CN101187591A - 坡度可调隧道火灾风洞实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡度可调隧道火灾风洞实验装置，包括风量调节器、风量再分布面板、风洞隧道、排烟烟道、坡度调节器和小车移动装置；所述的风量调节器通过风量再分布面板与风洞隧道的前端相连，排烟烟道与风洞隧道的后端相连，风洞隧道的中部的底面通过螺栓固定在坡度调节器上，小车移动装置与风洞隧道和坡度调节器连接在一起。本发明能调节风洞隧道的坡度和控制着火小车的移动速度和位置，对不同的火灾规模和场景进行模拟，适用范围广，而且装置结构简单，操作灵活方便。

Description

坡度可调隧道火灾风洞实验装置

技术领域

本发明涉及一种火灾实验装置，特别涉及一种坡度可调隧道火灾风洞实验装置。

背景技术

为了最大程度的减少人员伤亡、车辆损废和火灾对隧道结构的破坏，需要研究隧道内火灾条件下的烟气运动规律。在研究隧道内火灾烟气运动规律的方法中，有隧道火灾模拟实验、数值模拟和理论分析三大类。隧道内的火灾烟气运动规律非常复杂、影响因素也较多，目前完全通过数值模拟和理论推导来研究隧道烟气的运动规律还有一定的困难。因此，通过实验手段——隧道火灾模拟实验来探询隧道烟气的运动规律就显得十分必要。

目前，针对隧道火灾进行的模拟实验研究主要有三种方式：(1)盐水实验模拟；(2)大尺寸及全尺寸实验研究；(3)小尺寸模型实验研究。

盐水实验模拟一种是用湍浮盐水在清水中的运动和扩散来模拟受限空间火灾烟气在空气中的蔓延和热量传递的研究方法，其特点是不同介质的模拟。早在1963年Thomas就用盐水模拟技术来显示顶棚和侧壁的排烟口向大房间里排烟的效果，Tangren等人也于1978年运用该方法在1/5模型里研究带有走廊或窗口的房间火灾所产生的热烟气层密度和位置。之后，有许多研究者利用盐水实验模拟方法来研究密闭复合腔内火灾诱发的烟气流动、二维重力流的流动性质，受限空间烟羽流准稳态结构和蔓延规律、顶棚射流和顶棚下分层流的发生发展过程，侧室-走廊烟气和卷吸空气的运动规律，中庭类型建筑物内的火灾烟气运动规律和地下建筑的火灾烟气运动。这些实验结果都对研究火灾烟气运动规律提供了很大帮助。但是盐水实验模拟方法也存在着以下一些缺点：在盐水实验中忽略了壁面传热以及燃烧时的化学反应，实验模拟的烟气层温度较实体燃烧实验偏低。该方法的基本理论还不够完善，定量研究的误差较大。

开展大尺寸尤其是全尺寸的相关试验来对已有的小尺寸试验和数值模拟的结果进行验证和修正非常重要，国外在这方面做了大量的工作。美国、日本等国利用废弃的隧道进行过一系列全尺寸实验，如1965年进行的Ofenegg隧道火灾试验，1974-1975年奥地利在废弃的Zwerberg隧道中进行的火火试验，1976年，Heselden等人在废弃的格拉斯哥隧道内进行的试验，1990-1993年，欧洲的EUREKA 499计划在挪威Repparfjord隧道中进行的5次火灾试验，1993-1995年，美国MTFVTP项目在西维吉尼亚Memorial公路隧道中进行的92次火灾测验，2001年，日本在New Tomei高速公路Shimizu 3号隧道开展的大断面公路隧道足尺寸火灾试验；2003年，欧洲UPTUN项目在挪威废弃的两车道Runehamar隧道内进行的4次足尺寸火灾试验。

我国开展该类试验研究较少，只有中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在云南省昆明-石林高速公路阳宗隧道内进行了全尺寸火灾模拟试验。西南交通大学杨其新教授等人则借助大比例火灾模型试验，研究了火灾时隧道内温度随时间的变化，最高温度与通风风速、火灾规模等的关系。该模型隧道采用钢筋混凝土管段连接而成，长100m，坡度2％，隧道内径1.8m，衬砌壁厚15cm，近似秦岭特长公路隧道的断面形状。

大尺寸及全尺寸试验对认识火灾特性，揭示变化规律，发挥着很重要的作用。但是，由于隧道结构的特殊性及巨大的长宽比特征，建造全尺寸或者大尺寸的试验平台是比较困难的，需要耗费大量的人力物力。另外，由于实际火灾的复杂性和随机性，全尺寸火灾实验往往又是无法实现的。与此相对应，以相似理论为依据建立的小尺寸模型试验具有真实再现火灾现象的特点，在节约时间、缩短空间以及节省人力、物力、财力等方面具有独特的优越性，因而在针对隧道火灾的研究方法中显得尤为重要而被广泛应用。

早在1979年，Lee等人就在长13.7m、横截面积为0.27m²的小尺寸试验台上进行了临界纵向风速研究。之后Chaiken等人(1979年)、Vantelon等人(1990年)、Kwack等人(1990年)、Xue等人(1993年)和Oka等人(1996年)相继建立了比例大小不一的小尺寸试验台进行了临界风速的研究。从目前的研究情况来看，这些小尺寸的隧道火灾模拟实验研究主要侧重于两个方面：(1)隧道内发生火灾时，为了抑制烟气逆流所需的最小临界纵向送风风速；(2)隧道内发生火灾时，近火源区域的羽流特征。但是，对于隧道纵坡度对烟气流动的影响和对临界纵向通风风速的影响，以及着火车辆位置和运行速度的不同对烟气运动的影响研究还未涉及。这是由于目前的小尺寸隧道火灾模拟实验装置在模拟隧道火灾时存在以下不足：(1)隧道坡度无法作多角度调节，不能从实验角度来测试坡度变化对烟气温度场的影响。(2)着火车辆的位置及其运行速度对隧道内温度场变化的影响很大，但实验装置内对着火车辆的位置和运行速度无法控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的隧道坡度无法作多角度调节和实验装置内无法控制着火小车的位置和运行速度的缺陷，提供一种着火小车可移动的坡度可调隧道火灾风洞实验装置。

本发明可以通过以下技术方案予以实现：一种坡度可调隧道火灾风洞实验装置，包括风量调节器、风量再分布面板、风洞隧道、排烟烟道、坡度调节器和小车移动装置；所述的风量调节器通过风量再分布面板与风洞隧道的前端相连，排烟烟道与风洞隧道的后端相连，风洞隧道的中部的底面通过螺栓固定在坡度调节器上，小车移动装置与风洞隧道和坡度调节器连接在一起。

本发明所述的风量调节器包括前调节风门、后调节风门、进风通道、轴流风机和排风通道，所述的前调节风门和后调节风门紧贴在一起，并通过进风通道与轴流风机相连，轴流风机的另一端与排风通道相连，所述的前调节风门是一块开设有扇形进风口的调节板，且该板上安装有转动手柄，所述的后调节风门是一块开设有扇形出风口的调节板，风量调节器的调节风速为0～5m/s。

本发明所述的风量再分布面板是一块开设有两个圆形风道的隔板，且该隔板的外形与风洞隧道的截面形状相同，尺寸相近。

本发明所述的风洞隧道内设有小车移动的导轨，其一壁上开有烟气浓度探测孔，另一侧壁上开有烟气观察窗和风速探测孔，其顶部安装有测温热电偶，风洞隧道的截面形状为长方形、圆形或与现实隧道截面形状相近的一种。

本发明所述的坡度调节器包括钢架结构、风洞转动铰链、调节杆转动铰链、坡度调节杆、棘齿条、底座和支承架，所述的坡度调节杆的一端通过调节杆转动铰链固定在钢架结构上，另一端置于底座的棘齿条上，支承架的一端固定在底座上，另一端通过风洞转动铰链接于钢架结构上，且坡度调节杆可使隧道坡度的调节范围为-6.7°～7.0°。

本发明所述的小车移动装置包括前导向轮、后导向轮、小车、导轨、转轮支架、手柄、转轮和牵引钢丝，所述的前导向轮和后导向轮分别固定在风洞隧道的前后端，转轮和手柄相连并通过转轮支架固定在坡度调节器中的钢架结构上，小车通过牵引钢丝与转轮相连。该小车上设有燃烧床和油盘，燃料油盛放在油盘内，油盘置于燃烧床上。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明的实验装置结构简单，操作灵活方便，能够再现真实隧道火灾场景下烟气的流动，辅以各种测试仪器和仪表，可以对烟气流动中的烟气温度场、浓度场等烟气流动规律进行高精度测量；

2、本发明的实验装置的模型隧道坡度可通过坡度调节器来调节，从而可模拟在各种隧道坡度情况下火灾发生时的烟流运动，同时，坡度调节器调节模型隧道坡度的操作简单，且安装费用不高；

3、本发明的实验装置可对着火小车的位置和运行速度进行控制，从而可模拟火源位于隧道不同位置时，以及火源移动且运行速度不同时的火灾烟气流动情景，且小车移动装置结构简洁，控制灵活；

4、本发明的实验装置实验范围扩大，可对各种通风工况下的火灾场景、不同的火灾规模、各种隧道坡度下的火灾场景、火源静止于不同部位时的火灾场景、火源以各种速度移动时的火灾场景进行相互组合，从而可对现实情况下各种隧道火灾场景所产生的烟气流动规律进行实验研究。

附图说明

图1是本发明坡度可调隧道火灾风洞实验装置的总装配图；

图2是风量调节器的系统结构图；

图3是坡度调节器的系统结构图；

图4是小车移动装置的系统结构图；

图5是前调节风门结构图；

图6是后调节风门结构图；

图7是风量再分布面板结构图；

图8是温度测试热电偶纵断面布置示意图；

图9是温度测试热电偶横断面布置示意图。

附图中标记说明：

1-风量调节器；2-风量再分布面板；3-风洞隧道；4-烟气浓度探测孔；5-烟气观察窗；6-风速探测孔；7-排烟烟道；8-坡度调节器；9-小车移动装置；10-前调节风门；11-后调节风门；12-进风通道；13-轴流风机；14-排风通道；15-钢架结构；16-风洞转动铰链；17-调节杆转动铰链；18-坡度调节杆；19-棘齿条；20-底座；21-支承架；22-前导向轮；23-小车；24-导轨；25-转轮支架；26-手柄；27转轮；28-牵引钢丝；29-转动手柄；30-扇形进风口；31-前调节板；32-扇形出风口；33-后调节板；34-隔板；35-圆形风道；36-热电偶；L-测温热电偶轴向间距；H-风洞隧道高度；W-风洞隧道宽度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。

如图1所示，为本发明的实验装置的总装配图。本发明的实验装置包括风量调节器1、风量再分布面板2、风洞隧道3、排烟烟道7、坡度调节器8和小车移动装置9；所述的风量调节器1通过风量再分布面板2与风洞隧道3的前端相连，排烟烟道7与风洞隧道3的后端相连，风洞隧道3的中部在底面上通过螺栓固定在坡度调节器8上，小车移动装置9与风洞隧道3和坡度调节器8连接在一起。风洞隧道3采用钢结构管段，实验段全长11.5m，有效实验段长10.8m，截面尺寸为0.45m(高)×0.90m(宽)，近似实际隧道的断面形状，风洞隧道3的水平角度可在-6.7℃～+7℃范围内调节。风洞隧道3内设有小车23移动的导轨24，方便小车23移动，其左侧壁，每隔2m开设了5个长条形烟气观察窗5，观察窗用耐火玻璃做面板，用于观察火灾发生时隧道内烟流的流动状态和烟层厚度。火灾的火焰和烟气流动图像采集系统采用数码摄像技术，通过图像采集1394卡输入计算机成像，其左面侧壁上设有1个风速探测孔6，右面侧壁设有5个烟气浓度探测孔4，用于放置测速探头和烟气浓度探针，其顶部安装有测温热电偶，热电偶和智能式数字温度巡检仪相连接，用以测量烟气温度。

如图2所示，为本发明的风量调节器的系统结构图。本发明所述的风量调节器1包括前调节风门10、后调节风门11、进风通道12、轴流风机13和排风通道14，所述的前调节风门10和后调节风门11紧贴在一起，并通过进风通道12与轴流风机13相连，轴流风机13的另一端与排风通道14相连。前调节风门11是一块开设有扇形进风口30的前调节板31，且该板上安装有转动手柄29，所述的后调节风门11是一块开设有扇形出风口32的后调节板33。通过转动轴流风机13前端前调节风门10和后调节风门11的相对位置，可调节风门开度，并通过开启或关闭轴流风机13，可提供不同的风量和风速。然后经风量再分布面板2，吹入风洞隧道3内，使风洞隧道3内的风速可在0～5m/s范围内变化。

如图3所示，为本发明的坡度调节器的系统结构图。本发明所述的坡度调节器8包括钢架结构15、风洞转动铰链16、调节杆转动铰链17、坡度调节杆18、棘齿条19、底座20和支承架21，所述的坡度调节杆18的一端通过调节杆转动铰链17固定在钢架结构15上，另一端置于底座的棘齿条19，支承架21的一端固定在底座20上，另一端通过风洞转动铰链16接于钢架结构上。风洞隧道3的坡度调节是通过将坡度调节器8中的坡度调节杆18置于棘齿条19上的不同位置实现的。通过调节坡度调节器8置于棘齿条19上的位置，可使风洞隧道3的坡度在-6.7°～7.0°范围内变化，用来模拟隧道在各种坡度下的隧道火灾场景。

如图4所示，为本发明的小车移动装置的系统结构图。本发明所述的小车移动装置9包括前导向轮22、后导向轮、小车23、导轨24、转轮支架25、手柄26、转轮27和牵引钢丝28，所述的前导向22轮和后导向轮分别固定在风洞隧道3的前后端，转轮27和手柄26相连并通过转轮支架25固定在坡度调节器8中的钢架结构15上，小车23通过牵引钢丝28与转轮27相连。通过转动手柄26可使小车23沿导轨24移动，以调节小车23在风洞隧道3内的位置，用来模拟着火小车23静止于风洞隧道3内的不同部位时的隧道火灾场景；通过转动手柄26还可使小车23沿导轨24以各种速度移动，用以模拟着火小车23以各种速度在风洞隧道3内移动时的隧道火灾场景。上述的小车23上设有燃烧床和油盘，燃料油盛放在油盘内，油盘置于燃烧床上，小车最多可承载4个小油盘。燃烧的面积可根据火灾案例调研得到的油料扩散范围加以确定，并可通过加入燃料量的多少及油盘数量来模拟不同燃烧强度的隧道火灾规模。

如图7所示，为本发明的风量再分布面板结构图。本发明所述的风量再分布面板2是一块开设有两个圆形风道的隔板34，且该隔板34的外形与风洞隧道3的截面形状相同，尺寸相近。风量再分布面板2这样的结构可以使吹入风洞隧道3内的空气流向接近实际情况，并实现实验中所需的3种纵向风速：正常通风风速、自然风速和火灾排烟风速，用来模拟不同的纵向通风风速下的隧道火灾场景。

如图8、图9所示，为本实施方式的温度测试热电偶36纵、横断面布置示意图。本发明的实验装置设置有11个温度测试断面，每个断面相隔1.0m，在沿通风方向的第6个断面和最后1个断面设有横断面温度测点。纵向温度分布的测点沿隧道拱顶下方水平布置，横向温度分布的测点则分布在隧道顶部和两侧。

本发明在进行自然风速工况试验时，轴流风机13处于关闭状态并与风洞隧道3分离。不同通风风速工况试验时，风速可由轴流风机13和调节风门来实现。模拟坡度对烟气运动的影响实验时，坡度的变化可通过将坡度调节杆18置于棘齿条19上的不同位置来实现。进行火源位置不同时对烟气运动的影响实验时，可通过转动手柄26使着火小车23静止于风洞隧道3内的不同部位。进行火源移动且运行速度不同时对烟气运动的影响实验时，可通过转动手柄26使着火小车23沿导轨24以各种速度移动。进行火灾规模的影响实验时，火灾规模的大小通过在油盘中加入燃料量的多少，以及所用油盘的数量(以改变燃烧面积的大小)来实现。

实施例1—模拟坡度对烟气运动的影响

首先安排好分工，灭火人员和实验人员分别到位准备实验。检查火灾模型系统各部件各测量子系统是否运行正常。调节模型隧道系统达到设定好的火灾场景，本次实验是为了模拟坡度对烟气运动的影响，先模拟隧道无坡度时的烟气运动。火灾规模设定为小火灾规模，通风风速设定为3m/s，固定火源位置，位于隧道中部。按操作规范启动各测试系统，启动计算机开始温度数据采集，油盘中加入配好的燃料，摆放到小车23内，待测试系统运行稳定开始点火。实验人员记录好整个燃烧过程的各类实验数据。这组实验结束，火熄灭，保存好所得的实验数据，将风门开至最大，将隧道内残留的烟气排出，整理实验场地和实验设施，将隧道内工矿恢复到初始状态，再进行下一组实验。利用坡度调节器8分别调节隧道坡度为1.5度、3度、4.5度、6度，其它设置不变，按上述所述分别进行几组实验，将所得的实验数据比较分析隧道坡度对烟气运动的影响。

实施例2—火源可移动且运行速度不同时对烟气运动的影响

按照案例一所述的做好实验前的准备，调节风洞隧道3系统达到设定好的火灾场景，本次实验模拟火源可移动下的烟气运动，设定火灾规模为小火灾规模，通风风速为0m/s，隧道无坡度。第一组实验设定火源移动速度为0.08m/s。第二组实验设定火源移动速度0.14m/s。第三组实验设定火源移动速度为0.31m/s。将所得的实验数据比较分析火源可移动和运行速度不同时对烟气运动的影响。

Claims (10)

1.一种坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：包括风量调节器、风量再分布面板、风洞隧道、排烟烟道、坡度调节器和小车移动装置；所述的风量调节器通过风量再分布面板与风洞隧道的前端相连，排烟烟道与风洞隧道的后端相连，风洞隧道的中部的底面通过螺栓固定在坡度调节器上，小车移动装置与风洞隧道和坡度调节器连接在一起。

2.根据权利要求1所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的风量调节器包括前调节风门、后调节风门、进风通道、轴流风机和排风通道，所述的前调节风门和后调节风门紧贴在一起，并通过进风通道与轴流风机相连，轴流风机的另一端与排风通道相连。

3.根据权利要求1或2所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的前调节风门是一块开设有扇形进风口的调节板，且该板上安装有转动手柄，所述的后调节风门是一块开设有扇形出风口的调节板。

4.根据权利要求1或2所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的风量调节器的调节风速为0～5m/s。

5.根据权利要求1所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的风量再分布面板是一块开设有两个圆形风道的隔板，且该隔板的外形与风洞隧道的截面形状相同。

6.根据权利要求1所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的风洞隧道内设有小车移动的导轨，其一壁上开有烟气浓度探测孔，另一侧壁上开有烟气观察窗和风速探测孔，其顶部安装有测温热电偶。

7.根据权利要求1或6所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的风洞隧道的截面形状为长方形、圆形或与隧道截面形状相同。

8.根据权利要求1所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的坡度调节器包括钢架结构、风洞转动铰链、调节杆转动铰链、坡度调节杆、棘齿条、底座和支承架，所述的坡度调节杆的一端通过调节杆转动铰链固定在钢架结构上，另一端置于底座的棘齿条上，支承架的一端固定在底座上，另一端通过风洞转动铰链接于钢架结构上。

9.根据权利要求1或8所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：隧道坡度通过所述的坡度调节杆调节，隧道坡度的调节范围为-6.7°～7.0°。

10.根据权利要求1所述的坡度可调隧道火灾风洞实验装置，其特征在于：所述的小车移动装置包括前导向轮、后导向轮、小车、导轨、转轮支架、手柄、转轮和牵引钢丝，所述的前导向轮和后导向轮分别固定在风洞隧道的前后端，转轮和手柄相连并通过转轮支架固定在坡度调节器中的钢架结构上，小车通过牵引钢丝与转轮相连，所述的小车上设有燃烧床和油盘，燃料油盛放在油盘内，油盘置于燃烧床上。

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