気性能に関し、各排気口から換気ファンまでの流体流路における圧力損失を考慮し、模型を使用して換気試験を行うことができる温度変化を伴うガス流体の換気試験方法及び換気試験装置の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の温度変化を伴うガス流体の換気試験方法は、排気流路を介して換気ファンに連結されている１または複数の排気口が設けられたトンネル内に発生する温度変化を伴うガス流体の排気をシミュレーションする換気試験方法であって、
前記排気口毎の排気量をそれぞれ初期値に設定し、模型内で発生させたガス流体を拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散実験工程と、
前記模型拡散実験工程で算出した密度を用いた管路網計算によって各排気口から前記換気ファンに至る排気流路全体の圧力バランスを求め、該圧力バランスから各換気口における排気量の計算値を算出する圧力バランス計算工程と、
前記排気口の排気量をそれぞれ前記圧力バランス計算工程で算出した計算値に設定し直し、模型内で発生させたガス流体を再度拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散補正実験工程とを具備し、
前記圧力バランス計算工程により計算された各排気口での排気量が、前回の模型拡散実験工程または模型拡散補正実験工程で設定された排気量と所定値以内の差になるまで、前記圧力バランス計算工程及び前記模型拡散補正実験工程を繰り返すことを特徴とするものである。
なお、前記模型拡散補正実験工程は、模型拡散工程で設定された排気量の初期値と、前記圧力バランス計算工程で算出した計算値との差が所定値以内の場合は不要となる。
【０００９】
このような温度変化を伴うガス流体の換気試験方法によれば、模型拡散実験と圧力バランス計算とを併用することで、模型を使用した実験によりガス流体の拡散状況を把握し、排気流路の圧力損失を管路網計算により反映させ、温度分布を伴うガス流体の換気性能を正確にシミュレーションすることが可能になる。
【００１０】
請求項１記載の温度変化を伴うガス流体の換気試験方法においては、前記模型内で発生させるガス流体として、ガス発生温度に相当する密度に調整したトレーサガスであることが好ましい。
【００１１】
また、請求項１または２記載の温度変化を伴うガス流体の換気試験方法においては、前記圧力バランス計算工程では、前記密度の算出値に加え、前記換気ファンの流量、前記換気ファンの差圧、または前記換気ファンにおける流量と差圧との関係式のいずれかひとつを入力して計算すればよい。
【００１２】
請求項４に記載の温度変化を伴うガス流体の換気試験装置は、排気流路を介して換気ファンに連結されている１または複数の排気口が設けられたトンネル内に発生する温度変化を伴うガス流体の排気をシミュレーションする換気試験装置であって、
前記排気口毎の排気量をそれぞれ初期値に設定し、模型内で発生させたガス流体を拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散実験手段と、
前記模型拡散実験手段で算出した密度を用いた管路網計算によって各排気口から前記換気ファンに至る排気流路全体の圧力バランスを求め、該圧力バランスから各換気口における排気量の計算値を算出する圧力バランス計算手段と、
前記排気口の排気量をそれぞれ前記圧力バランス計算手段で算出した計算値に設定し直し、模型内で発生させたガス流体を再度拡散させて前記排気口毎に排気されるガス流体の濃度を検出し、この濃度を温度に換算して密度を算出する模型拡散補正実験手段とを具備し、
前記圧力バランス計算手段により計算された各排気口での排気量が、前回の模型拡散実験手段または模型拡散補正実験手段で設定された排気量と所定値以内の差になるまで、前記圧力バランス計算手段による排気量の計算及び前記模型拡散補正実験手段による密度の算出が繰り返されることを特徴とするものである。
【００１３】
このような温度変化を伴うガス流体の換気試験装置によれば、模型拡散実験と圧力バランス計算とを併用することで、模型を使用した実験によりガス流体の拡散状況を把握し、排気流路の圧力損失を管路網計算により反映させ、温度分布を伴うガス流体の換気性能を正確にシミュレーションできる試験装置となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る温度変化を伴うガス流体の換気試験方法及び換気試験装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す平面図おいて、図中の符号１０はトンネル、１１は換気口、１２は排気管、１３は換気ダクト、１４は換気ファンである。
トンネル１０内には、走行（軸）方向に配列された１または複数の換気口１１が設けられている。各換気口１１には換気管１２が連結され、各換気管１２の他端は換気ダクト１３に連結されている。換気ダクト１３の末端部に換気ファン１４が設置されており、トンネル１０内の空気やガス流体は各排気口１１から吸引された後、排気管１２及び排気ダクト１３を通過して外部へ排気される。
【００１５】
さて、たとえばトンネル１０内で火災が発生した場合、火災位置で発生した煙（温度変化を伴うガス流体）は排気ファン１４に吸引されて各排気口１１から取り込まれ、排気管１２及び排気ダクト１３を通って外部へ排出される。
以下、この煙が排気されるまでの過程について、模型を使用した拡散実験と、排気管１２及び排気ダクト１３よりなる排気流路全体の圧力バランスを計算する管路網計算とを組み合わせてシミュレーションする、温度変化を伴うガス流体の換気試験方法及びこの換気試験方法を用いた換気試験装置を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図２に示すトンネル１０の模型上では、排気口１１毎に図示省略の換気ファンを取り付けておき、各排気口の流量を弁１５の開度（差圧）等によって１つ１つ調整して再現するものとする。すなわち、各換気ファンの上流側にそれぞれ設けてある弁１５の開度を調整して流量制御が可能な構成としてある。弁１５の開度は、各排気管１２に設置した図示省略の流量計によって所望の流量になることを確認しながら設定する。なお、弁１５に代えて、穴径の異なるオリフィスを交換するようにしてもよい。
【００１７】
この場合、図３のフローチャートに示すように、最初のステップ１（以下、Ｓ１）では、たとえば火災のない常温におけるガス流体の排気量（初期値）を各排気口１１で設定する。すなわち、各排気口１１の排気量を均等に設定するが、ここでの初期値は、不均等な設定も含めて特に限定されることはない。
そして、次のＳ２では、所定の火災温度相当に密度を調整したトレーサガスを火災源の設定位置に合わせたガス発生源より放出する。この時に放出するトレーサガスの量は、発生源強さ（排出量）Ｑｓとなる。
【００１８】
続くＳ３においては、各排気口１１を流れるトレーサガスの濃度Ｃを図示省略の濃度検出手段によって検出する。この濃度検出手段は、排気管１２の適所にそれぞれ設置されている。なお、トレーサガスとしては、たとえば空気、ヘリウムガス、アンモニアガスなどの使用が可能であり、また、トレーサガスに白煙等を入れて流れを可視化してもよい。
【００１９】
次のＳ４において、Ｓ３で得られたトレーサガスの濃度Ｃから下記の手順により密度ρを算出する。
濃度Ｃは、第１段階の計算で下記の（Ａ）式から温度Ｔに換算される。
Ｔ＝Ｃ（Ｔｇ−Ｔａ）＋Ｔａ  ・・・（Ａ）
ここで、Ｃ：濃度（火災源での濃度を１として標準化した値）
Ｔｇ：火災源の温度
Ｔａ：トンネル内の雰囲気温度
【００２０】
続く第２段階では、（Ａ）式で算出した温度Ｔを用いて、トレーサガスの密度ρを下記の（Ｂ）式によって算出する。なお、大気圧は１気圧とする。
ρ＝１．２９３／（１＋０．００３６７Ｔ）  ・・・（Ｂ）
【００２１】
このようにして、Ｓ１〜Ｓ４においては、火災発生位置からトレーサガスを放出して模型のトンネル１０内で拡散させ、各排気口１１における濃度Ｃ１ 〜Ｃｎ を検出して対応する密度ρ１ 〜ρｎ を算出することで、「模型拡散実験工程」が終了する。
Ｓ５では、算出した密度ρ１ 〜ρｎ を用いて実験で設定した流量計の値から実際に流量計を通過した体積流量（排気量）を各排気口について求める。
【００２２】
Ｓ６及びＳ７は、管路網計算によって排気流路全体の圧力バランスを計算する「圧力バランス工程」である。以下では、図１に示すように、換気ファン１４によって所定の全体質量流量を確保できるものと仮定し、この流量確保に必要なトンネル１０内と排気流路１２，１３との間の差圧を、排気口１１より取り込まれるガス密度ρ及び下記に示す諸量を用いて、排気流路系の圧力バランスから管路網計算によって求める。
なお、このＳ６では、模型拡散実験工程で算出した各排気口１１の密度ρと、換気ファン１４の流量Ｑとを入力するものとした実施例を説明する。
【００２３】
下記に示す各数式において、Ｐは圧力、ｖは流速、ρは密度、Ａは排気管断面積、ｇは重力加速度、Δρは雰囲気との密度差、Δｈは排気管排気口と路面とのレベル差、Ｔは温度、Ｃｐは定圧比熱、Ｒは気体定数、ξは圧損計数であり、それぞれの添字Ｆは排気管、Ｄは排気ダクト、Ｔはトンネル、Ｂは排気ダクト出口を示している。
【００２４】
〔圧力損失〕
【数１】
0003680030.tif 000002
この（１）〜（３）式により、トンネル内の圧力ＰＴ と換気ファン１４の圧力に相当する排気流路出口の圧力ＰＢ との間の差圧（ＰＴ −ＰＢ ）は、ガス流体が流れる排気管１２の圧力損失、排気口１２と路面とのレベル差Δｈに起因するヘッドを示す浮力項及び排気ダクト１３の圧力損失の加算と等しいことが示されている。
【００２５】
〔流量〕
【数２】
0003680030.tif 000003
この（４）式では、各排気口１２から吸引した流量（排気量）の合計が換気ファン１４の流量Ｑとなることを示している。
【００２６】
〔排気ダクト合流部熱エネルギー収支〕
【数３】
0003680030.tif 000004
この（５）式では、排気ダクト１３に合流する排気管１２から熱エネルギーが順次加算されることを示している。
【００２７】
上記の（１）〜（５）式よりなる連立方程式から、未知数である排気口１１の流速ｖＦ を求める。なお、ここで流速ｖＦ を求めることは、互いに関連する流量（排気量）または差圧を算出することと実質的に同じことを意味している。
従って、次のＳ８では、上述した「圧力バランス計算工程」で求めた流速ｖＦ に対応する流量である排気量となるよう、各排気口１１の排気量を弁１５の開度調整によって再設定する。
【００２８】
この後、上述したＳ２〜Ｓ４を同様に繰り返すが、この場合のＳ１０→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４と続く一連の工程では、各排気口１１の排気量がＳ６及びＳ７で算出した「圧力バランス計算工程」の計算結果を反映した値になっているので、上述した「模型拡散実験工程」と区別するため、以下では「模型拡散補正実験工程」と呼ぶことにする。
【００２９】
Ｓ８では、前回（模型拡散実験工程あるいは模型拡散補正実験工程）の排気量と圧力バランス計算工程の計算値とを比較し、互いの排気量の差を求める。
【００３０】
次のＳ９では、Ｓ８で求めた排気量の差が所定値以内か否かを判断し、所定値以内の小さな差であれば、この時点で一連のシミュレーションは終了する。すなわち、火災時の煙を排気する場合、各排気口１１からは、最後の模型拡散補正実験工程で各排気口１１毎に算出した密度ρに対応する排気量が見込まれる。
【００３１】
一方、Ｓ８で求めた排気量の差が所定値より大きい場合には、Ｓ１０で各排気口１１における排気量を計算値に基づいて再々設定し、第２回目の「模型拡散補正実験工程」に入る。
【００３２】
以下同様にして、「模型拡散補正実験工程」及び「圧力バランス計算工程」をＳ８及びＳ９により判定される排気量の差が所定値以下になるまで繰り返す。すなわち、各排気口１１からの排気量は実験を繰り返す毎に変化し、最終的にはある値に漸近する。
【００３３】
上述したような換気性能のシミュレーションを実施することにより、温度変化を伴うガス流体の排気について、模型実験及び管路網計算により温度分布を反映させて正確に把握することができる。このため、換気口１１の数、開口面積及び配置、換気ファン１４の性能、排気管１２や排気ダクト１３のサイズについて、所望の換気性能が得られるよう最適化を図ることができる。
また、既存のトンネルについても、換気装置の改修時等において、同様の最適化を図って換気性能を向上させることもできる。
なお、発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００３４】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、換気量を固定した模型実験によりトンネル内のガス流体拡散及び換気状態を把握し、ガス流体の温度分布を反映した排気流路の圧力損失を管路網計算によって得るようにしたので、温度変化を伴うガス流体の温度分布及び温度変化の影響を受ける排気流路の圧力損失を考慮したトンネル換気について、システム全体としての性能をシミュレーションして検討することができる。このため、換気に必要な排気量の見極めを行い、それによって必要となる換気ファンの差圧（排気性能）を直接算定することができるので、換気装置の性能を最適化するために大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態として温度変化を伴うガス流体の換気試験方法を説明するための図である。
【図２】  図１におけるトンネル模型部分を説明するための図である。
【図３】  本発明による温度変化を伴うガス流体の換気試験方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】  トンネルの換気装置の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０    トンネル
１１    排気口
１２    排気管（排気流路）
１３    排気ダクト（排気流路）
１４    換気ファン
【図１】
0003680030.tif 000005
【図２】
0003680030.tif 000006
【図３】
0003680030.tif 000007
【図４】
0003680030.tif 000008