CN106710421A - 一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，能够模拟纵向通风作用下，不同坡度隧道内的火灾燃烧情况，研究纵向通风作用下带坡度隧道内火羽流与顶棚射流的受限演化规律。包括实验台主体、可移动的纵向通风系统以及配套测控系统，按照小尺度模型比例1:5设计，是首个专门针对纵向通风作用下不同坡度隧道火灾热释放速率、温度分布、速度分布、受限火羽流形态、顶棚射流特征参数分布等进行全面系统研究的实验装置。在前人研究基础上克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟工具不够准确的局限性，同时保证了实验的可重复与易操作性，对于开展不同坡度条件下，射流风机纵向通风对隧道火灾影响的研究具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

Description

一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其具体为研究不同纵向通风风向和风速作用下，隧道火灾热释放速率、火焰形态、顶棚射流温度、速度分布、热辐射通量的模拟实验装置。

背景技术

进入本世纪以来，我国公路隧道年均增长率高达20％，截止2013年底，已建成公路隧道11359座，总长度达9606公里，中国已成为世界上隧道工程建设规模最大、数量最多和难度最高的国家。很多公路隧道都存在一定的纵向坡度，纵坡参数是隧道工程中特有的参数。我国的《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)规定，隧道纵坡不应小于0.3％，一般情况不应大于3％。然而，由于地质环境的特殊性以及营运通风等的需要，实际隧道工程的坡度可超过此范围，如西藏嘎隆拉公路隧道，其坡度达4.1％、长沙南湖路湘江隧道，最大坡度达6％，欧洲的部分水下公路隧道，坡度甚至可达7％，且随着特长公路隧道的大量涌现，隧道长大坡度的情况将变得更为普遍。联合国经济和社会理事会(Economic and SocialCouncil)的研究结果表明，在纵坡为2.5％的隧道内，火灾、抛锚等事故发生的概率是水平隧道的5倍。可见，纵向坡度的存在使得隧道内发生火灾的可能性显著增加，是影响隧道火灾事故的重要因素之一。

随着公路隧道数量和长度的增加，近年来国内外发生了多起重大公路隧道火灾事故，如2014年的中国晋济高速公路岩后隧道火灾，2010年的中国无锡惠山隧道火灾，2007年的美国洛杉矶州际公路隧道火灾，2006年的瑞士A13公路维马拉隧道火灾等。这些重大公路隧道火灾事故的一个典型特征是巨大的火灾载荷以及火灾在纵向风作用下的发展。巨大的火灾载荷来源于公路隧道中通行的大量重型货车，这与主要通行小轿车和客车的城市隧道明显不同。纵坡公路隧道内的纵向风主要来自于烟囱效应引起的纵向自然通风，射流风机产生的纵向强迫通风，以及环境风等。纵向通风一方面可增强羽流区的强迫掺混，促进燃烧，另一方面又会带走燃烧区的热量，抑制燃烧；不同条件下，起主导的作用不同。纵坡隧道内发生火灾时，由于烟囱效应自然通风的方向为沿隧道上坡方向，而射流风机机械通风的方向可沿隧道上坡或下坡方向，因此，在二者的耦合作用下，不同的纵向通风条件(风速、风向)对不同坡度隧道内火灾发展过程的影响将有很大不同。

火羽流热物理特性是火灾研究中的基础科学问题，一直受到广泛关注，但研究主要集中于建筑火灾中的自由发展火羽流。公路隧道宽度相对较小且受车道限制，火灾发生时，起火点可能靠近甚至紧贴侧壁。Ji等人开展了水平隧道内的侧壁对受限火羽流影响的实验，发现在一定的范围内，即使火源未紧贴侧壁，也会受到侧壁的影响，火源越靠近侧壁，火羽流卷吸空气受到的限制作用就越强，贴壁时限制作用最强。可见，受侧壁影响，隧道内火羽流卷吸将呈现出不对称性，此时受限火羽流热物理特征参数将与非受限的对称羽流有明显差别。相对于水平隧道火灾研究而言，纵向通风作用下不同坡度隧道内火灾作为更加复杂火灾场景逐渐受到了国内外研究者的关注，但主要集中于纵向通风对纵坡隧道内烟气运动的影响，部分学者也开展了纵坡隧道内受限火羽流的研究。但是，在前人研究中一方面多采用火焰未撞击顶棚的小功率火源，且火源放置在隧道纵向中心线上，忽略了侧壁对火羽流特性的影响；另一方面并未充分揭示纵向通风与烟囱效应方向相同与相反时，二者的叠加和消减作用对受限火羽流行为的影响。

本发明设计的实验台主要研究纵向通风作用下不同坡度公路隧道内热释放速率、火焰高度、顶棚射流温度、速度、热流分布等火羽流热物理特性。由于全尺寸火灾实验需要大量的人力物力，经济耗费大，受各种因素影响大，条件难以控制，可重复性差，因此不易开展。而开展满足相似性理论的小尺寸实验研究以揭示纵向通风作用下不同坡度隧道内受限火羽流发展的动力学规律，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。采用本实验台开展纵向通风作用下倾斜隧道内火灾发展的实验研究，可为我国公路隧道火灾探测、灭火、结构防护、排烟系统设计提供科学依据与数据支撑，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，能够在实验室模拟纵向通风作用下，不同坡度隧道内火灾燃烧情况，研究纵向通风作用下不同坡度隧道内受限火羽流与顶棚射流的演化规律。

本发明采用的技术方案为：

一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，包括实验台主体、可移动的纵向通风系统以及配套测控系统；

所述实验台主体，是与实际单向双车道城市公路隧道尺寸成一定比例的隧道构造，整体框架采用角钢搭建，实验台外侧墙壁采用8mm厚的钢化玻璃，以便观察实验过程中隧道内的火灾发展与烟气流动情况；实验台内壁墙壁、顶棚和底板均由20mm厚的耐高温防火板构成；火源位置隧道内部，高度、位置均可调节；

所述可移动的纵向通风系统，包括通风系统主体框架(高度、位置可调)、轴流风机、风速调节变频器、整流纱布和整流风管组成；

所述配套测控系统，包括火源质量损失测量系统、温度测量系统、速度测量系统、辐射测量系统、图像采集系统；该火源质量损失测量系统包括电子天平、支架以及与天平电信号连接的数据采集装置；该温度测量系统包括位于隧道内火源上方竖向热电偶串，以及顶棚下方的水平二维热电偶阵列及与其连接的数据采集装置，其中竖向热电偶串有11个热电偶，竖向间距7cm，最上方热电偶距离顶棚0.05m，在火源下游，隧道顶棚下方纵向中心线与内侧侧壁之间布置37*9的二维热电偶阵列，热电偶位于顶棚下方0.05m处，热电偶纵向水平间距0.12m，横向水平间距0.1m；该速度测量系统包括位于火源上游的竖向风速测点、位于隧道纵向中心线顶棚下方的水平风速测点及与其连接的数据采集装置，其中在火源上游，距离左侧开口0.3m处，在隧道中心线上均匀布置5个风速测点，竖向间距0.15m，最上方测点距离顶棚0.15m，同时，在火源下游隧道纵向中心线上均匀布置10个水平风速测点，水平间距0.5m，距离顶棚0.1m；该辐射测量系统包括布置于火源下游地面上的辐射测点及与其连接的数据采集装置，其中在隧道纵向中心线火源下游布置10个辐射计测点，水平间距0.8m，辐射计距离底板0.1m；该图像测量系统包括位于实验台正面和侧面对实验现象进行记录的两台摄像机；

所述实验燃料，分别采用正庚烷和甲醇，代表不完全燃烧和完全燃料的两种典型火源类型。

其中，所述实验装置按实际公路单向双车道隧道1:5的比例构造，实验台长6.0m，高1.0m，宽2.0m。

其中，实验台下方支架带有液压升降装置和滑轮，升降柱高度在0.5m-3.0m间可调，通过调节实验台下方左、右两侧支架高度差，可实现实验台倾斜角度范围在0～20°之间连续变化。

其中，在实验台纵向中心线和靠近内侧侧壁的地板上开孔放置支架，支架放在电子天平上，火源放置在支架上保持水平，通过调节支架高度和位置来实现隧道内火源高度、位置的变化，同时保证隧道坡度变化过程中火源保持水平。

其中，该实验装置的可移动的纵向通风系统包括系统主体框架、轴流风机、风速调节变频器、整流纱布和整流风管；整个通向通风系统长3.0m，风墙截面尺寸3m*3m。

其中，纵向通风系统总长3.0m，其中，轴流风机长0.5m，轴流风机距整流纱布0.5m，整流风管长2.0m，风墙截面尺寸为3m*3m，产生的外界风的风速范围为0-5.0m/s。

其中，该实验装置的纵向通风系统主体框架下部支架有滑轮，且带有液压升降装置，可根据实验需要调节纵向风墙高度，通过滑轮可方便移动风墙方向和位置，分别实现沿隧道上坡和下坡方向的纵向通风。

本发明的优点和积极效果为：

(1)、本发明实验装置依据流体力学的量纲相似理论，可以较好的模拟纵向通风系统作用下不同坡度公路隧道内的火灾燃烧和烟气蔓延情况，并能通过实验台外侧的耐高温钢化玻璃墙拍摄记录实验现象；

(2)、实验台顶棚、底板以及内侧壁面均采用20mm厚的耐高温防火板结构，经过测算，其传热情况与真实的混凝土隧道结构更加接近；

(3)、本发明的火源质量损失速率测量系统采用将油池火放置在可调节支架上，支架通实验台底板不同位置的开孔置于电子天平之上，这种布置方式可保证随着隧道倾斜角度的增加，油池仍然保持水平，便于改变油池的高度与位置；

(4)、本发明在纵向风作用下的不同坡度隧道火灾模拟方面，纵向风系统设计的风速范围为0～5m/s，系统主体框架下部支架有滑轮，且带有液压升降装置，可根据实验需要调节纵向风墙高度，改变风墙位置分别位于倾斜隧道两侧，研究不同纵向风风向对倾斜隧道内火灾发展及烟气运动的影响；

(5)、在实验测量系统方面，本发明具有完整的火源质量损失测量系统、温度测量系统、速度测量系统、辐射测量系统以及图像采集系统，可以对纵向通风作用下不同坡度隧道内的火灾发展与烟气蔓延情况进行系统的研究；

(6)、在实验成本方面，本发明1:5小尺寸实验台相比于全尺寸实验耗费少，可方便的控制边界条件与环境参数，准确性高，可重复性强；本实验装置按照中等尺度模型比例1:5设计，是首个专门对纵向通风系统作用下不同倾斜角度隧道(0～20°)内热释放速率、火焰高度、顶棚射流温度、速度、热流分布等火羽流热物理特性进行全面系统研究的火灾模拟实验装置。在前人研究基础上，克服了全尺寸实验代价高昂和CFD数值模拟难以真实模拟火灾工况的特点，同时保证了实验的精度和可重复性，采用本实验台开展纵向通风作用下倾斜隧道内火灾发展的实验研究，可为我国公路隧道火灾探测、灭火、结构防护、排烟系统设计提供科学依据与数据支撑，具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明所述一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置的整体结构示意图，纵向通风方向为沿隧道上坡方向；

图2为本发明所述一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置的整体结构示意图，纵向通风方向为沿隧道下坡方向；

图3为本发明所述一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置的纵向通风系统结构示意图；

图4为本发明所述一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置的测点布置的侧视图；

图5为本发明所述一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置的测点布置的俯视图；

图中标号：1-隧道实验台；2-实验台端部开口；3-实验台坡度；4-可移动的纵向通风系统；5-实验系统支架；6-支架下部滑轮；7-模拟火源；8-火源下方支架；9-电子天平；10-纵向通风系统主体框架；11-轴流风机；12-整流纱布；13-整流风管(PVC管)；14-风速测点；15-二维热电偶阵列；16-辐射计测点；17-第一摄像机；18-第二摄像机。

具体实施方式

结合附图1-5，通过实例对本发明作进一步地说明。

一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，包括实验台主体、可移动的纵向通风系统以及配套测控系统。

参见图1，一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置包括隧道实验台主体1、可移动的纵向通风系统4、和配套测控系统。实验台主体由隧道1和火源系统组成，火源系统包括模拟火源7、火源下方支架8、电子天平9，隧道1长6.0m，高1.0m，宽2.0m；隧道实验台使用角钢作为支撑骨架，实验台主体的外侧墙壁采用8mm厚的钢化玻璃，以便观察实验过程中隧道内的火灾发展与烟气流动情况；实验台顶棚、底板及内侧墙壁均由20mm厚的耐高温防火板构成，实验台一侧端部与可移动的纵向通风系统相连；模拟火源7位于隧道内部，通过火源下方支架8放置于电子天平9上，实时测量实验过程中燃料质量损失速率的变化，其中，支架位置、高度可调，从而根据实验工况实现火源位置与高度的变化；实验台下部由四根液压升降柱支撑，升降柱高度在0.5m-3.0m间可调，实现隧道坡度在0～20°范围内变化，升降柱下部与滑轮相连，可根据需要移动隧道实验台。

参见图1和图2，纵向通风系统主体框架下部支架有滑轮，且带有液压升降装置，可根据实验需要调节纵向风墙高度，通过滑轮可方便移动风墙方向和位置，分别实现沿隧道上坡(图1)和下坡(图2)方向的纵向通风。

参见图3，可移动的纵向通风系统由主体框架10、轴流风机11、变频器、整流纱布12和整流风管13组成，纵向通风系统风幕的横截面尺寸为3m*3m，纵向通风系统总长3.0m，其中，最左侧轴流风机11长0.5m，轴流风机11到整流纱布12的距离是0.5m，整流风管长2.0m。

参见图4，火源置于距离隧道左端开口1.0m处；在隧道实验台内布置高温风速测点14，其中在隧道内火源上游，距离左侧开口0.3m处，在隧道中心线上均匀布置5个风速测点，竖向间距0.15m，最上方测点距离顶棚0.15m，同时，在火源下游隧道纵向中心线上均匀布置10个水平风速测点，水平间距0.5m，距离顶棚0.1m；在火源正上方竖向中心线上以及隧道顶棚下方分别布置竖向热电偶串和二维热电偶阵列15，其中竖向热电偶串有11个热电偶，竖向间距7cm，最上方热电偶距离顶棚0.05m，顶棚下方二维热电偶阵列详细布置参见图5；在隧道纵向中心线火源下游布置辐射计测点16，共10个测点，水平间距0.8m，辐射计距离地板上方0.1m。

参见图5，在隧道纵向中心线上布置高温风速测点14，辐射计测点16；在火源下游，隧道顶棚下方纵向中心线与内侧侧壁之间布置37*9的二维热电偶阵列15，热电偶位于顶棚下方0.05m处，热电偶纵向水平间距0.12m，横向水平间距0.1m；第一摄像机17和第二摄像机18记录实验过程中火焰形态与烟气输运行为的变化。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管以上对发明的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的专业技术人员理解本专利，但本发明不限于具体实施方式的范围，对本专业技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，包括实验台主体、可移动的纵向通风系统以及配套测控系统，其特征在于：

所述实验台主体，是与实际单向双车道城市公路隧道尺寸成一定比例的隧道构造，整体框架采用角钢搭建，实验台外侧墙壁采用8mm厚的钢化玻璃，以便观察实验过程中隧道内的火灾发展与烟气流动情况；实验台内壁墙壁、顶棚和底板均由20mm厚的耐高温防火板构成；火源位于隧道内部，其高度、位置均可调节；

所述可移动的纵向通风系统，包括通风系统主体框架、轴流风机、风速调节变频器、整流纱布和整流风管；通风系统主体框架高度、位置可调；

所述配套测控系统，包括火源质量损失测量系统、温度测量系统、速度测量系统、辐射测量系统、图像采集系统；该火源质量损失测量系统包括电子天平、支架以及与天平电信号连接的数据采集装置；该温度测量系统包括位于隧道内火源上方竖向热电偶串，以及顶棚下方的水平二维热电偶阵列及与其连接的数据采集装置，其中竖向热电偶串有11个热电偶，竖向间距7cm，最上方热电偶距离顶棚0.05m，在火源下游，隧道顶棚下方纵向中心线与内侧侧壁之间布置37*9的二维热电偶阵列，热电偶位于顶棚下方0.05m处，热电偶纵向水平间距0.12m，横向水平间距0.1m；该速度测量系统包括位于火源上游的竖向风速测点、位于隧道纵向中心线顶棚下方的水平风速测点及与其连接的数据采集装置，其中在火源上游，距离左侧开口0.3m处，在隧道中心线上均匀布置5个风速测点，竖向间距0.15m，最上方测点距离顶棚0.15m，同时，在火源下游隧道纵向中心线上均匀布置10个水平风速测点，水平间距0.5m，距离顶棚0.1m；该辐射测量系统包括布置于火源下游地面上的辐射测点及与其连接的数据采集装置，其中在隧道纵向中心线火源下游布置10个辐射计测点，水平间距0.8m，辐射计距离底板0.1m；该图像测量系统包括位于实验台正面和侧面对实验现象进行记录的两台摄像机；

所述实验燃料，分别采用正庚烷和甲醇，代表不完全燃烧和完全燃料的两种典型火源类型。

2.根据权利要求1所述的一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置按实际公路单向双车道隧道1:5的比例构造。

3.根据权利要求1所述的一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：实验台下方支架带有液压升降装置和滑轮，通过调节实验台下方左、右两侧支架高度差，可实现实验台倾斜角度范围在0～20°之间连续变化。

4.根据权利要求1所述的一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：在实验台纵向中心线和靠近内侧侧壁的地板上开孔放置支架，支架放在电子天平上，火源放置在支架上保持水平，通过调节支架高度和位置来实现隧道内火源高度、位置的变化，同时保证隧道坡度变化过程中火源保持水平。

5.根据权利要求1所述的一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：该实验装置的可移动的纵向通风系统包括系统主体框架、轴流风机、风速调节变频器、整流纱布和整流风管；整个通向通风系统长3.0m，风墙截面尺寸3m*3m。

6.根据权利要求1所述的一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：该实验装置的纵向通风系统产生的外界风的风速范围为0-5.0m/s。

7.根据权利要求1所述的一种纵向风作用下坡度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：该实验装置的纵向通风系统主体框架下部支架有滑轮，且带有液压升降装置，可根据实验需要调节纵向风墙高度，通过滑轮可方便移动风墙方向和位置，分别实现沿隧道上坡和下坡方向的纵向通风。