《隧道通风》习题参考答案重庆大学版隧道通风安全与照明习题参考答案.docx
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《隧道通风》习题参考答案重庆大学版隧道通风安全与照明习题参考答案
1.1隧道空气中常见的有害气体有哪些？
隧道空气中常见的有害气体主要指的是机动车辆通过隧道时所排放出的废气，它包含的主要有害气体有一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）及其他氮氧化合物（NOx）、硫化气体（H2S，SO2）、甲醛（HCHO）、乙醛（CH3CHO）、粉尘以及未燃烧完全的燃料微粒所形成的烟尘等。
1.2隧道空气的主要成分有哪些？
隧道内空气即地面空气，地面空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，通常称为湿空气。
湿空气中仅含有少量的水蒸气，但其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态发生变化。
干空气是指完全不含有水蒸气的空气，它是由氧、氮、二氧化碳、氩、氖和其他一些微量气体所组成的混合气体。
隧道内地面大气中还含有各类细微颗粒，如尘埃、微生物等。
这些物质不计入空气的组分，也不影响主要成分之间的比例关系。
1.3什么叫隧道气候？
隧道气候是指隧道空气的温度、湿度和流速这三个参数的综合作用状态。
这三个参数的不同组合，便构成了不同的隧道气候条件。
隧道气候条件对作业人员的身体健康和劳动安全有重要的影响。
第2章习题
2.1描述隧道空气物理状态的参数主要有哪些？
并简要说明其定义。
（1）描述隧道空气物理状态的参数主要有压力、温度、湿度、比容、密度、粘度、比热、焓等状态参数。
（2）空气的压力（压强在隧道通风中习惯称为压力）也称为空气的静压，用符号P表示，它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现，其大小取决于在重力场中的位量（相对高度）、空气温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。
（3）温度是物体冷热程度的标志。
根据分子运动理论，气体的温度是气体分子运动动能的度量。
（4）空气的湿度是指空气的潮湿程度，有两种度量方法：
绝对湿度和相对湿度。
（5）空气和其他物质一样具有质量，单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用ρ（kg/m3）表示。
（6）单位质量物质所占的容积称为比容，用υ（m3/kg）表示。
（7）流体的粘性指流体抗剪切的性质，用粘度（或称粘滞系数）表示。
（8）单位质量物体温度升高一度所需的热量称为比热，用字母C表示。
（9）焓是一个复合的状态参数，它是内能u和压力功PV之和，焓也称热焓。
2.2简述什么是隧道风流的静压能、重力位能、动能、势压、全压。
（1）静压能是指由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能，用EP表示（J/m3）。
当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称作静压力，简称静压，用P表示（N/m2，即Pa）。
在隧道通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。
静压也可称为是静压能。
（2）重力位能是指物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量，简称位能，用EP0表示。
（3）隧道风流的动能是指当空气流动时，除了位能和静压能外，还具有的空气宏观定向运动所产生的的能量，用Ev表示，J/m3。
（4）势能（势压）是指在通风中某点的静压和位能之和。
（5）风流的全压是指流动气体中某一点的静压与动压的代数和。
2.3简述空气流动的连续性方程，并简要说明两种特殊情况。
1）空气流动的连续性方程风流在隧道中的流动可以看作是稳定流（流动参数不随时间变化的流动称之为稳定流），在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：
对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。
图一元稳定流
如图所示，当隧道中风流从1断面流向2断面，且作定常流动（即在流动过程中不漏风又无补给）时，根据物质不灭定律，则有两个过流断面的空气质量相等，即：
式中：
ρ１、ρ2－－1、2断面上空气的平均密度，kg/m3；
V1,，V2－－1、2断面上空气的平均流速，m/s；
S1、S2－－1、２断面面积，m2。
任一过流断面的质量流量为Mi（㎏/s）,则：
Mi=const这就是空气流动的连续性方程，它适用于可压缩和不可压缩气体。
2）两种特殊情况：
（1）若对于可压缩流体，当S1＝S2时，有ρ１V1＝ρ２V２。
也就是说流体的密度与其流速成反比，即流速大的断面上的密度比流速小的断面上的密度要小；
（2）对于不可压缩流体，有ρ１＝ρ２，则V1S1＝V2S2。
也就是说通过任一断面的体积流量Q（m3/s）相等，即Q=viSi=const。
2.4简述隧道通风的能量方程，并简要说明它在使用时的注意事项。
1）隧道通风的能量方程通过一定的假设和简化处理，我们可以推导得出适合隧道通风的能量方程式：
上式可改写成：
式中：
P1、P2—1、2断面上的绝对静压，Pa；
ρ01、ρ02——空气的平均密度，kg/m3；Z1、Z2——基准面至1、2断面的垂直高度，m；g——重力加速度，m/s2；
v1、v2——1、2断面上的平均风速，m/s；
PL1-2——1、2断面间隧道的通风阻力，Pa。
上式右端是断面1与断面2的风流压力差，习惯上称为该段隧道的通风压力或风压、风压损失、风压降）。
2）在使用能量方程时，需要注意以下几点说明
（1）能量方程的意义是，表示1m3空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。
（2）风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化。
（3）风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。
在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。
如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。
（4）应用能量方程时要注意各项单位的一致性。
（5）对于流动过程中流量发生变化，如图，则按总能量守恒与转换定律列方程。
图
2.5简述什么是隧道风流断面的风速分布系数。
断面上平均风速v与最大风速vmax的比值称为风速分布系数（速度场系数），用Kv表示：
Kvv。
Kv值与隧道断面粗糙程度有关。
巷壁愈光滑，Kv值愈
vmax
大，即断面上风速分布愈均匀。
2.6简述什么是隧道通风的摩擦阻力，并简要说明层流和紊流状态下的摩擦阻力计算公式。
（1）风流在隧道中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与隧道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力（也叫沿程阻力）。
（2）层流状态下隧道摩擦阻力的计算式：
式中：
DPf——单位体积（1m3）风流的能量损失，Pa；
γ——运动粘度（或称运动粘性系数），㎡/s；
ρ——空气密度，kg/m3；
L——风道长度，m；
U——隧道断面的湿周，m；
A——隧道断面的面积，m2；
vr——断面平均风速，m/s；Q——通过隧道的风量，m3/s。
（3）紊流的摩擦阻力除了空气粘性产少的内摩擦力面外，还有空气质点相互掺混产生的阻力，其计算公式如下：
式中λr为无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得，公式中其它符号含义同上。
2.7简述什么是隧道通风的局部阻力，并写出隧道入口、出口处，以及断面突然扩大时的局部阻力计算公式。
（1）风流流经隧道的某些局部地点，如有断面突然扩大或缩小、转弯、分岔以及障碍物等，由于速度或方向发生突然变化，导致风流产生剧烈的冲击，形成涡流，从而损失能量，造成这种冲击与涡流的阻力称为局部阻力。
（2）隧道断面突然扩大时的局部阻力风流断面突然扩大时的物理现象可以解释大多数局部阻力导致风流能量损失的原因，因此，该书针对风流断面突然扩大造成的局部阻力加以分析，其他情况类似。
当因风道的突然扩大而引起风流体积的扩大时，空气自小断面S1流向大断
面S2，它所产生局部阻力的计算公式如下：
式中：
DP大——风流的局部阻力，Pa；
v1、v2——风流在风道突然扩大前、后的风速，m/s；S1、S2——风道的小断面面积、大断面面积，㎡。
令
则有：
式中：
ξ大——突然扩大的局部阻力系数（无因次），对于光滑管道的突然扩大，可以按管道的大小断面计算出。
（3）隧道进口
式中：
v——隧道中气流速度，m/s。
4）隧道出口
2.8简述隧道通风的通风阻力定律。
根据摩擦阻力与局部阻力的表达式，可以写出通风阻力的通用表达式：
式中：
DP——通风阻力，Pa；
R——风阻，N·s2／m8；
Q——风量，m3/s。
上式称为通风阻力定律。
它反映了通风阻力与风阻、风量的相互关系。
这一定律对于一条管道，或者几条管道的组合，或者整个系统都是适用的。
2.9简述什么是交通风、单向交通、双向交通，并简要介绍如何计算单向交通通风力、双向交通通风力。
（1）交通风
在隧道中运行的车辆，由于其具有一定的运动速度和相应的车体断面积,将能量传递给隧道的空气，造成了隧道内部的空气流动，这种由交通车辆引起的风流叫交通风，由于它类似于活塞的作用，所以也叫活塞风。
（2）单向交通及单向交通通风力计算
单向交通，或称单向通行、单行线、单行道、单向路，是指只允许车辆按某
一方向行驶的道路交通。
进入单行路的车辆应按照交通标志所指示的方向行驶，不能逆向行驶。
单向交通通风力的计算可按下式进行：
式中：
Pt——交通风阻力（N/m2）；
与vr同向的高峰小时交通流量，L为隧道长度（m）；
与vr反向的高峰小时交通流量；
vt（）——与vr反向的各工况车速（m/s）；Am——汽车等效阻抗面积（m2）；
Ar——隧道净空面积（m2）。
汽车等效阻抗面积可按下式计算：
式中：
22
（m2），可取2.13m2，或参照规范取值；
r1——大型车比例。
ρ——空气密度（kg/m3）,一般取1.20。
（3）双向交通及双向交通通风力计算
双向交通（或称双向通行），是指车辆在道路的某一侧按某一既定的方向行驶，而在道路的另一侧按既定的相反方向行驶的道路交通。
对于双向交通公路隧道而言，由于其相向运动的车辆产生的运动风压相互抵消或者成为阻抗力，对隧道气流运动的实际作用效果甚微，因此，即使隧道较短也可能需要设置机械通风设施。
双向交通通风力的计算可按下式进行：
式中字母与符号意义同上。
2.10简述什么是隧道两洞口的超静压差、热位差、等效压差。
（1）隧道两洞口的超静压差我们将隧道进风洞口与出风洞口的气流压差称为超静压差，用ΔP表示，当隧道内风流由低洞口流向高洞口时：
ΔP=P1-P2-ρgΔZ
当隧道内风流由高洞口流向低洞口时：
ΔP=P2-P1+ρgΔZ
（2）隧道两洞口的热位差
由于隧道内、外的温度差，造成隧道内、外空气的密度不同，再加上两洞口的高程差所引起空气流动的压力差称为热位差。
（3）隧道两洞口的等效压差形成洞内自然风的动力，称为等效压差，用ΔPn表示，其计算公式为：
2.11简述隧道自然通风的影响因素。
2
由隧道内自然风的等效压差ΔPn计算公式DPn=DPiv0+（0i）gDZ
n20i可知洞内自然风等效压差由三部分组成：
（1）两洞口的大气超静压差ΔP；
2
（2）洞外的动压iv0，它是在两洞口超静压差作用下进入隧道的气流所带
2
22入的动能，当自然通风时，iv0与ΔP同时存在（即ΔP＝0，则v0==0，iv0=0）；
22
（3）热位差（ρ0-ρi）gH，它是由洞内外气温差引起的，当ρ0<ρi时，热位差自动显示为负值，表示热位差将促使隧道内空气由高洞口流向低洞口。
第3章习题
3.1什么叫通风机的工况点如何用图解法求单一工作或联合工作通风机的工况点，举例说明之。
答：
1）通风机的工况点是指通风机特性曲线（H-Q）和通风机工作风阻曲线的交点，即是通风机在某一特定转速和工作风阻条件下的工作参数，工作参数主要包括有Q、H、N和η等，一般是指H和Q两参数。
2）图解法：
①单一工作风机的工况点，为通风机特性曲线（H-Q）和通风机工作风阻曲线的交点。
②通风机联合工作：
两台风机串联的等效合成曲线按风量相等风压相加原理求得，即在两台风机的风量范围内，作若干条风量坐标的垂线（等风量线），在等风量线上将两台风机的的风压相加，得该风量下串联等效风机的风压（点），将各等效风机的风压点联起来，即可得到风机串联工作时等效合成特性曲线。
两台风机并联的等效合成曲线按风压相等风量相加原理求得。
3.2试述通风机串联或并联工作的目的及其适用条件。
答：
通风机联合运转工作就是为增加风量或提高风压，将两台或两台以上风机在同一个管网上联合运转工作，串联是为了提高风压，并联是为了增加风量。
3.3设计题目：
某省有一等级为一级公路的公路隧道，采用机械通风1.设计时速：
几何尺寸按80Km/h，通风、照明按60Km/h进行设计；2.车道和通行情况：
采用双洞单向行车双车道隧道，日最高通过车辆60000辆，其中柴油车8000辆，小客车16000辆，旅行车、轻型货车16000辆，中型货车12000辆，大型客车8000辆；3.隧道长度和纵坡：
长度为1500m，隧道纵坡为1.5%；4.海拔高度和气压：
平均海拔高度1200m，隧道气压：
90kN/m2；5.通风断面面积：
60m2,周长为30m；6.隧道洞内平均温度：
15℃。
试对此隧道进行通风设计。
3.4隧道运营期间通风方式分为哪几种，各有什么特征。
答：
隧道运营期间通风方式主要有自然通风、纵向式机械通风、半横向式机械通风、全横向式机械通风。
其中，自然通风方式就是不用机械动力设备，完全靠车辆通过隧道时产生的交通通风力作用，以及隧道内外温度差产生的自然风压作用，形成空气对流，把污浊空气从隧道内排出。
纵向式机械通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，风流沿着隧道纵向流动，并从另一洞口排出污浊空气的通风方式。
半横向式机械通风是在隧道内只建压入新鲜空气的进风道，经隧道稀释污浊空气后在隧道上部扩散，沿隧道纵向流动至隧道出口排出。
全横向式机械通风的新鲜空气经由隧道地板上的进气孔进入隧道，稀释污浊空气后，横穿隧道经由排气孔进入排风道，被抽吸出洞外。
3.5隧道自然通风的影响因素有哪些。
答：
隧道自然通风受气象条件、几何参数和车辆运行情况等因素影响。
1）风速、风向、气温等气象条件随季节变化很大，致使自然风流也会不稳定，风速忽大忽小，甚至风向可能忽左忽右，是首要考虑的因素。
2）隧道长度、断面积和断面形状等几何参数会影响隧道通风的阻力，故自然通风多用在短直的隧道中。
3）
车流量和车辆行驶方向等运行情况对自然通风适用隧道长短、类型有重要影响。
3.6纵向式机械通风有哪几种形式，其有何差异。
答：
纵向式通风方式有多种形式，如射流式、洞口压风式、竖井（或斜井）抽出式、两端送风中间排风式和多竖井分段式等。
其中，射流式通风是在隧道顶部吊设射流式通风机，通过其产生的负压效应促使空气沿隧道纵向流动。
洞口压风式是在隧道一端洞口安装压风机集中送风，由喷流风产生正风压，促使空气沿隧道纵向流动，并由另一端洞口排出。
竖井（或斜井）抽出式即利用施工过程中留下的竖井
（或斜井）作为风道，在井口安装抽风机，使风沿隧道纵向流动，将污浊空气抽出。
两端送风中间排风式是在隧道口两端安装射流风机进行集中送风，中间竖井口安装抽风机集中抽风，形成风沿隧道纵向流动。
多竖井分段式是把长隧道分割成若干段相对短的隧道，然后进行分段机械通风。
3.7隧道运营期间的通风方式选择，需要考虑哪些因素。
答：
隧道在运营期间选择机械通风方式时，应考虑的因素主要有：
1）交通条件，如交通量、车辆种类、设计速度、车道数等；2）地形、地物、地质条件，如隧道附近的地形状况、地面建筑、地下埋设物等；3）通风要求，如风量、风速、风压等；4）环境保护要求，如对空气、噪声等控制指标的要求5）火灾时的通风控制；6）维护与管理水平；7）分期实施的可能性；8）工程造价、营运电力费、维护管理费等。
3.8隧道施工期间通风方式主要有哪些，分别有什么特点。
答：
隧道在施工期间通风方式主要有排风式、送风式、送排风并用式、送排风混合式、竖井排风/正洞送风方式、巷道通风方式、局部风机（风扇）方式等7种。
1）集中排风式：
在洞外设置大容量（需风量总和）风机，风管吸风口设在开挖面附近，通过风管排除废风；2）串联排风式：
在风管内设置小型风机，随开挖面推进，可接长风管和增加风机，通过风管排除废风；3）集中送风式：
设备与集中排风式相同，但是将风管送风口设在开挖附近，通过风管将新鲜风从开洞口吹入开挖面，并由隧道排出废风；4）串联送风式：
设备与串联排风式相同，但是将新鲜空气通过风管送入开挖面，并由隧道排出废风；5）集中送排风并用式：
设备由集中排风式和集中送风式构成，送风机功率比排风机大，随开挖面推进加长风管；6）串联送排风并用式：
设备有串联排风式和串联送风式构成；7）送排风混合式：
由下导坑或侧壁导坑作超前开挖时，在超前导坑部采取送风式，在全断面部（扩挖处）采取排风式；8）竖井排风/正洞送风方式：
长隧道时，利用竖井排风，并在正洞口内竖井底口附近设送风机送风至开挖面；9）巷道通风方式：
特长隧道时，利用避难坑道作排风道，正洞作进风道，在避难坑道的洞口附近设门，安设大容量风机；10）局部风机（分扇）方式：
采取排风方式时，仅在开挖面附近局部地方设置风机（风扇）。
3.9隧道施工期间的通风方式选择，需要考虑哪些因素。
答：
隧道施工期间的通风方式选择，应考虑：
1）自然通风因其影响因素较多，其通风效果不稳定且不易控制，故除短直隧道外，应尽量避免采用；2）送风式
通风方式能将新鲜空气从开洞口直接输送至开挖工作面，有利于工作面施工，且污浊空气将流经整个隧道，若采用大功率、大直径，或联合运转，其适用范围较广；3）排风式通风的风流方向与压入式相反，但其排烟速度慢，且易在工作面形成炮烟停滞区，故一般很少单独使用；4）送排风并用式和送排风混合式集压入式和抽出式的优点于一身，但管路、风机等设施增多，在管径较小时可采用，若有大管径、大功率风机时，其经济性不如压入式，且容易出现循环风现象；5）竖井排风/正洞送风方式和巷道通风方式是解决长大隧道施工通风的方案之一，其通风效果主要取决于通风管理；6）通风方式应根据隧道长度、断面大小、施工方法、设备条件等综合因素确定，当主风流的风量不能满足隧道掘进要求时，应设置局部通风机，并尽量利用辅助坑道；7）选择通风方式时，在考虑经济和可行的前提下，选用合适的通风机和风管，做好连接，减少漏风；8）对于瓦斯隧道，在非瓦斯工区的施工通风方式宜采用送风式或送排混合式，低瓦斯工区的施工通风方式应采用送风式或巷道通风方式，高瓦斯工区和瓦斯突出工区的通风方式应采用巷道通风方式。
第4章习题
4-1隧道火灾的特点是什么？
答：
1）火灾类型多样性；2）烟气的浓度大、温度高；3）火灾蔓延迅速；4）起火点的移动；5）人员疏散困难；6）灭火救援难度大；7）火灾危害大。
4-2隧道建筑的防火安全布局应考虑哪些方面
答：
应综合考虑隧道及其附属用房的位置、防火间距、消防车道、消防水源以及避难逃生设施等。
4-3什么是常高压给水和临时高压给水系统？
隧道临时高压给水系统通常有哪些
方式
答：
常高压给水系统，设置高位消防水池，利用消防水池与管网的高程差产生的势能保证隧道内的供水压力，管网经常保持满足灭火时所需的压力和流量，扑救火灾时，不需启动消防水泵加压而直接使用灭火设备灭火。
临时高压给水系统，隧道管网最不利消火栓周围平时水压和流量不能满足灭火的需要，在水泵房内设有消防水泵，火灾时启动消防水泵，使管网内的压力和流量满足灭火的需要。
隧道临时高压给水系统通常有三种方式：
一是消防水池设置在消防水泵房附近，消防给水管网的压力和水量完全靠消防水泵启动获得，初期火灾的消防用水量靠高位消防水箱供给应设置高位消防水箱，其储水量应满足10min消防用水量的要求，其高程应满足隧道内最不利点消火栓灭火时的压力要求。
二是隧道外设有高位消防水池，但消防水池的高程不能满足隧道最不利点灭火压力的要求，水泵房设置隧道附近，水泵直接吸水加压，可不设置高位水箱。
三是隧道由于受周围环境和地形、地质条件等限制，无法设置高位消防水箱和高位消防水池，隧道管网平时由稳压泵等增压设施来保持足够的压力，水泵房内的消防水泵只在火灾时启动，以满足灭火所需的水量和压力要求。
4-4什么情况下隧道应设置消防水池？
消防水池的水效容积如何确定？
答：
市政供水设施、天然水源不能满足隧道消防供水要求：
①隧道周围没有市政供水设施；②市政供水管网为枝状或只有一条进水管；③市政供水、天然水源及其取水设施不能满足隧道一次灭火的水量、水压要求时，应设置消防水池。
消防水池应设置在隧道外。
消防水池的有效容积应满足火灾延续时间内隧道消防用水量的要求。
设置间距较近的隧道群，在确保可靠供水的前提下，可共用消防水池，消防水池有效容积应满足火灾延续时间内消防用水量最大的隧道的灭火要求。
其消防给水系统应按同一时间内发生一次火灾进行设计。
I级长隧道和特长隧道的火灾延续时间不应低于3.00h，其余隧道的火灾延续时间不应低于2.00h。
4-5隧道内的排烟风机有什么要求？
答：
由于隧道火灾烟气温度较高，起火区域内的风机容易被烧坏，因此，考虑到风机的损坏因素，设计时必须对直接暴露在火场中的风机留有一定的冗余，与高温烟气有直接接触的风机电动机、附属设备、零部件、外接配电线，应能满足在250℃的烟气中正常工作不少于60min的要求。
排烟管道的耐火极限不应低于1.00h。
排烟风机中使用的消音器，其隔板中使用的吸音材料应为不燃烧、无毒材料，且能在250℃的烟气中保持稳定。
第5章习题
5-1常用的隧道火灾灭火剂有哪几类？
答：
常用的灭火剂主要有水、润湿剂、泡沫、卤代烷干粉和二氧化碳等。
5-2按照灭火原理的不同，灭火方法分为哪几种？
答：
冷却灭火法，隔离灭火法，窒息灭火法，化学抑制灭火法。
5-3常用的火灾曲线有哪几种，各有什么特征？
答：
常用的火灾曲线有ISO834曲线，RWS曲线，碳氢化合物燃烧曲线（HC曲线），RABT曲线等。
ISO834曲线用来描述一次典型的建筑物火灾，燃料为纤维质材料（如木材、纸、织物等）；RWS曲线主要模拟油罐车在隧道中的燃烧情况，最初温度迅速上升，接着随着燃料的减少而逐步下降；HC曲线用来描述发生小型石油火灾（如汽油箱、汽油罐以及某些化学品运输罐）的燃烧特征，主要模拟火灾发生在较为开放的地带，热量可以散发的情况；RABT该曲线模拟一场简单的卡车火灾的升温状况，但针对一些特殊的火灾类型，最高温度的持续时间也可延长到60min或更长的时间，然后冷却110min。
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