CN102735415B - 一种采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置，包括实验台主体以及配套测控系统；本实验装置是专门对采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾时热释放速率、烟气运动、火灾探测及扑救等进行全面系统研究的小尺寸实验台。在前人实验基础上克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟工具不够精确的特点，又保证了实验的可重复性，对于开展实验室科学研究和实际隧道烟气控制、竖井排烟效果、探测与扑救系统模拟测试都有很大的应用价值。对采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾的烟气控制、探测与扑救系统设计和测试评价研究具有广阔的应用前景和重要的实际指导意义。

Description

一种采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及一种采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置，用于对采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾时烟气的流动情况和烟气控制系统进行模拟测试。

背景技术

地下公路隧道是解决城市日益拥堵的交通问题的重要方式之一。目前，东京、莫斯科、北京、上海等大城市均已建成或正在建设地下公路隧道。由于城市地下公路隧道兼有地下建筑和公路隧道的特点，其火灾危险性非常高，为了保障火灾时的人员安全，必须在隧道内设置有效的排烟系统。在公路隧道的火灾问题中，烟气的控制及扑救是人们关心的焦点，因为火灾发生后，隧道内的人员在受限空间内都会受到燃烧及燃烧产生的烟气带来的危害。因此，研究公路隧道火灾的烟气流动规律、发展其烟气控制系统和扑救系统对于保证公路隧道系统的总体火灾安全很有必要。

目前，公路隧道主要采用射流风机进行纵向机械排烟。而地下公路隧道高度低，车流量大，采用纵向机械排烟容易破坏隧道内的烟气分层，不利于火灾早期的人员疏散，因此可在隧道顶部设置竖井进行自然排烟以替代纵向机械排烟。对于采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾的烟气流动规律，国内外研究人员分别根据公路隧道的特点和某些预定的目的，开展了不同形式的研究。

王彦富等人在某顶部开口的隧道内进行了现场火灾实验，测试了竖井自然排烟时隧道顶部烟气温度的纵向分布情况，计算了回流距离和烟气蔓延速度，隧道主体尺寸为1410m（长）×12.35m（宽）×5.75m（高）。毕海权等使用STAR-CD软件模拟了某城市隧道竖井自然排烟的效果，得到了烟气在该隧道内的最大蔓延距离。茅靳丰采用小尺寸实验模型，对某城市隧道的自然排烟效果进行了模拟实验研究，根据烟气蔓延速度和沉降时间得到了关于风口数量和高度的设计建议。Yoon对公路隧道通风竖井内自然通风压力进行了分析，结果表明竖井产生的自然通风压力对通风系统效率有显著影响。以上研究由于各方面的限制，只是对主体隧道中烟气温度、厚度和蔓延情况进行了分析，并未对竖井排烟的质量流量和竖井中烟气的速度和温度等参数进行研究。采用竖井排烟时，竖井下方有可能发生吸穿现象，造成大量空气直接进入竖井，这会严重影响竖井的排烟效果。目前对此还没有深入研究。

由于全尺寸火灾实验需要调动大量的人力物力、经济耗费大、条件难以控制、影响隧道运营，全尺寸隧道实验不易开展。开展满足相似性理论的小尺寸实验研究，揭示竖井自然排烟的地下公路隧道火灾的烟气流动规律，是一种较好的选择。同时，小尺寸实验具有易操控性、良好的可再现性以及测量结果的可信度高等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小尺寸隧道火灾实验台，能够在实验室模拟隧道火灾燃烧情况，研究采用竖井自然排烟的公路隧道火灾时的烟气流动规律，发展合适的烟气控制系统。

本发明采用的技术方案为：

一种采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置，包括实验台主体以及配套测控系统；

所述实验台主体，是与实际地下公路隧道实际尺寸成一定比例的单一隧道构造，包括：隧道框架、一侧壁、顶棚、底板、另一侧壁、顶棚上方设置的竖井、隧道内设燃料及火源；所述的隧道框架采用角钢搭建，所述的顶棚、所述的地面以及所述的一侧壁均由防火板构成，该防火板与所述角钢之间作密封处理；另一侧壁由钢化玻璃构成，所述钢化玻璃方便观察隧道内部实验过程和现象，该钢化玻璃与所述角钢之间也作密封处理；

所述配套测控系统，包括烟气温度测量系统、烟气成分量系统、风速测量系统和烟气流场显示系统；所述的烟气温度测量系统包括竖井下方一串竖向热电偶、隧道右侧两串竖向热电偶、以及10个可根据实验需求任意调整位置的铠装热电偶及与其电信号连接的数据处理装置；所述的烟气成分测量系统包括布置于隧道和竖井内的电化学气体成分测量探头及与其电信号连接的数据处理装置；所述的风速测量系统包括布置于隧道右侧开口和竖井内部的高温风速探头阵列及与其电信号连接的数据处理装置；所述的烟气流场显示系统包括布置于实验台右侧开口的激光片光源及对烟气流场进行记录的摄像机。

其中，在所述的顶棚上能够根据需要在任意位置布置竖井，竖井框架由角钢搭建，在框架中加入钢化玻璃模拟竖井侧壁。

其中，所述的防火板为石膏。

其中，所述的地面中间设置了轨道，轨道与该隧道构造断面垂直，该轨道方便模拟火源位置的移动。

其中，所述燃料可置于所述底板任一位置。

其中，该实验模拟装置在实际隧道的结构下做了必要的简化，主要省略了隧道顶部的设备空间并将隧道竖向界面简化为矩形。

其中，所述竖井横截面为一矩形，横截面大小及竖井高度能够根据要求调整。

其中，所述火源可采用甲醇油池火，利用阴燃的香炷产生的烟气模拟火灾烟气，香炷与甲醇油盘保持一定距离，不致被引燃，实验时，先点燃香炷使其发生阴燃，然后点燃甲醇，甲醇燃烧时卷吸空气，产生的浮力作用驱使香炷阴燃烟气在实验台内流动，即可较为清晰地模拟火灾烟气在隧道内的蔓延情况和从竖井中排出的过程。

其中，所述火源也可采用正庚烷或者木垛等标准燃料模拟实际可燃物。

本发明的优点和积极效果为：

（1）在安全性和环境友好方面，采用甲醇油池火作为火源，燃烧充分完全，产物清洁；同时，利用阴燃的香炷产生的烟气模拟火灾烟气，环境友好，无污染，对人体无不良刺激；

（2）在烟气运动模拟实验效果方面，实验台可以完整的模拟真实隧道内可燃物燃烧产生烟气的蔓延和烟气在竖井中的流动状态，并能通过钢化玻璃清晰地监测到实验过程和现象；

（3）在火灾热释放速率的模拟实验效果方面，实验台通过测量竖井排出和隧道右侧溢流出烟气的特征参数进行计算；

（4）在实验测量系统方面，先进完备的测温系统、成分测量系统、速度测量系统和烟气流场显示系统等可以对烟气流动参数和烟控效果进行全方位的观测和研究；

（5）在实验成本方面，本小尺寸实验台相比大尺寸的实验台耗费少，可重复性强，操作方便，同时与计算机模拟方法相比准确性高。

因此，本实验装置是专门对采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾时热释放速率、烟气运动、火灾探测及扑救等进行全面系统研究的小尺寸实验台。在前人实验基础上克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟工具不够精确的特点，又保证了实验的可重复性，对于开展实验室科学研究和实际隧道烟气控制、竖井排烟效果、探测与扑救系统模拟测试都有很大的应用价值。对采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾的烟气控制、探测与扑救系统系统设计和测试评价研究具有广阔的应用前景和重要的实际指导意义。

附图说明

图1为本发明所述采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明所述采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置一种实施例的A-A剖面示意图；

图3为本发明所述采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置一种实施例的B-B剖面示意图；

图4为本发明所述采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置一种实施例的C-C剖面示意图；

图5为实验模拟装置一次实验测点布置平面图。

图中标号：1-实验台主体；2-侧壁（防火板）；3-左端开口；4-燃料及火源；5-侧壁（钢化玻璃）；6-右端开口；7-竖井；8-竖井下方温度探头串；9-温度探头串；10-激光片光源；11-隧道右侧开口速度探头串；12-摄像机；13-一氧化碳浓度探头；14-标尺；15-速度探头；16-温度探头；17-隧道火灾产生的烟气。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置的实验台主体1包括由防火板构成的侧壁2、顶棚、底板和由玻璃构成侧壁5，顶棚上方设置竖井7，隧道内设燃料及火源4。实验台主体长6m，隧道内部高度为0.88m，宽度2m，竖井高度和横截面尺寸可根据实验要求调整。实验台主体使用角钢作为支撑骨架。竖井侧壁5由钢化玻璃构成。

参见图2，竖井下方布置竖井下方温度探头串8，在隧道右侧出口处设置了隧道右侧开口温度探头串9和隧道右侧开口速度探头串11。激光片光源10用来显示烟气流场，摄像机12记录实验过程和现象。燃料及火源4可设置在实验台横向中心线A-A上。一氧化碳浓度探头13设置在竖井顶部开口。

参见图3，在隧道右侧出口处设置了标尺14，可以清晰的显示烟气层的高度。火灾烟气溢流会从隧道右侧开口溢出，在开口处设置了测量探点串，包括隧道右侧开口温度探头串9、隧道右侧开口速度探点串11，其中隧道右侧开口温度探头串9由16个热电偶探头组成，间距1.5cm。隧道右侧开口速度探点串11由2个高温热线风速探头组成，间距7cm。

参见图4，竖井顶部开口均匀布置4个速度探头15和4个温度探头16，1个一氧化碳浓度探头13在开口截面的几何中心。

参见图5，燃料及火源4布置在隧道实验台内纵向中心线上，点燃燃料后，隧道内产生高温火灾烟气17，部分高温火灾烟气经竖井流出隧道，其余烟气从隧道右侧溢出。实验中通过激光片光源10可清楚的观察到烟气在隧道实验台内的流动状况并用摄像机12清晰地记录。通过竖井下方温度探头串8、隧道右侧开口温度探头串9测量竖井下方和隧道右侧溢流处高温烟气的温度场，通过隧道右侧开口速度探头串11记录溢流烟气速度，通过一氧化碳浓度探头13记录竖井中排出烟气中的一氧化碳浓度。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置，其特征在于：包括实验台主体(1)以及配套测控系统；

所述实验台主体(1)，是与实际地下公路隧道实际尺寸成一定比例的单一隧道构造，包括：隧道框架、一侧壁(2)、顶棚、底板、另一侧壁(5)、顶棚上方设置的竖井(7)、隧道内设燃料及火源(4)；所述的隧道框架采用角钢搭建，所述的顶棚、所述的底板以及所述的一侧壁(2)均由防火板构成，该防火板与所述角钢之间作密封处理；另一侧壁(5)由钢化玻璃构成，所述钢化玻璃方便观察隧道内部实验过程和现象，该钢化玻璃与所述角钢之间也作密封处理；

所述配套测控系统，包括烟气温度测量系统、烟气成分量系统、风速测量系统和烟气流场显示系统；所述的烟气温度测量系统包括竖井下方一串竖向热电偶、隧道右侧两串竖向热电偶、以及10个可根据实验需求任意调整位置的铠装热电偶及与其电信号连接的数据处理装置；所述的烟气成分测量系统包括布置于隧道和竖井内的电化学气体成分测量探头及与其电信号连接的数据处理装置；所述的风速测量系统包括布置于隧道右侧开口和竖井内部的高温风速探头阵列及与其电信号连接的数据处理装置；所述的烟气流场显示系统包括布置于实验台右侧开口的激光片光源及对烟气流场进行记录的摄像机；

在所述的顶棚上能够根据需要在任意位置布置竖井，竖井框架由角钢搭建，在框架中加入钢化玻璃模拟竖井侧壁；

所述的底板中间设置了轨道，轨道与该隧道构造断面垂直，该轨道方便模拟火源位置的移动；

所述燃料可置于所述底板任一位置；

该实验模拟装置在实际隧道的结构下做了必要的简化，主要省略了隧道顶部的设备空间并将隧道竖向界面简化为矩形；

所述竖井横截面为一矩形，横截面大小及竖井高度能够根据要求调整；

所述火源采用甲醇油池火，利用阴燃的香炷产生的烟气模拟火灾烟气，香炷与甲醇油盘保持一定距离，不致被引燃，实验时，先点燃香炷使其发生阴燃，然后点燃甲醇，甲醇燃烧时卷吸空气，产生的浮力作用驱使香炷阴燃烟气在实验台内流动，即可较为清晰地模拟火灾烟气在隧道内的蔓延情况和从竖井中排出的过程；

具体的，竖井下方布置竖井下方温度探头串(8)，在隧道右侧出口处设置了隧道右侧开口温度探头串(9)和隧道右侧开口速度探头串(11)，激光片光源(10)用来显示烟气流场，摄像机(12)记录实验过程和现象，燃料及火源(4)设置在实验台横向中心线A-A上，一氧化碳浓度探头(13)设置在竖井顶部开口；

在隧道右侧出口处设置了标尺(14)，可以清晰的显示烟气层的高度，火灾烟气溢流会从隧道右侧开口溢出，在开口处设置了测量探点串，包括隧道右侧开口温度探头串(9)、隧道右侧开口速度探头串(11)，其中隧道右侧开口温度探头串(9)由16个热电偶探头组成，间距1.5cm，隧道右侧开口速度探头串(11)由2个高温热线风速探头组成，间距7cm；

竖井顶部开口均匀布置4个速度探头(15)和4个温度探头(16)，1个一氧化碳浓度探头(13)在开口截面的几何中心。

2.根据权利要求1所述的采用竖井自然排烟的地下公路隧道火灾实验模拟装置，其特征在于：所述火源也采用正庚烷或者木垛标准燃料模拟实际可燃物。