CN108022496A - 一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法，所述试验装置包括：支撑架和隧道模型，隧道模型为两端部敞开的长方体，隧道模型的底板固定在支撑架的上面板上，隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且横梁沿隧道模型的纵向方向均匀布置；火源设置在隧道模型的底板中部；在横梁之间设置多个顶棚热电偶。本发明提供的隧道火灾试验装置，可用于研究含顶部横梁隧道火灾烟气扩散规律，同时通过试验装置和试验方法，研究得到的含顶部横梁隧道火灾烟气扩散的相关模型和方法，将为优化隧道火灾现场救援策略提供技术支持；可对隧道顶部的横梁、管道，内支撑框架，风门等一系列构筑物的位置和尺寸设计提供技术性指导。

Description

一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及火灾试验技术领域，更具体地，涉及一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法。
背景技术
横梁指的是在上部结构中，沿建筑物横向设置并支承于主要承重构件上的梁。水平支撑梁、横隔梁、框架梁、连系梁都属于横梁的范畴。横梁广泛存在于公路隧道、地铁换乘隧道、建筑物走廊隧道等狭长隧道内。
隧道结构为狭长受限空间，外部由岩石、混凝土或土层包围，仅有两端两个出口。在火灾情况下，隧道火灾产生的有毒有害高温烟气在火羽流以及浮力的作用下迅速向隧道顶部扩散，高温烟气与隧道顶部对流换热后使得隧道结构的温度迅速上升，高温将对隧道结构的稳定性和完整性构成严重的威胁。热烟气由于受到空间限制在烟气到达隧道顶部之后迅速沿隧道纵向方向蔓延，并迅速填充整个隧道空间，造成隧道空间内能见度降低，有毒有害气体浓度增高，对于人员疏散和消防救援极为不利。
隧道火灾情况下，多采用纵向通风排烟、射流风机通风排烟、顶部排烟三种机械通风模式，通风量及风速对于能否有效的控制火灾烟气扩散、提高火场能见度、降低有毒有害气体浓度具有重要意义。基于上述特点，众多学者针对火源大小、隧道尺寸、隧道坡度、车辆阻塞比、通风模式、通风风速等特性参数，通过模型实验、数值模拟和全尺寸实验对隧道火灾顶棚最高温度、顶棚温度衰减规律、烟气蔓延规律、临界风速、烟气逆流长度等问题进行了大量研究。
但是，现有的隧道火灾试验装置及方法，未考虑隧道顶部结构对于火灾烟气扩散特性如最高顶棚温度、顶棚温度衰减规律、烟气层高度、临界风速、逆流长度等的影响；以及，现有的隧道火灾试验装置及方法无法对隧道顶部横梁、管道，内支撑框架，风门等一系列构筑物的位置和尺寸设计提供指导。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法。
第一方面，本发明提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置，包括：支撑架和隧道模型，所述隧道模型为两端部敞开的长方体；所述隧道模型的底板固定在所述支撑架的上面板上，所述隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且所述横梁沿所述隧道模型的横向方向均匀布置；火源设置在所述隧道模型的底板的中部；在所述横梁之间设置多个顶棚热电偶。
其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：在所述隧道模型的端部敞口处设有纵向排烟风机；在所述隧道模型的顶板上设置至少一个射流风机；或者，在所述隧道模型的顶板上设置至少一个顶部排烟风机。
其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：在所述隧道模型的顶板与底板之间设置多个热电偶束，且所述热电偶束沿所述隧道模型的横向方向均匀布置；所述热电偶束包括多个热电偶，且所述热电偶均匀布置在所述热电偶束所在的截面上。
其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的顶板下方的多个烟气分析仪，且所述烟气分析仪位于所述火源的下风向。
其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的底板上的多个热流计，且所述热流计位于所述火源的下风向。
其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的顶板与底板之间的多个风速仪组，且所述风速仪组沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述风速仪组包括多根风速仪，且所述风速仪均匀布置在所述风速仪组所在的截面上。
第二方面，本发明提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验方法，包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型的第一顶棚温度和第二顶棚温度；基于所述第一顶棚温度，建立第一最高拱顶温度模型；以及，基于所述第二顶棚温度，建立第二最高拱顶温度模型；基于所述第一最高拱顶温度模型和所述第二最高拱顶温度模型，优化隧道模型的顶部结构和通风模式。
其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：基于所述第一顶棚温度建立第一顶棚温度衰减模型，以及基于所述第二顶棚温度建立第二顶棚温度衰减模型；基于所述第一最高拱顶温度模型、所述第二最高拱顶温度模型、所述第一顶棚温度衰减模型和所述第二顶棚温度衰减模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取烟气分析仪在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型内的第一烟气特性参数和第二烟气特性参数；基于所述第一顶棚温度和所述第一烟气特性参数，建立第一烟气蔓延速率模型；以及，基于所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二烟气蔓延速率模型；基于所述第一烟气蔓延速率模型和所述第二烟气蔓延速率模型，优化隧道模型的通风模式。
其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：所述第二通风模式为纵向通风模式时，在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取风速仪在所述纵向通风模式下，对应测得隧道模型内的第二断面风速；基于所述第二断面风速、所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二临界风速模型和第二逆流长度模型；基于所述第二临界风速模型和所述第二逆流长度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第三顶棚温度和第四顶棚温度；获取热电偶束在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第二竖直方向温度、第三竖直方向温度和第四竖直方向温度；获取烟气分析仪在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第三烟气特性参数和第四烟气特性参数；获取热流计在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第二烟气热反馈数据、第三烟气热反馈数据和第四烟气热反馈数据；分析比较所述第二顶棚温度、所述第三顶棚温度和所述第四顶棚温度；分析比较所述第二竖直方向温度、所述第三竖直方向温度和所述第四竖直方向温度；分析比较所述第二烟气特性参数、所述第三烟气特性参数和所述第四烟气特性参数；以及，分析比较所述第二烟气热反馈数据、所述第三烟气热反馈数据和所述第四烟气热反馈数据，优化顶部含横梁隧道发生火灾时的通风模式。
其中，所述第一通风模式为自然通风模式时，所述第一最高拱顶温度模型如下，
所述第一顶棚温度衰减模型如下，
其中，ΔTmax为最高拱顶温升，K；dB为横梁的间隔，m；hB为横梁的高度，m；H为隧道模型的高度，m；Q为热释放速率，KW；ΔTx为距火源x处的拱顶温升，K；x为测量处与火源的距离，m；A，B，A1，A2为待定参数。
其中，所述第二临界风速模型如下，V′c＝f(Hb)·a2[b2]-1/3[Q′]1/3，Q′≤c2；
V′c＝a2，Q′＞c2
所述第二烟气逆流长度模型如下，
其中，V′c为无量纲临界风速；Q′为无量纲热释放速率；l′为无量逆流长度；hB为横梁高度；V′为无量纲风速；Ri为改进后的理查德森数；c2为常数；c4为常数；a2，b2，a4，b5为待定参数。
本发明提供的一种含顶部横梁的隧道火灾试验装置及试验方法，通过建立顶部含横梁的隧道火灾试验装置，在隧道环境中，火灾烟气沿隧道顶部纵向扩散，且由于隧道顶部横梁对于火灾烟气纵向蔓延具有显著的阻隔作用，有效降低火灾烟气纵向蔓延的速度；同时由于顶部横梁的阻隔，使得烟气在火源区大量蓄积，造成火源区域温度急剧升高，同时造成烟气层下降；以及由于横梁的阻隔作用，对于临界风速以及烟气逆流长度同样存在影响；因此设计含顶部横梁隧道的火灾试验装置，用于研究含顶部横梁隧道火灾烟气扩散规律，研究得到的含顶部横梁隧道火灾烟气扩散的相关模型和方法，将为优化隧道火灾现场救援策略提供技术支持；可对隧道顶部的横梁、管道，内支撑框架，风门等一系列构筑物的位置和尺寸设计提供技术性指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例提供的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图1b为图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图2a为将热电偶安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图2b为将热电偶安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图3a为将纵向排烟风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图3b为将纵向排烟风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图4a将射流风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图4b为将射流风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图5a为将顶部排烟风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图5b为将顶部排烟风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图5c为将顶部排烟风机安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的俯视图；
图6a为将风速仪安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图6b为将风速仪安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图7a为将热流计安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
图7b为将热流计安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图8a为将烟气分析仪安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的左视图；
图8b为将烟气分析仪安装在图1a所示的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图；
其中，1-隧道模型的底板；2-隧道模型的顶板；3-操作台；4-横梁；5-火源；6-天平托架；7-纵向排烟风机；8-天平；9-射流风机；10-顶部排烟风机；11-顶棚热电偶；12-热电偶束；13-风速仪组；14-热流计；15-烟气分析仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1a为本发明实施例提供的顶部含横梁的隧道火灾试验装置的主视图，如图1a-图2b所示，该隧道火灾试验装置包括：支撑架3和隧道模型，所述隧道模型为两端部敞开的长方体；所述隧道模型的底板1固定在所述支撑架3的上面板上，所述隧道模型的顶板2上设有多个高度可调的横梁4，且所述横梁4沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；火源5设置在所述隧道模型的底板1的中部；在所述横梁4之间设置多个顶棚热电偶11。
其中，热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
具体地，如图1a-图1b所示，该隧道火灾试验装置包括支撑架3和隧道模型，例如，隧道模型为长度为12m、截面为30cm×30cm的正方形的长方体，且隧道模型的两端部为敞口设置，隧道模型的底板1放置在支撑架3的上面板上。例如，支撑架3采用8cm×6cm口径的方管焊接而成。在隧道模型的顶板2上设置多个高度可调的横梁4，且横梁4沿隧道模型的横向方向均匀布置，例如，在顶板2上每隔30cm设置高度可调的横梁4，例如，横梁4采用厚5mm的双层钢化玻璃制成，例如，该双层钢化玻璃长30cm、高20cm。
火源5位于隧道模型的底板1的中央，例如，火源5为4mm厚的铁板制作的正方形油盘，且油盘的内部高度为2cm，可通过改变油盘的截面边长来改变火源的大小，例如，在油盘的截面边长分别为5cm，8cm，10cm，12cm或15cm时，对油盘质量实施监测，计算燃料燃烧的质量损失速率，用以计算热释放速率。
如图2a和图2b所示，顶棚热电偶11布置在横梁4之间，例如，顶棚热电偶11设置在横梁4之间，且相邻两顶棚热电偶11之间间隔30cm布置，顶棚热电偶11的探头位于隧道模型横截面的中心处，且距离顶板1cm。该顶棚热电偶11用于测量顶棚温度分布。
在本发明实施例中，通过调节隧道模型顶板上的横梁高度和间隔，利用顶棚热电偶测量隧道火灾时，在不同通风模式和不同火源大小情况下，隧道模型的顶棚温度分布，进而根据该顶棚温度分析，优化隧道模型的顶部结构和通风模式。
另外，支撑架3净高度为1.2m，支撑架3的下部设置净高度为60cm的操作台，供实验测试仪器、采集系统等设备材料摆放，且操作台面为2mm厚镀锌铁板。
在上述实施例的基础上，结合图3a-图5c，所述的隧道火灾试验装置，还包括：在所述隧道模型的端部敞口处设有纵向排烟风机7；在所述隧道模型的顶板2设置至少一个射流风机9；或者，在所述隧道模型的顶板2设置至少一个顶部排烟风机10。
其中，排烟风机是一种可以将火灾隧道中产生的高温烟气体迅速排走的机械，该机器特点是耐高温性能良好、效率高。
其中，射流风机是一种特殊的轴流风机，主要用于公路、铁路及地铁等隧道的纵向通风系统中，提供全部的推力；也可用于半横向通风系统或横向通风系统中的敏感部位，如隧道的进、出口，起诱导气流或排烟等作用。
具体地，结合图3a和图3b，在隧道模型的端部敞口处设置纵向排烟风机7，例如，在隧道模型的左端部敞口处设置纵向排烟风机7，例如，纵向排烟风机7的出口为直径30cm的圆，则可通过天方地圆转接口与隧道模型的左端部连接，还可通过变频器调节通风风量，则该隧道火灾试验装置可以模拟纵向风机排烟模式下的火灾情况。
结合图4a-图4b，在隧道模型的顶板2上设置至少一个射流风机9，例如，在顶板2上设置两组(即，4台)射流风机9，且两组射流风机9沿隧道模型的纵向方向均匀布置；例如，射流风机9距离隧道通道一端距离为4m，两组射流风机9的间距为4m。射流风机9安装高度可根据横梁高度调节，每台射流风机9可独立开闭，还可通过变频器调节风速，则该隧道火灾试验装置可以模拟射流风机排烟模式下的火灾情况。
结合图5a-图5c，在隧道模型的顶板2上设置至少一个顶部排烟风机10，例如，在顶板2上共设置4台顶部排烟风机10，且顶部排烟风机10沿隧道模型的纵向方向均匀布置；例如，相邻两顶部排烟风机10间隔2.4m，顶部排烟风机10通过风管串联，每台顶部排烟风机10可独立开闭，还可通过变频器调节风速，则该隧道火灾试验装置可以模拟顶部排烟风机排烟模式下的火灾情况。
以上三种排烟通风模式，可以单独进行试验，得到各种不同排烟通风模式下，顶棚热电偶11测得隧道模型顶棚的温度分布情况；也可以两两组合进行试验或者三种排烟通风模式同时进行试验，得到多种组合排烟同分模式下，顶棚热电偶11测得隧道模型顶棚的温度分布情况，进而优化隧道模型的顶部结构和通风模型。
在上述各实施例的基础上，所述的隧道火灾试验装置，还包括：在所述隧道模型的顶板2与底板1之间设置多个热电偶束12，且所述热电偶束12沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述热电偶束12包括多个热电偶，且所述热电偶均匀布置在所述热电偶束12所在的截面上。
具体地，在隧道模型的底板1与顶板2之间设置多个热电偶束12，例如，在底板1与顶板2之间沿隧道模型纵向方向每隔90cm布置一组热电偶束12，例如，每个热电偶束12包括6个热电偶，例如，该6个热电偶竖向布置，且相邻两热电偶之间的竖直间隔为5cm。该热电偶束12用于测量隧道模型内的竖直方向温度分布，例如，在自然通风模式、纵向排烟通风模式下，利用该热电偶束12测量隧道模型内的竖直方向温度分布。则在不同横梁高度、不同横梁间隔、不同通风模式和不同火源大小情况下，结合顶棚热电偶11测得隧道模型内的顶棚温度分布，和热电偶束12测得隧道模型内的竖直方向温度分布情况，优化隧道模型的顶部结构和通风模式。
在上述各实施例的基础上，结合图8a和图8b，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的顶板2下方的多个烟气分析仪15，且所述烟气分析仪15位于所述火源5的下风向。结合图7a-图7b，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的底板1上的多个热流计14，且所述热流计14位于所述火源5的下风向。
其中，烟气分析仪是分析测量CO2、CO、NOx、SO2等烟气含量的设备。
其中，热流计(heat flow meter):由热流传感器(或称热流测头)连接测量指式仪表组成的热工仪表。使用时将其传感器埋设在绝热结构内或贴敷在绝热结构的外表面，可直接测量得到热(冷)损失值。
具体地，在隧道模型的顶板2上设置多个烟气分析仪15，例如，在顶板2上设置10个烟气分析仪15，且该10个烟气分析仪15沿隧道模型的纵向方向均匀布置，例如，每个烟气分析仪10的探头间隔60cm布置。且该10个烟气分析仪15位于火源5的下风向处，例如，隧道模型内火源5的右侧为下风向，则该10个烟气分析仪15均匀布置在火源5的右侧，例如，第1个烟气分析仪15的探头位于火源5下风向15cm处、距顶板1cm处。烟气分析仪15用于测量火灾烟气中各有毒有害气体浓度及氧气浓度等参数，则在不同横梁高度、不同横梁间隔、不同通风模式和不同火源大小情况下，可以根据烟气分析仪15测量的隧道模型内各有毒有害气体浓度及氧气浓度等参数，来优化隧道模型的顶部结构和通风模式。
在隧道模型的底板1上设置多个热流计14，如图7a和图7b所示，例如，在底板1上设置10个热流计14，且该10个热流计14沿隧道模型的纵向方向均匀布置，例如，相邻两热流计14的探头间隔30cm。且该10个热流计14位于火源5的下风向，例如，隧道模型内火源5的右侧为下风向，则该10个热流计14均匀布置在火源5的右侧，例如，第1个热流计14的探头位于火源下风向15cm处，且与底板1处于一个平面。热流计14用于测试火源5下风向，隧道模型底部接收到的总热流，则在不同横梁高度、不同横梁间隔、不同通风模式和不同火源大小情况下，可以根据热流计14测量的隧道模型底部接收到的总热流，来优化隧道模型的顶部结构和通风模式。
在上述各实施例的基础上，结合图6a和图6b，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的顶板2与底板1之间的多个风速仪组13，且所述风速仪组13沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述风速仪组13包括多根风速仪，且所述风速仪均匀布置在所述风速仪组13所在的截面上。
其中，风速计，是测量空气流速的仪器。
具体地，在隧道模型的底板1与顶板2之间设置多个风速仪组13，例如，在底板1与顶板2之间设置6个风速仪组13，且该6个风速仪组13沿隧道模型的纵向方向均匀布置，例如，相邻两个风速仪组13之间间隔2.1m，且从左边起第1个风速仪组13距离隧道模型左端15cm。每个风速仪组13包括多根风速仪，例如，每个风速仪组13包括9根风速仪，且该9个风速仪均匀分布在风速仪组13所在的截面上，即，每个风速仪组13的9个风速仪，均匀布置在对应的风速仪组所在的截面上。例如，每个风速仪组13中的9个风速仪布置为9宫格形式，即，每个风速仪探头的水平间隔和竖直间隔均为10cm。风速仪用于测试隧道模型各断面风速分布，则在不同横梁高度、不同横梁间隔、不同通风模式和不同火源大小情况下，可以根据风速仪测量的隧道模型各断面风速分布，来优化隧道模型的顶部结构和通风模式。
另外，隧道模型的顶板2由上而下依次为厚2mm的镀锌铁板、厚9.5mm的双层石膏板和厚5mm的铁板，即，顶板2的厚度为2.6cm。隧道模型的底板1为厚5mm的铁板；隧道模型的侧壁采用厚5mm的双层钢化玻璃，便于实验观察。采用天平托架8将火源5支撑在天平8上，例如，天平8为电子天平；则可以利用天平8计算燃料燃烧的质量损失速率，用于计算热释放速率。
本发明实施例提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验试验方法，包括：在不同横梁的高度、不同横梁的间隔以及不同火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型的第一顶棚温度和第二顶棚温度；基于所述第一顶棚温度，建立第一最高拱顶温度模型；以及，基于所述第二顶棚温度，建立第二最高拱顶温度模型；基于所述第一最高拱顶温度模型和所述第二最高拱顶温度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
具体地，例如，第一通风模式为自然通风模式，第二通风模式为纵向通风模式，但本发明的保护范围并不局限于此；则在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在自然通风模式下测得隧道模型的第一顶棚温度，以及获取顶棚热电偶在纵向通风模式下测得隧道模型的第二顶棚温度。
例如，选取边长为10cm的油盘作为火源，调节横梁高度hB分别为3cm，6cm，9cm，12cm，15cm五种高度，调节横梁间隔dB分别为30cm，60cm，90cm，120cm，150cm五种间隔，进行正交试验。在自然通风模式下，获取顶棚热电偶测得的火源正上方的第一顶棚温度数据；以及，在纵向通风模式下，获取顶棚热电偶测得的火源正上方的第二顶棚温度数据。并分析该第一顶棚温度数据，建立考虑横梁高度hB和横梁间隔dB两个参数的第一最高拱顶温度模型；以及分析该第二顶棚温度数据，建立考虑横梁高度hB和横梁间隔dB两个参数的第二最高拱顶温度模型。然后，结合该第一最高顶棚温度模型和第二最高顶棚温度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式，例如，对隧道顶部的横梁、管道、内支撑框架，风门等一系列构筑物的位置和尺寸设计提供技术性指导。
在上述实施例的基础上，所述的隧道火灾试验方法，还包括：基于所述第一顶棚温度建立第一顶棚温度衰减模型，以及基于所述第二顶棚温度建立第二顶棚温度衰减模型；基于所述第一最高拱顶温度模型、所述第二最高拱顶温度模型、所述第一顶棚温度衰减模型和所述第二顶棚温度衰减模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
具体地，基于顶棚热电偶在自然通风模式和纵向通风模式下，测得的第一顶棚温度数据和第二顶棚温度数据，分别建立横梁高度hB和横梁间隔dB两个参数的第一顶棚温度衰减模型和第二顶棚温度衰减模型。然后，分析该第一最高拱顶温度模型、第二最高拱顶温度模型、第一顶棚温度衰减模型和第二顶棚温度衰减模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
在上述各实施例的基础上，所述的隧道火灾试验方法，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取烟气分析仪在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型内的第一烟气特性参数和第二烟气特性参数；
基于所述第一顶棚温度和所述第一烟气特性参数，建立第一烟气蔓延速率模型；以及，基于所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二烟气蔓延速率模型；基于所述第一烟气蔓延速率模型和所述第二烟气蔓延速率模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
具体地，例如，第一通风模式为自然通风模式，第二通风模式为纵向排烟风机通风模式，但本发明的保护范围并不局限于此。选取边长为12cm的油盘作为火源，调节横梁高度hB分别为3cm，6cm，9cm，12cm，15cm五种高度，调节横梁间隔dB分别为30cm，60cm，90cm，120cm，150cm五种间隔，进行正交实验。获取烟气分析仪在自然通风模式和纵向通风模式下，对应测得隧道模型内的第一烟气特性参数和第二烟气特性参数，例如，烟气特性参数为CO浓度和烟颗粒浓度。
以及，基于顶棚热电偶在自然通风模式和纵向通风模式下，对应测得隧道模型内的第一顶棚温度和第二顶棚温度。对于含碳量较低的火源，优先选择顶棚温度数据作为判据，对于含碳量较高的火源，三种数据(即，CO浓度、烟颗粒浓度和顶棚温度)均可作为烟气蔓延的判据。
分析第一顶棚温度和第一烟气特性参数，建立考虑横梁高度和横梁间隔两个参数的第一烟气蔓延速率模型；以及，分析第二顶棚温度和第二烟气特性参数，建立考虑横梁高度和横梁间隔两个参数的第二烟气蔓延速率模型。其中，烟气蔓延速率模型又称为烟气前锋蔓延时间模型。然后，结合第一烟气蔓延速率模型和第二烟气蔓延速率模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
另外，由于对烟气前锋蔓延时间的研究较少，现有的烟气前锋蔓延模型较少，因此可根据量纲分析建立式(1)中的热反馈衰减模型。
t＝f(x，Q，H，dB，hB，T0) (1)
在上述各实施例的基础上，所述的隧道火灾试验方法，还包括：所述第二通风模式为纵向通风模式时，在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取风速仪在所述纵向通风模式下，对应测得隧道模型内的第二断面风速；基于所述第二断面风速、所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二临界风速模型和第二逆流长度模型；基于所述第二临界风速模型和所述第二逆流长度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
具体地，当第二通风模式为纵向排烟风机通风模式时，选取边长为10cm的油盘作为火源，调节横梁高度hB分别为3cm，6cm，9cm，12cm，15cm五种高度，调节横梁间隔dB分别为30cm，60cm，90cm，120cm，150cm五种间隔，进行正交实验。获取风速仪在纵向排烟风机通风模式下，测得隧道模型内的第二断面风速。
相同条件下，获取烟气分析仪在纵向通风模式下，测得隧道模型内的第二烟气特性参数，例如，烟气特性参数为CO浓度和烟颗粒浓度。以及，获取顶棚热电偶在纵向通风模式下，测得隧道模型内的第二顶棚温度。
然后，分析第二断面风速、第二顶棚温度和第二烟气特性参数，建立考虑横梁高度和横梁间隔两个参数的第二临界风速模型和第二逆流长度模型。并结合第二临界风速模型和第二逆流长度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
在上述各实施例的基础上，所述的隧道火灾试验方法，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第三顶棚温度和第四顶棚温度；获取热电偶束在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第二竖直方向温度、第三竖直方向温度和第四竖直方向温度；
获取烟气分析仪在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第三烟气特性参数和第四烟气特性参数；获取热流计在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第二烟气热反馈数据、第三烟气热反馈数据和第四烟气热反馈数据；分析比较所述第二顶棚温度、所述第三顶棚温度和所述第四顶棚温度；分析比较所述第二竖直方向温度、所述第三竖直方向温度和所述第四竖直方向温度；分析比较所述第二烟气特性参数、所述第三烟气特性参数和所述第四烟气特性参数；以及，分析比较所述第二烟气热反馈数据、所述第三烟气热反馈数据和所述第四烟气热反馈数据，优化顶部含横梁隧道发生火灾时的通风模式。
具体地，例如，第二通风模式为纵向排烟模式、第三通风模式为射流风机排烟模式，第四通风模式为顶部排烟模式，但并不用于限制本发明的保护范围。在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，例如，选取边长为10cm的油盘作为火源，调节横梁高度hB分别为3cm，6cm，9cm，12cm，15cm五种高度，调节横梁间隔dB分别为30cm，60cm，90cm，120cm，150cm五种间隔，进行正交实验。
获取顶棚热电偶在射流风机排烟模式和顶部排烟模式下，对应测得的第三顶棚温度和第四顶棚温度；以及，在相同条件下，基于顶棚热电偶在纵向排烟模式下，测得的第二顶棚温度数据。分析比较第二顶棚温度数据、第三顶棚温度和第四顶棚温度，来优化隧道模型的通风模式。
获取热电偶束在纵向排烟模式、射流风机排烟模式和顶部排烟模式下，对应测得的第二竖直方向温度、第三竖直方向温度和第四竖直方向温度。结合该第二竖直方向温度、第三竖直方向温度和第四竖直方向温度，来优化隧道模型的通风模式。
获取烟气分析仪在射流风机排烟模式和顶部排烟模式下，对应测得的第三烟气特性参数和第四烟气特性参数；以及，在相同条件下，基于烟气分析仪在纵向排烟模式下，测得的第二烟气特性参数。分析比较第二烟气特性参数、第三烟气特性参数和第四烟气特性参数，来优化隧道模型的通风模式。
获取热流计在纵向排烟模式、射流风机排烟模式和顶部排烟模式下，对应测得的第二烟气热反馈数据、第三烟气热反馈数据和第四烟气热反馈数据。结合该第二烟气热反馈数据、第三烟气热反馈数据和第四烟气热反馈数据，来优化隧道模型的通风模式。
以上参数也可以结合起来分析比较，以得到最优的隧道模型通风模式。
在上述各实施例的基础上，在所述第一通风模式为自然通风模式时，所述第一最高拱顶温度模型如下，
所述第一顶棚温度衰减模型如下，
其中，ΔTmax为最高拱顶温升，K；dB为横梁的间隔，m；hB为横梁的高度，m；H为隧道模型的高度，m；Q为热释放速率，KW；ΔTx为距火源x处的拱顶温升，K；x为测量处与火源的距离，m；A，B，A1，A2为待定参数。
具体地，在自然通风模式下，将横梁高度调节为0，即顶部无横梁隧道，选取边长为5cm，8cm，10cm，12cm，15cm五种油盘开展实验，通过测量火源上方的顶棚温度，修正已有的最高拱顶温度模型。自然通风条件下，最高拱顶温升主要与热释放速率Q和隧道高度H两个参数有关。常见的最高拱顶温度模型表达式如式(2)；其中A为待定参数，A的取值各位学者也存在一些差异，包括Alpert取16.9，Li取值为17.5，Ji(a)取值为17.9，Ji(b)取值为18.03。该组实验中通过改变油盘尺寸来改变热释放速率Q，通过实验拟合得到跟本模型相关的A值。
然后，在自然通风模式下，通过分析顶棚热电偶测得的火源正上方的第一顶棚温度数据，在1)得到的修正模型基础上，建立考虑横梁高度hB和横梁间隔dB两个参数的第一最高拱顶温度模型，如式(3)；其中A，B，n1，n2为待实验确定参数。
以及，通过分析顶棚热电偶测得的火源正上方的第一顶棚温度数据，建立考虑横梁高度hB和横梁间隔dB两个参数的第一顶棚温度衰减模型，即，在现有的自然通风模式下顶棚温度衰减模型(如式(4)所示)的基础上，建立考虑横梁高度hB和横梁间隔dB两个参数的顶棚温度衰减模型，如式(5)所示。
以及，通过分析热电偶束测得的竖直方向温度数据，结合高速摄像机拍摄的烟气扩散图像，采用百分比法(如式(6))研究横梁高度和横梁间隔两个参数的隧道火灾烟气层高度的影响。
Tx-T0＝(Tx，max-T0)×N/100 (6)。
以及，在自然通风模式下，分析热流计测得的第一总热流数据，建立自然通风模式下考虑横梁高度和横梁间隔两个参数的第一烟气热反馈衰减模型；目前关于地面接受的烟气热反馈衰减模型研究较少，因此需根据量纲分析建立式(7)中的第一热反馈衰减模型。
q＝f(x，Q，H，dB，hB) (7)。
在上述各实施例的基础上，所述第二临界风速模型如下，
V′c＝f(Hb)·a2[b2]-1/3[Q′]1/3，Q′≤c2；
V′c＝a2，Q′＞c2
所述第二烟气逆流长度模型如下，
其中，V′c为无量纲临界风速；Q′为无量纲热释放速率；l′为无量逆流长度；hB为横梁高度；V′为无量纲风速；Ri为改进后的理查德森数；c2为常数；c4为常数；a2，b2，a4，b5为待定参数。
具体地，在纵向通风模式下，通过分析顶棚热电偶测得的第二顶棚温度数据、烟气分析仪测得的第二烟气特性数据和风速仪测得的第二断面风速数据，判断各工况下的第二临界风速及第二逆流长度，建立考虑横梁高度hB和横梁间隔dB的第二临界风速模型和第二烟气逆流长度模型。现有的临界风速模型的主要形式如式(8)～(11)，其中a，b，c的取值存在差异，考虑横梁高度hB和横梁间隔dB的第二临界风速模型如式(12)和(13)所示。
V′c＝a1[b1]-1/3[Q′]1/3，Q′≤c1 (8)
V′c＝a1，Q′＞c1 (9)
Q′＝Q/(ρ0cpT0g1/2H5/2) (11)
V′c＝f(Hb)·a2[b2]-1/3[Q′]1/3，Q′≤c2； (12)
V′c＝a2,Q′＞c2 (13)
现有的逆流长度模型的主要形式如式(14)和(15)所示，其中a，b，c的取值存在差异，考虑横梁高度hB和横梁间隔dB的第二逆流长度模型如式(16)所示。
Ri′＝gQ/(ρ0cpT0v3H) (15)
以及，在纵向通风模式下，通过分析热流计测得的第二总热流数据，建立纵向通风模式下考虑横梁高度和横梁间隔的第二烟气热反馈衰减模型，根据量纲分析建立考虑式(17)的第二热反馈衰减模型(较之自然通风，加上了纵向风速v)。
q＝f(x，v，Q，H，dB，hB) (17)
以下对本发明实施例进行举例说明，但不限制本发明的保护范围。选取边长为10cm的油盘作为火源，调节横梁高度为6cm，调节横梁间隔为30cm，采用纵向排烟，射流风机排烟和顶部排烟三种通风模式，在三种通风模式的通风量相同的情况下，分析顶棚热电偶测得的顶棚温度数据、热电偶束测得的竖直方向温度数据、烟气分析仪测得的有毒有害气体数据、热流计测得的烟气热反馈数据，综合评估三种通风模式的适用性，为含横梁隧道的通风排烟模式设计提供技术支持，为含横梁隧道火灾应急救援方案提供决策依据。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置，其特征在于，包括：支撑架和隧道模型，所述隧道模型为两端部敞开的长方体；
所述隧道模型的底板固定在所述支撑架的上面板上，所述隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且所述横梁沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；
火源设置在所述隧道模型的底板的中部；在所述横梁之间设置多个顶棚热电偶。
2.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：在所述隧道模型的端部敞口处设有纵向排烟风机；在所述隧道模型的顶板上设置至少一个射流风机；或者，在所述隧道模型的顶板上设置至少一个顶部排烟风机。
3.根据权利要求1或2所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：在所述隧道模型的顶板与底板之间设置多个热电偶束，且所述热电偶束沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述热电偶束包括多个热电偶，且所述热电偶均匀布置在所述热电偶束所在的截面上。
4.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述隧道模型的顶板下方的多个烟气分析仪，且所述烟气分析仪位于所述火源的下风向。
5.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述隧道模型的底板上的多个热流计，且所述热流计位于所述火源的下风向。
6.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述隧道模型的顶板与底板之间的多个风速仪组，且所述风速仪组沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述风速仪组包括多根风速仪，且所述风速仪均匀布置在所述风速仪组所在的截面上。
7.一种顶部含横梁的隧道火灾试验方法，其特征在于，包括：
在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型的第一顶棚温度和第二顶棚温度；
基于所述第一顶棚温度，建立第一最高拱顶温度模型；以及，基于所述第二顶棚温度，建立第二最高拱顶温度模型；
基于所述第一最高拱顶温度模型和所述第二最高拱顶温度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
8.根据权利要求7所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：
基于所述第一顶棚温度建立第一顶棚温度衰减模型，以及基于所述第二顶棚温度建立第二顶棚温度衰减模型；
基于所述第一最高拱顶温度模型、所述第二最高拱顶温度模型、所述第一顶棚温度衰减模型和所述第二顶棚温度衰减模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
9.根据权利要求7所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取烟气分析仪在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型内的第一烟气特性参数和第二烟气特性参数；
基于所述第一顶棚温度和所述第一烟气特性参数，建立第一烟气蔓延速率模型；以及，基于所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二烟气蔓延速率模型；
基于所述第一烟气蔓延速率模型和所述第二烟气蔓延速率模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
10.根据权利要求9所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：所述第二通风模式为纵向通风模式时，在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取风速仪在所述纵向通风模式下，对应测得隧道模型内的第二断面风速；
基于所述第二断面风速、所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二临界风速模型和第二逆流长度模型；
基于所述第二临界风速模型和所述第二逆流长度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。
11.根据权利要求9所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第三顶棚温度和第四顶棚温度；
获取热电偶束在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第二竖直方向温度、第三竖直方向温度和第四竖直方向温度；
获取烟气分析仪在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第三烟气特性参数和第四烟气特性参数；
获取热流计在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第二烟气热反馈数据、第三烟气热反馈数据和第四烟气热反馈数据；
分析比较所述第二顶棚温度、所述第三顶棚温度和所述第四顶棚温度；分析比较所述第二竖直方向温度、所述第三竖直方向温度和所述第四竖直方向温度；分析比较所述第二烟气特性参数、所述第三烟气特性参数和所述第四烟气特性参数；以及，分析比较所述第二烟气热反馈数据、所述第三烟气热反馈数据和所述第四烟气热反馈数据，优化顶部含横梁隧道发生火灾时的通风模式。
12.根据权利要求8所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，所述第一通风模式为自然通风模式时，所述第一最高拱顶温度模型如下，
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>Ae</mi> <mrow> <mi>B</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </msub> <mi>H</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </msub> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mi>B</mi> </msub> <mi>H</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> </msup> </mrow> </msup> <mfrac> <msup> <mi>Q</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>/</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> <msup> <mi>H</mi> <mrow> <mn>5</mn> <mo>/</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
所述第一顶棚温度衰减模型如下，
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mi>x</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msup> <mo>,</mo> </mrow>
其中，ΔTmax为最高拱顶温升，K；dB为横梁的间隔，m；hB为横梁的高度，m；H为隧道模型的高度，m；Q为热释放速率，KW；ΔTx为距火源x处的拱顶温升，K；x为测量处与火源的距离，m；A，B，A1，A2为待定参数。
13.根据权利要求10所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，所述第二临界风速模型如下，
V′c＝f(Hb)·a2[b2]-1/3[Q′]1/3，Q′≤c2；
V′c＝a2,Q′＞c2
所述第二烟气逆流长度模型如下，
<mrow> <msup> <mi>l</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>4</mn> </msub> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>5</mn> </msub> <msup> <mi>Ri</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msup> <mi>Q</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>4</mn> </msub> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>6</mn> </msub> <mo>/</mo> <msup> <mi>V</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msup> <mi>Q</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>
其中，V′c为无量纲临界风速；Q′为无量纲热释放速率；l′为无量逆流长度；hB为横梁高度；V′为无量纲风速；Ri为改进后的理查德森数；c2为常数；c4为常数；a2，b2，a4，b5为待定参数。
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