CN108288428A - 一种可变弧度的隧道火灾模拟装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变弧度的隧道火灾模拟装置，包括隧道主体、通风系统、燃烧源和数据采集系统，隧道主体包括若干段隧道主框架，隧道主框架位于同一水平高度，相邻的两个隧道主框架的同一侧的侧面端部铰接。本发明所模拟的比例为1:20的隧道实验装置，该实验装置可以调节弧度，以此来改变曲率半径，该装置的曲率半径可调节为15m和30m，以此装置来研究规定范围内两种极限曲率半径的弧形隧道中火灾的各种参数。本发明的优点：1)燃料选用乙醇和正庚烷，燃烧时可充分燃烧，不会有毒气的产生。2)模拟装置可以对不同弧度、不同风速时火源的燃烧情况的模拟以及火焰和烟气流动进行记录。3)本发明相较于实物模型，实验消耗很少，可进行重复性试验。
Description
技术领域
本发明属于火灾安全技术领域，为一种可变弧度的隧道火灾进行模拟实验，具体研究是在不同纵向通风风速作用下，研究两种极限曲率半径弧形隧道中不同的的火灾热释放速率，顶棚射流温度、速度，火焰形态，下游烟气流动情况的模拟实验装置。
背景技术
目前，学者们对大量公路隧道火灾的研究进行了很多，其中包含实体隧道实验和计算机模拟实验，研究的方向也很多，包括火焰燃烧现象，临界风速、温度、烟气组分、烟气浓度等。有研究表明，火灾烟气的运动情况受隧道形状及风速影响，但当前大部分研究的方向是直行或者有坡度的公路隧道，缺少对弧形公路隧道火灾燃烧情况以及烟气方面的研究。
最新公路隧道规定的曲率半径为300-600m，本发明设计的模拟实验装置是比例为1:20的实验装置，就是在不同纵向通风风速作用下，研究1/4圆弧且曲率半径为15m及1/8圆弧且曲率半径为30m的两种极限规定下的模拟弧形隧道中的火灾热释放速率，顶棚射流温度、速度，火焰形态，烟气流动的情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可变弧度的隧道火灾进行模拟实验，具体研究是在不同纵向通风风速作用下，研究两种极限曲率半径弧形隧道中不同的的火灾热释放速率，顶棚射流温度、速度，火焰形态，下游烟气流动情况的模拟实验装置。
本发明的技术方案如下：
一种可变弧度的隧道火灾模拟装置包括隧道主体、通风系统、燃烧源和数据采集系统，
所述的隧道主体包括若干段隧道主框架、防火布和支撑架；所述的隧道主框架位于同一水平高度且均由支撑架支撑，相邻的两个隧道主框架的同一侧的侧面端部铰接，相邻的两个隧道主框架通过防火布连接；
所述的通风系统，包括风机和整流网，整流网安装在风机出风口，通风系统与隧道主体入口处相连；
所述的燃烧源包括燃烧皿和三脚架，燃烧皿从隧道主框架底面进入隧道主框架内；
所述数据采集系统包括温度测量系统、风速仪、激光发射器、偏光摄像机和电子天平；温度测量系统为两套热电偶组，其中一套热电偶组的热电偶平均分布于每段隧道主框架顶部下方中央；另一套热电偶组的热电偶纵向排列在燃烧皿上方；两个风速仪安装在隧道主体内；激光发射器安装在隧道主体的出口处底面中央，激光发射器朝隧道主体内部发射激光；偏光摄像机共有两台，分别记录火焰燃烧和烟气流动情况；电子天平放置在三脚架之下，记录燃料的质量损失。
优选的，所述的隧道主体的曲率半径通过调节隧道主框架之间的铰接部可调，曲率半径在15-30m范围内，隧道主体构成1/4圆弧时曲率半径为15m，构成1/8圆弧时曲率半径为30m。
优选的，所述的隧道主框架非铰接侧壁面、顶棚和底板材料采用玻镁板，铰接侧壁面采用钢化玻璃，钢化玻璃底端与隧道主框架铰接，可展开的钢化玻璃用于点燃火源和观测火灾过程。
优选的，所述的隧道主体离地1m；所述的玻镁板厚度为8mm，所述的每段隧道主框架长度相等。
优选的，所述的隧道主框架共6段，长4m，宽0.25m，高0.25m，由钢筋搭建，隧道主框架之间通过防火布链接填补缝隙。
优选的，所述的燃烧皿位于距离隧道主体入口处6m的隧道底部中央，燃料采用乙醇和正庚烷；三脚架将燃烧皿托起使燃烧皿高出隧道主框架底面20mm，燃烧皿的高度是40mm，底面为面积为25cm2或100cm2两种尺寸的正方形。
优选的，所述燃烧皿上方的纵向热电偶有9个，竖直间距为25mm；每段隧道主框架顶部下方中央的水平热电偶11个，水平间距为400mm，每个热电偶距离顶板1cm。
优选的，所述的两个风速仪分别安装在距离隧道主体入口处和出口处2m的截面的正中央，且离隧道主体入口处2m的风速仪安装在通风系统与燃烧皿之间，整流网出口风向平行于与其最近的隧道主框架的轴向平行。
优选的，所述的偏光摄像机共有两台，均位于隧道框架的钢化玻璃一侧，其中一台正对燃烧皿用于记录火焰燃烧情况，另一台摄像机可水平转动，用于记录整个隧道框架内的烟气流动情况。
所述装置的可变弧度的隧道火灾模拟方法包括如下步骤：
1)通过改变隧道主框架之间的铰接部，使隧道主体的曲率半径满足实验需求；
2)检查风速仪和温度测量系统是否正常工作；
3)将三脚架放于电子天平上，放于隧道底部开口正下方；
4)展开钢化玻璃，将燃烧皿放于隧道底部开口，调节三脚架让燃烧皿高出底面2cm；
5)打开风机，调节转速确定隧道内通风速度；
6)将电子天平调零，向燃烧皿中加入燃料；
7)打开风速仪，激光发射器，温度测量系统和摄像机；
8)用点火器点燃燃料，关闭钢化玻璃，温度测量系统监测温度变化，风速仪监测风速的变化；激光发射器朝隧道框架内部发射激光，便于摄像机捕捉图像；偏光摄像机共有两台，一台正对燃烧皿用于记录火焰燃烧情况，另一台摄像机用于记录整个隧道框架内的烟气流动情况，电子天平记录燃料的质量损失；
9)燃烧结束后停止风速仪，激光发射器，温度测量系统和摄像机的工作，保存数据与视频。
本发明所模拟的比例为1:20的隧道实验装置可以有效避免上所述问题。该实验装置可以调节弧度，以此来改变曲率半径，该装置的曲率半径可调节为15m和30m，以此装置来研究规定范围内两种极限曲率半径的弧形隧道中火灾的各种参数。
本发明的优点：1)燃料选用乙醇和正庚烷，燃烧时可充分燃烧，不会有毒气的产生。2)模拟装置可以对不同风速时火源的燃烧情况的模拟以及火焰和烟气流动进行记录。3)本发明相较于实物模型，实验消耗很少，可进行重复性试验。
附图说明
图1是本发明模拟装置的总体结构示意图；
图2是曲率半径15m情况下的温度测量系统布置图；
图3是曲率半径30m情况下的温度测量系统布置图；
图4是燃烧皿上方的热电偶步骤示意图；
图5是通风系统结构示意图。
图中标号：1-可调频轴流风机，2-整流网，3-热敏风速仪，4-支撑架，5-燃烧皿，6-电子天平，7-三脚架，8-拍摄火焰燃烧情况的摄像机，9-拍摄烟气流动情况的摄像机，10-激光发射器。
具体实施方式
如图1所示，可变弧度的隧道火灾模拟装置包括隧道主体、通风系统、燃烧源和数据采集系统，
所述的隧道主体包括若干段隧道主框架、防火布和支撑架；所述的隧道主框架位于同一水平高度且均由支撑架4支撑，相邻的两个隧道主框架的同一侧的侧面端部铰接，相邻的两个隧道主框架通过防火布连接；
如图5所示，所述的通风系统，包括可调频轴流风机1和整流网2，整流网安装在风机出风口，通风系统与隧道主体入口处相连；
所述的燃烧源包括燃烧皿5和三脚架7，燃烧皿从隧道主框架底面进入隧道主框架内；
所述数据采集系统包括温度测量系统、热敏风速仪3、激光发射器10、偏光摄像机(8和9)和电子天平6；
如图2-4所示，温度测量系统为两套热电偶组，其中一套热电偶组的热电偶平均分布于每段隧道主框架顶部下方中央(图2-3)；另一套热电偶组的热电偶纵向排列在燃烧皿上方(图4)；所述燃烧皿上方的纵向热电偶有9个，竖直间距为25mm；每段隧道主框架顶部下方中央的水平热电偶11个，水平间距为100mm，每个热电偶距离顶板1cm。
两个热敏风速仪3安装在隧道主体内；分别安装在距离隧道主体入口处和出口处2m的截面的正中央，且离隧道主体入口处2m的风速仪安装在通风系统与燃烧皿之间，整流网出口风向平行于与其最近的隧道主框架的轴向平行。
激光发射器安装在隧道主体的出口处底面中央，激光发射器朝隧道主体内部发射激光；偏光摄像机共有两台，均位于隧道框架的钢化玻璃一侧，分别为拍摄火焰燃烧情况的摄像机8和拍摄烟气流动情况的摄像机9；电子天平放置在三脚架之下，记录燃料的质量损失。
如图1所示，所述的隧道主体的曲率半径通过调节隧道主框架之间的铰接部可调，隧道主体构成1/4圆弧时曲率半径为15m，构成1/8圆弧时曲率半径为30m。最新公路隧道规定的曲率半径为300-600m，本发明设计的模拟实验装置是比例为1:20的实验装置，就是在不同纵向通风风速作用下，研究1/4圆弧且曲率半径为15m及1/8圆弧且曲率半径为30m的两种极限规定下的模拟弧形隧道中的火灾热释放速率，顶棚射流温度、速度，火焰形态，烟气流动的情况。
优选的，所述的隧道主框架非铰接侧壁面、顶棚和底板材料采用玻镁板，铰接侧壁面采用钢化玻璃，钢化玻璃底端与隧道主框架铰接，可展开的钢化玻璃用于点燃火源和观测火灾过程。所述的隧道主体离地1m；所述的玻镁板厚度为8mm，所述的每段隧道主框架长度相等。
如图1所示，在本发明的具体实施例中，所述的隧道主框架共6段，长4m，宽0.25m，高0.25m，由钢筋搭建，隧道主框架之间通过防火布链接填补缝隙。
所述的燃烧皿位于距离隧道主体入口处6m的隧道底部中央，燃料采用乙醇和正庚烷；三脚架将燃烧皿托起使燃烧皿高出隧道主框架底面20mm，燃烧皿的高度是40mm，底面为面积为25cm2或100cm2两种尺寸的正方形。
利用本发明所述装置的可变弧度的隧道火灾模拟方法包括如下步骤：
1)通过改变隧道主框架之间的铰接部，使隧道主体的曲率半径满足实验需求；
2)检查风速仪和温度测量系统是否正常工作；
3)将三脚架放于电子天平上，放于隧道底部开口正下方；
4)展开钢化玻璃，将燃烧皿放于隧道底部开口，调节三脚架让燃烧皿高出底面2cm；
5)打开风机，调节转速确定隧道内通风速度；
6)将电子天平调零，向燃烧皿中加入燃料；
7)打开风速仪，激光发射器，温度测量系统和摄像机；
8)用点火器点燃燃料，关闭钢化玻璃，温度测量系统监测温度变化，风速仪监测风速的变化；激光发射器朝隧道框架内部发射激光，便于摄像机捕捉图像；偏光摄像机共有两台，一台正对燃烧皿用于记录火焰燃烧情况，另一台摄像机用于记录整个隧道框架内的烟气流动情况，电子天平记录燃料的质量损失；
9)燃烧结束后停止风速仪，激光发射器，温度测量系统和摄像机的工作，保存数据与视频。
10)改变风速，燃烧皿大小和燃料进行重复性实验
11)改变弧度，再进行可重复性实验
12)处理和研究数据。
Claims (10)
1.一种可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于包括隧道主体、通风系统、燃烧源和数据采集系统；
所述的隧道主体包括若干段隧道主框架、防火布和支撑架；所述的隧道主框架位于同一水平高度且均由支撑架支撑，相邻的两个隧道主框架的同一侧的侧面端部铰接，相邻的两个隧道主框架通过防火布连接；
所述的通风系统包括风机和整流网，整流网安装在风机出风口，通风系统与隧道主体入口处相连；
所述的燃烧源包括燃烧皿和三脚架，燃烧皿从隧道主框架底面进入隧道主框架内；
所述数据采集系统包括温度测量系统、风速仪、激光发射器、偏光摄像机和电子天平；温度测量系统为两套热电偶组，其中一套热电偶组的热电偶平均分布于每段隧道主框架顶部下方中央；另一套热电偶组的热电偶纵向排列在燃烧皿上方；两个风速仪安装在隧道主体内；激光发射器安装在隧道主体的出口处底面中央，激光发射器朝隧道主体内部发射激光；偏光摄像机共有两台，分别记录火焰燃烧和烟气流动情况；电子天平放置在三脚架之下，记录燃料的质量损失。
2.如权利要求1所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的隧道主体的曲率半径通过调节隧道主框架之间的铰接部可调，隧道主体构成1/4圆弧时曲率半径为15m，构成1/8圆弧时曲率半径为30m。
3.如权利要求1所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的隧道主框架非铰接侧壁面、顶棚和底板材料采用玻镁板，铰接侧壁面采用钢化玻璃，钢化玻璃底端与隧道主框架铰接。
4.如权利要求3所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的隧道主体离地1m；所述的玻镁板厚度为8mm，所述的每段隧道主框架长度相等。
5.如权利要求4所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的隧道主框架共6段，长4m，宽0.25m，高0.25m，由钢筋搭建，隧道主框架之间通过防火布链接填补缝隙。
6.如权利要求1所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的燃烧皿位于距离隧道主体入口处6m的隧道底部中央，燃料采用乙醇和正庚烷；三脚架将燃烧皿托起使燃烧皿高出隧道主框架底面20mm。
7.如权利要求1所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述燃烧皿上方的纵向热电偶有9个，竖直间距为25mm；每段隧道主框架顶部下方中央的水平热电偶11个，水平间距为400mm，每个热电偶距离顶板1cm。
8.如权利要求1所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的两个风速仪分别安装在距离隧道主体入口处和出口处2m的截面的正中央，整流网出口风向平行于与其最近的隧道主框架的轴向平行。
9.如权利要求1所述的可变弧度的隧道火灾模拟装置，其特征在于，所述的偏光摄像机共有两台，均位于隧道框架的钢化玻璃一侧，其中一台正对燃烧皿用于记录火焰燃烧情况，另一台摄像机可水平转动，用于记录整个隧道框架内的烟气流动情况。
10.一种如权利要求3所述装置的可变弧度的隧道火灾模拟方法，其特征在于：
1)通过改变隧道主框架之间的铰接部，使隧道主体的曲率半径满足实验需求；
2)检查风速仪和温度测量系统是否正常工作；
3)将三脚架放于电子天平上，放于隧道底部开口正下方；
4)展开钢化玻璃，将燃烧皿放于隧道底部开口，调节三脚架让燃烧皿高出底面2cm；
5)打开风机，调节转速确定隧道内通风速度；
6)将电子天平调零，向燃烧皿中加入燃料；
7)打开风速仪，激光发射器，温度测量系统和摄像机；
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