CN101726370A - 隧道火灾模拟实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隧道火灾模拟实验平台，包括可水平移动的平台主体，所述平台主体的前、上、后三面中的至少两面均采用防火透明材料制作；能模拟隧道内纵向风的烟气控制系统；火源模拟系统，所述火源模拟系统包括可控制燃料流量的多孔气体燃烧器；及配套测控系统，所述配套测控系统包括用于测量燃烧产物气体组分的气体组分测量系统和用于测量隧道内温度的烟气温度测量系统。根据本发明的隧道火灾模拟实验平台，使得模拟隧道内具有良好的可视性，可方便有效地观察以及通过激光片光测量流场的特性。另外，还可根据研究需要来实现对火源功率的控制。

Description

隧道火灾模拟实验平台

技术领域

本发明涉及火灾安全技术领域，尤其是涉及关于一种用于模拟实际隧道中火灾状况的实验和研究设备。

背景技术

在现代的隧道火灾科学研究中，通过模拟实验来研究隧道内火灾状况下的烟气流动规律和通风策略，用来指导通风与排烟模式的设计，对于保障隧道高效、安全的运营具有重要意义。而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。因此，小尺寸的模拟试验研究在针对隧道火灾的研究方法中显得尤为重要且被广泛应用。

然而，目前研究中的缩尺寸隧道火灾模拟实验平台存在以下重要的缺陷：

(1)采用局部设置的玻璃窗。这样将无法观测整个火灾烟气层的流场行为特征。

(2)采用油盘火作为火源。由于油盘火的火源功率主要由其面积确定，某个面积的油盘对应某一定的火源功率，因此，为满足研究不同火源功率场景，需要制作多个不同面积的油盘，在实验过程中也需要不停地更换油盘。这样，使得实验过程繁琐，会影响实验的效率，而且无法对火源功率实现连续可调。

(3)尺寸有限。模拟隧道的尺寸将会对研究结果产生重要影响。目前国内外隧道火灾实验台的长度均在10m左右。该尺寸的实验台将难以满足一些关键的相似准则(如Re数)。而且也无法研究远离火源区域的烟气层蔓延行为及特点，由于横截面积较小，边界层效应会对烟气层竖直方向上的参数分布造成重要负面影响。

(4)风量的调节和再分布主要通过简易的带扇形风口的调节板和转动手柄来实现，这样，使得风量和速度的精确度太低，难以实现实验中对风量和速度场均匀分布的有效控制，从而影响实验的准确性和效果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种功能齐全、安全可控且可重复进行模拟实验的隧道火灾模拟实验平台。

根据本发明的隧道火灾模拟实验平台包括可水平移动的平台主体，所述平台主体的前、上、后三面中的至少两面均采用防火透明材料制作；能模拟隧道内纵向风的烟气控制系统；火源模拟系统，所述火源模拟系统包括可控制燃料流量的多孔气体燃烧器；及配套测控系统，所述配套测控系统包括用于测量燃烧产物气体组分的气体组分测量系统和用于测量隧道内温度的烟气温度测量系统。

根据本发明的隧道火灾模拟实验平台，通过在平台主体上设置至少两面防火透明材料，使得模拟隧道内具有良好的可视性，可以方便有效地观察以及通过激光片光测量流场的特性。另外，通过采用多孔气体燃烧器，用来控制燃料流量，从而可根据研究需要来实现对火源功率的控制。

另外，根据本发明的隧道火灾模拟实验平台还具有如下附加技术特征：

所述平台主体由多节可水平拆卸的框架小车衔接而成。

所述每辆小车下面设有适于与水平导轨相配合的轮毂。

本发明中的平台主体通过多节框架小车衔接而成，可水平移动且方便拆装，结构简单。

所述烟气控制系统包括位于所述实验平台的第一端部的能模拟实际隧道纵向通风的端部纵向送风系统，以及能模拟实际隧道竖井排烟的竖向排风系统。

端部纵向送风系统和竖向排风系统可以独立运行，也可实现组合运行。这样，使得模拟隧道内的实验可以根据实际需要而对纵向风形成模式来进行选择。

所述端部纵向送风系统包括设置在平台主体的第一端部的变频风机和至少三张整流网。通过变频风机的使用，可以实时地调节风量的大小，从而实现了在实验中对风量和速度场均匀分布的有效控制，从而可达到精确实验的效果。

所述至少三张整流网设置在所述变频风机邻近的6m的范围内。至少三张整流网形成整流匀速段，当风从变频风机从第一端部吹入整流匀速段后，在整流网的整流作用下，通过6m整流匀速段以后的风的流场将更为均匀，从而可形成可模拟实际隧道中风力的纵向通风。

所述实验平台的第二端部设有用于收集烟气的集烟罩，用于收集火源燃烧所产生的烟气以进行有害气体的成分分析。

所述气体组分测量系统包括布置于模拟隧道内和端部集烟罩内的多个气体传感器，以及接收所述多个气体传感器的电信号的数据处理装置。

所述烟气温度测量系统包括布置于模拟隧道内的热电偶树和热电偶阵列，以及接收所述热电偶树和热电偶阵列的电信号连接的数据处理装置。

通过采用以上所述的气体组分测量系统和烟气温度测量系统，可以对模拟隧道内的热物理参数进行全方位的测试。

所述平台主体的长度至少为20m，以便于研究远离火源区域的烟气层蔓延行为及特点

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的隧道火灾模拟实验平台的总体结构示意图；

图2是图1中所示的隧道火灾模拟实验平台的局部结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的隧道火灾模拟实验平台的风速、温度测点布置的立体示意图；

图4是根据本发明的另一个实施例的隧道火灾模拟实验平台的气体传感器测点布置的立体示意图；

图5是图1中所示的隧道火灾模拟实验平台的端部纵向送风系统的整流匀速段示意图；以及

图6是图1中所示的隧道火灾模拟实验平台的火源模拟系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了描述清楚，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。以上仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面将结合附图详细描述根据本发明的实施例的隧道火灾模拟实验平台。

如图1～图4中所示，根据本发明一个实施例的隧道火灾模拟实验平台，包括平台主体1、烟气控制系统2、火源模拟系统3，集烟罩4以及配套测控系统。

如图1所示，平台主体1的长度至少为20m，以便于研究远离火源区域的烟气层蔓延行为及特点。可选地，平台主体1的全长为72m，即按近似1∶5缩尺寸比例模拟了360m实体隧道，这样，可以同时模拟长隧道火灾的烟气在近火源和远离火源区的蔓延行为及特点。

如图2所示，平台主体1可以水平移动。可选地，平台主体1由多节可水平拆卸的框架小车衔接而成。例如，可以使用12节6m长的框架小车进行衔接而达到72m的长度。其中，框架小车的框架结构可用方钢、钢板或槽钢等材料搭建而成。在每辆框架小车下面设有适于与水平导轨8相配合的轮子9，可将平台主体1放置在水平导轨8上进行水平移动。

平台主体1的前、上、后三面中的至少两面均采用防火透明材料5制作，从而形成模拟隧道。在本发明的一个示例中，平台主体1的前、上、后三面都用防火玻璃制作，具体地，防火玻璃的厚度可为12mm，这样，可以达到良好的可视性，从而可以方便和有效的观察整个火灾烟气层的流场特征，以及通过激光片进行光测量流场的特性。另外，防火玻璃和框架结构可作密封处理，可使模拟隧道不漏风。

在平台主体1与三面防火透明材料形成的模拟隧道的内部，设有隧道内车行轨道6，用于模拟实际隧道中的车辆行驶情况。另外，由于模拟隧道内部的高度有限，因此可在平台主体1上还设有底部外开门7，这样，操作人员可以从底部外开门7处探入模拟隧道内部以布设隧道内的实验测量设备。

烟气控制系统，包括端部纵向送风系统2和竖向排风系统3。其中，端部纵向送风系统2可以模拟实际隧道纵向通风。端部纵向送风系统2包括变频风机和至少三张整流网19。变频风机设在平台主体1的第一端部A处，沿变频风机的风流动的前方形成有6m的整流匀速段。如图5所示，整流匀速段主要由多张整流网19构成，在本发明的一个示例中，整流网19的数目为三张，均匀分布在6m的范围内。当风从变频风机从第一端部A吹入整流匀速段后，在整流网19的整流作用下，通过6m匀速段以后的风的流场将更为均匀，从而形成了可模拟实际隧道中风力的纵向通风。而且，通过变频风机的使用，可以实时地调节风量的大小，从而实现了在实验中对风量和速度场均匀分布的有效控制，从而可达到精确实验的效果。

竖向排风系统3可以模拟实际隧道(例如过江隧道)的竖井排烟的功能。在本发明的一个示例中，竖向排风系统3安装在平台主体1的顶部。竖向排风系统3的工作原理为：开启竖向排风系统3后，模拟隧道内形成的抽气负压将从其端部形成补入气流，从而在模拟隧道内形成实验所需的纵向通风。

端部纵向送风系统2和竖向排风系统3可以独立运行，即只开启其中任一个，而另一个关闭。端部纵向送风系统2和竖向排风系统3也可以实现组合运行。这样，使得模拟隧道内的实验可以根据实际需要而对纵向风形成模式来进行选择。

如图6所示，火源模拟系统主要包括气源入口20、设置在气体管路上的阀门21、减压阀22、压力表23、转子流量计24及多孔气体燃烧器26。其中，可燃气体从气源入口20处进入管路。例如可燃气体为液化石油气。打开阀门21，可燃气体从气源入口20处通入后，由减压阀22将可燃气体的压力减压并稳定到一个定值，此压力定值可通过压力表23读出，然后通过转子流量计24可以测出可燃气体流量。当可燃气体从燃烧器进气口27处进入多孔气体燃烧器26后，在多孔气体燃烧器26的喷嘴25处与空气接触扩散燃烧，从而形成了安全且燃烧清洁的火源。通过对可燃气体流量的控制，实现了对火源功率的控制，这样，为了满足不同火源功率的场景，只需要控制多孔气体燃烧器26中的可燃气体的流量即可，提高了实验的效率。另外，由于液化石油气作为火源，燃烧充分完全，产物清洁，符合环保的要求。

在平台主体1的第二端部B设有集烟罩4，用于收集火源燃烧所产生的烟气以进行有害气体的成分分析。在集烟罩4的上部连接有排烟管18，且在排烟管18的内部设置有气体传感器17。

配套测控系统包括用于测量隧道内温度的烟气温度测量系统和用于测量燃烧产物气体组分的气体组分测量系统。通过采用气体组分测量系统和烟气温度测量系统，可对模拟隧道内的热物理参数进行全方位的测试。

如图4所示，气体组分测量系统包括布置于模拟隧道内多个气体传感器15和端部集烟罩内的气体传感器17，以及接收多个气体传感器的电信号的数据处理装置(图未示)。其中，气体传感器15安装在竖立在模拟隧道中的支架16上，每个支架16上可安装多个气体传感器15，且多个支架16可布置在模拟隧道内的任意区段内。

烟气温度测量系统包括布置于模拟隧道内的热电偶树和热电偶阵列，以及接收热电偶树和热电偶阵列的电信号连接的数据处理装置。其中，热电偶树用于测量模拟隧道内竖直方向上的温度分布，在实验台内均匀设置。具体地说，应根据实验测量的需要设置所需的热电偶数和风速探针数，可选地，可在每个框架小车上分别设置两个热电偶树，且在热电偶树上的热电偶探头在竖直方向上的间隔不大于15cm，。另外，在模拟隧道内竖直方向上，还设有多个风速探针。可选地，风速探针在竖直方向上的数目不少于4个，如图3所示。热电偶矩阵用于测量在一个截面上的二维温度分布，可根据需要放置在模拟隧道中的需要测量的部位。

下面将结合附图来详细描述根据本发明的实施例的工作过程。

首先，根据图3来描述根据本发明的一个实施例的隧道火灾模拟实验平台的对隧道内温度和风速的测量的工作过程。

在模拟隧道内均匀分布多个热电偶树10和风速探针11，且在实验台的第一端部A、第二端部B或任意需要测量烟气的部位布置热电偶矩阵14。然后开启端部纵向送风系统2或顶部竖向排风系统3，使得模拟隧道内形成纵向通风，从而使热电偶树10和热电偶矩阵14分别产生电压信号，而风速探针11产生电流信号，最后电压信号与电流信号分别通过数据控制线传输到数据采集控制器13。

其次，根据图4来描述根据本发明的另一个实施例的隧道火灾模拟实验平台的对隧道内燃烧产物气体组分的收集和测量的工作过程。

在模拟隧道的任意区段内布置多个气体传感器15，且在集烟罩的排烟管18内布置气体传感器17。然后开启端部纵向送风系统2或顶部排风系统3，使得模拟隧道内形成纵向通风，从而使气体传感器产生电压信号，最后不同部位的气体传感器产生的电压信号分别通过数据控制线传输到数据采集控制器13。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，包括：

可水平移动的平台主体，所述平台主体的前、上、后三面中的至少两面均采用防火透明材料制作；

能模拟隧道内纵向风的烟气控制系统；

火源模拟系统，所述火源模拟系统包括可控制燃料流量的多孔气体燃烧器；及

配套测控系统，所述配套测控系统包括用于测量燃烧产物气体组分的气体组分测量系统和用于测量隧道内温度的烟气温度测量系统。

2.根据权利要求1所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述平台主体由多节可水平拆卸的框架小车衔接而成。

3.根据权利要求2所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述每辆小车下面设有适于与水平导轨相配合的轮毂。

4.根据权利要求1所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述烟气控制系统包括位于所述实验平台的第一端部的能模拟实际隧道纵向通风的端部纵向送风系统，以及能模拟实际隧道竖井排烟的竖向排风系统。

5.根据权利要求4所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述端部纵向送风系统包括设置在平台主体的第一端部的变频风机和至少三张整流网。

6.根据权利要求5所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述至少三张整流网设置在所述变频风机邻近的6m的范围内。

7.根据权利要求1所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述实验平台的第二端部设有用于收集烟气的集烟罩。

8.根据权利要求7所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述气体组分测量系统包括布置于模拟隧道内和端部集烟罩内的多个气体传感器，以及接收所述多个气体传感器的电信号的数据处理装置。

9.根据权利要求1所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述烟气温度测量系统包括布置于模拟隧道内的热电偶树和热电偶阵列，以及接收所述热电偶树和热电偶阵列的电信号连接的数据处理装置。

10.根据权利要求1所述的隧道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述平台主体的长度至少为20m。

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