CN108760354A - 列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道列车技术领域，公开了一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法、系统及介质，以提高模拟的精度并确保试验数据的可靠性。本发明系统包括：列车模型、隧道模型、轨道模型及发烟装置，且该列车模型、隧道模型、轨道模型分别与实际的列车、隧道及轨道进行等比例缩小；该列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置；与中控系统连接且由车载和地面两部分组成的测试系统；该中控系统，主要用于根据试验模型的缩小比例经驱动装置控制该列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过该测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。

Description

列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及轨道列车技术领域，尤其涉及一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法、系统及介质。

背景技术

随着社会经济的不断发展，地铁交通以其快速、大运量、污染小、效率高等特点逐渐成为城市交通结构中不可缺少的组成部分。据统计，截至2017年12月底，中国已开通地铁的城市有35个，总运营里程达5000公里。地铁线路的修建虽然极大程度的缓解了城市地面交通的压力、给居民生活带来便利，但地铁频繁的运行也带来了诸多的安全问题，火灾作为主要灾害形式引起了人们的广泛关注。国内外地铁系统发生的重大事故统计分析表明，火灾事故约占事故总数的32％。由于地铁系统结构复杂，火灾的发生、发展演化存在特殊性，一旦发生火灾，火情复杂，极易造成巨大人员伤亡及财产损失。我国地铁发展相对较晚，但自运营以来已发生火灾160余起，其中仅北京地铁火灾事故已造成了36人死亡，经济损失巨大。通过对事故案例进行调查，地铁系统火灾造成人员伤亡的主要原因包括：地铁系统特殊环境下火灾烟气蔓延迅速、可燃物多样且不确定、高密度人群疏散困难等。

根据《地铁设计规范》规定，列车行驶途中突发火灾，在火情不影响列车继续运行情况下，应尽量驶离隧道停靠站台实施救援；动力系统被切断或者自身无法正常供电时，也应在现有惯性作用下采取滑行的方式尽量靠近隧道出口。列车在驶入隧道的过程中，不断卷吸周围的新鲜空气加入火源参与燃烧，将造成火势的进一步增大；且若列车行驶时间过长，隧道内氧气的持续消耗，将缩短人员的极限忍受时间。

着火列车继续运行过程中，“活塞风效应”会导致隧道内瞬态气动压力的波动，造成空气流速变化、空气中可燃气体重新分布；烟气的运动受活塞风的影响，导致火灾产生的热量和烟气在地铁隧道空间内迅速积聚和扩散。火源随着火列车的移动特性也会使得隧道内火灾烟流的扩散行为变得更为复杂。同时，隧道内的通风排烟系统等复杂气流条件也将显著影响地铁内部的火蔓延及烟气输运过程，这将会大大增加灭火和人员疏散的困难。因此，需开展列车携火源运行，地铁隧道火灾烟气输运规律及控烟措施研究。

当对着火列车持续运行烟气输运规律进行试验研究时，直接而真实的方法是在线实车试验，但进行一次完整的实车试验需要耗费大量的人力、物力、财力，组织一次试验很不容易，得到的参数有限，加之自然条件千变万化，如环境的风速和风向不可控制等，重复性难以保证，而且，实车试验需在隧道修建完成后才能进行，同时火灾试验是破坏性试验，因此在隧道火灾研究方面并不易开展。

现有技术中，模型试验是主要用于测试列车携火源运行烟气输运的方法。由于运行列车周围空气流动是压力和速度不断变化的非稳态流场，列车相对地面和周围建筑物是实时运动的。但在风洞试验中模型列车被固定，不能模拟列车与地面及周围环境的相对运动，因此它不能精确描述列车携火源运行导致的火灾烟气输运行为演化过程。仅当列车模型可以真实的在线路上高速运行，才能模拟列车通过隧道引起的“活塞效应”，从而得到列车携火源运行条件下火灾烟气输运行为及演化规律。

通常，活塞效应(Piston Effect)指在隧道中高速运行的列车，会带动隧道中的空气产生高速流动，因为类似汽缸内活塞压缩气体之现象。当高速运行之列车进入隧道，隧道内之空气原为静止，因列车之重击，产生高压波，该高压波以声音的速度传播(远大于列车行驶速度)，因此当列车进入隧道产生之高压波迅速往下游传递，压力波传达的隧道空气立即被加速，当压力波抵达下游隧道口时产生反射波，反射波往隧道上游传递，当其传递之隧道空气将再一次被加速。同样的列车车尾进入隧道，会产生一股负压波，该股负压波，也同样会作用在隧道内空气流速。

发明内容

本发明目的在于公开一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法、系统及介质，以提高模拟的精度并确保试验数据的可靠性。

为实现上述目的，本发明公开了一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，包括：

列车模型、隧道模型、轨道模型及发烟装置，且所述列车模型、隧道模型、轨道模型分别与实际的列车、隧道、轨道进行等比例缩小；

所述列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置；

与中控系统连接且由车载和地面两部分组成的测试系统，包括设置在列车模型、隧道模型、轨道模型上用于测量模拟环境参数的一组传感器；所述模拟环境参数至少包括：压力、浓度、风速和车速；以及

连接所述中控系统的驱动装置，用于向所述列车模型提供动力；

所述中控系统，主要用于根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。

相对应的，本发明还公开一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法，包括：

构建列车模型、隧道模型、轨道模型和发烟装置，且所述列车模型、隧道模型、轨道模型分别与实际的列车、隧道、轨道进行等比例缩小；所述列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置；

部署与中控系统连接的且由车载和地面两部分组成的测试系统，包括设置在列车模型、隧道模型、轨道模型上用于测量模拟环境参数的一组传感器；所述模拟环境参数至少包括：压力、浓度、风速和车速；以及

部署向所述列车模型提供动力的驱动装置，并将所述驱动装置与所述中控系统进行电信号连接；

在试验过程中，所述中控系统根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置以控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。

此外，本发明还公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

采用列车空气动力特性动模型试验系统模拟列车在各工况下的空气压力、浓度变化并进行相应测试，同时，根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制，确保了实验模型流场和列车隧道实物流场的相似性；能真实再现列车交会与过隧道等空气三维非定常流动现象，能够模拟两交会列车之间和列车与隧道之间的相对运动，真实地反映地面效应。从而提高了模拟的精度并确保了试验数据的可靠性。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的模拟列车携发烟设备运行示意图；

图2为本发明优选实施例的隧道壁面测点速度变化曲线示意图。

图3为本发明优选实施例的隧道内测点浓度变化曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，参照图1，包括：

列车模型、隧道模型、轨道模型及发烟装置，其中，列车模型、隧道模型、轨道模型分别与实际的列车、隧道及轨道进行等比例缩小；且列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置。优选地，本实施例缩小的模型比例大于或等于1/20；列车模型至少包括流线型头车和尾车。

本实施例系统还包括：与中控系统连接且由车载和地面两部分组成的测试系统，包括设置在列车模型、隧道模型和轨道模型上用于测量模拟环境参数的一组传感器；其模拟环境参数至少包括：压力、浓度、风速和车速等。其中，传感器的选择和安装，应尽量避免对流场的干扰；例如：压力信号可通过安装于车体壁面及隧道结构表面压力传感器进行测量。

可选的，本实施例测试系统可由车载测试系统和地面测试系统两大部分组成，分工如下：

车载测试系统，用于实时测量、采集、存储、传输烟气浓度、列车表面压力分布、活塞风速度、模型列车运行速度等。

地面测试系统，用于实时测量试验段出入口的模型列车运行速度、列车过隧道时隧道内的空气压力变化、烟气浓度以及环境参数等。

同时，本实施例系统还包括：连接中控系统的驱动装置，用于向列车模型提供动力。可选的，具体驱动方式可通过弹射方式使模型列车在模型线路上无动力高速运行。

本实施例中，中控系统主要用于：根据试验模型的缩小比例经驱动装置控制列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。优选地，该中控系统还用于产生同步控制信号以控制上述车载测试系统与地面测试系统协调进行试验过程各参量的动态测量、数据采集及预处理。

进一步的，本实施例系统还包括与中控系统连接的抗混叠滤波器对相应传感器的采集数据进行滤波处理。优选地，该抗混混叠滤波器的截止频率为采集频率的1/4。

【本发明原理】

由于试验中模型列车比实车小很多，试验条件和实车运行的条件也不完全相同。在进行模型试验时，为了有效的模拟实车在线路上运行的实际情况，使测试数据具有可比性，必须满足一定的相似条件。据相似性原理，两个流场“完全相似”的条件是单值条件相似以及所有的相似参数完全相同。模型流动与实物流动的流场相似，一般必须满足几何相似、运动相似和动力相似。运动相似通常是模型试验的主要目的，当模型流动与实物流动的流场满足几何相似和动力相似条件时，其流场能保证运动相似。当两个流场既满足几何相似、运动相似和动力相似条件，并且其他所有各对应点的同类物理量又成比例的话，则这两个流场完全相似。一般流场几何相似较容易满足，应重点考虑动力相似问题，而模型与实物流场完全动力相似很难做到的，有时根本无法做到。通常只能做到使其主要动力相似准则(即无量纲动力相似参数)相同，而忽略次要的动力相似准则。

本发明中进行模拟试验时，如果满足主要的相似准则有马赫数Ma相似和雷诺数Re相似，则能够实现流场相似。

雷诺数Re的计算方式为：

马赫数Ma的计算方式为：

Ma＝v/a

马赫数Ma是弹性力的相似准则，其中，a为声速。由于所用的介质都是空气，可以认为模型试验中和高速列车实际运行时音速相同；故要求两个流场的马赫数相等，即对应的模型车速和实际车速应该相等。

由于雷诺数Re是粘性力的相似准则，是一个表征流体的粘性对流动影响的重要的相似准则。两个流场相似，两个流场的雷诺数应该相等。

式中，ρ、V、L、μ为实车试验中介质的密度、运行速度、尺寸和动力粘性系数；ρ′、V′、L′、μ′为模型试验中介质密度、运行速度、尺寸和动力粘性系数。

根据本模型试验的具体情况，工作介质是空气，温度与大气温度相同，所以ρ′/μ′与实车试验的情况差不多。要使雷诺数相等，则应使V′L′与V L相等。如取模型列车的尺寸相似比1:20，而模型列车的速度无论如何也无法提高到实车试验的20倍以达到雷诺数相等。通过试验和研究发现，当流场中的流态为紊流时，流体存在一个自模拟区，当模型和实物处于同一自模区时，模型和实物的雷诺数Re不必保持相等，其雷诺数的变化不再影响所研究的现象，模型试验的参数结果就可以用到实物中去。利用该现象的自模性可以明显简化模型试验的条件。藉此，则进行动模型试验试验时，只需要保持试验的雷诺数大于临界雷诺数即可，而无需要花更大的代价使模型试验的雷诺数与实车雷诺数相同。

实施例2

与上述系统相对应的，本实施例公开一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、构建列车模型、隧道模型及轨道模型，且所述列车模型、隧道模型和轨道模型分别与实际的列车、隧道及轨道进行等比例缩小；所述列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置。

步骤S2、部署与中控系统连接的且由车载和地面两部分组成的测试系统，包括设置在列车模型、隧道模型和轨道模型上用于测量模拟环境参数的一组传感器；所述模拟环境参数至少包括：压力、浓度、风速和车速。

步骤S3、部署向所述列车模型提供动力的驱动装置，并将所述驱动装置与所述中控系统进行电信号连接。

步骤S4、在试验过程中，所述中控系统根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置以控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。其中，该步骤所得的实验数据可参照图2和图3。

与上述测试系统由车载测试系统和地面测试系统两大部分组成相对应的；本实施例方法还进一步包括：

所述中控系统产生同步控制信号以控制所述车载测试系统与所述地面测试系统协调进行试验过程各参量的动态测量、数据采集及预处理。

优选地，本实施例方法还包括：

部署与所述中控系统连接的抗混叠滤波器，且所述抗混叠滤波器的截止频率为采集频率的1/4；在试验过程中，所述中控系统指令所述抗混叠滤波器对相应传感器的采集数据进行滤波处理。

实施例3

本发明公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述实施例2中方法的步骤。

综上，本发明上述各实施例所分别公开的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法、系统及介质，至少具有以下有益效果：

采用列车空气动力特性动模型试验系统模拟列车在各工况下的空气压力、浓度变化并进行相应测试，同时，根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制，确保了实验模型流场和列车隧道实物流场的相似性；能真实再现列车交会与过隧道等空气三维非定常流动现象，能够模拟两交会列车之间和列车与隧道之间的相对运动，真实地反映地面效应。从而提高了模拟的精度并确保了试验数据的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，其特征在于，包括：

列车模型、隧道模型、轨道模型及发烟装置，且所述列车模型、隧道模型、轨道模型分别与实际的列车、隧道、轨道进行等比例缩小；

所述列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置；

与中控系统连接且由车载和地面两部分组成的测试系统，包括设置在列车模型、隧道模型、轨道模型上用于测量模拟环境参数的一组传感器；所述模拟环境参数至少包括：压力、浓度、风速和车速；以及

连接所述中控系统的驱动装置，用于向所述列车模型提供动力；

所述中控系统，主要用于根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。

2.根据权利要求1所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，其特征在于，所述测试系统由车载测试系统和地面测试系统两大部分组成；其中：

所述车载测试系统，用于实时测量、采集、存储、传输烟气浓度、列车表面压力分布、活塞风速度、模型列车运行速度；

所述地面测试系统，用于实时测量试验段出入口的模型列车运行速度、列车过隧道时隧道内的空气压力变化、烟气浓度以及环境参数。

3.根据权利要求2所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，其特征在于，所述中控系统还用于产生同步控制信号以控制所述车载测试系统与所述地面测试系统协调进行试验过程各参量的动态测量、数据采集及预处理。

4.根据权利要求3所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，其特征在于，还包括与所述中控系统连接的抗混叠滤波器，且所述抗混叠滤波器的截止频率为采集频率的1/4。

5.根据权利要求1至4任一所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，其特征在于，缩小的模型比例大于或等于1/20。

6.根据权利要求5所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试系统，其特征在于，所述列车模型至少包括流线型头车和尾车。

7.一种列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法，其特征在于，包括：

构建列车模型、隧道模型及轨道模型，且所述列车模型、隧道模型、轨道模型分别与实际的列车、隧道、轨道进行等比例缩小；所述列车模型设有与外部连通的空气输送管路并搭载有模拟火灾用的烟气产生装置；

部署与中控系统连接的且由车载和地面两部分组成的测试系统，包括设置在列车模型、隧道模型、轨道模型上用于测量模拟环境参数的一组传感器；所述模拟环境参数至少包括：压力、浓度、风速和车速；以及

部署向所述列车模型提供动力的驱动装置，并将所述驱动装置与所述中控系统进行电信号连接；

在试验过程中，所述中控系统根据试验模型的缩小比例经所述驱动装置以控制所述列车模型的速度使得试验模型流场的试验雷诺数不小于临界雷诺数且列车模型车速和实际车速相等，并通过所述测试系统获取试验数据及对试验过程进行控制。

8.根据权利要求7所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法，其特征在于，所述测试系统由车载测试系统和地面测试系统两大部分组成；其中：

所述车载测试系统，用于实时测量、采集、存储、传输烟气浓度、列车表面压力分布、活塞风速度、模型列车运行速度；

所述地面测试系统，用于实时测量试验段出入口的模型列车运行速度、列车过隧道时隧道内的空气压力变化、烟气浓度以及环境参数；

所述方法还包括：

所述中控系统产生同步控制信号以控制所述车载测试系统与所述地面测试系统协调进行试验过程各参量的动态测量、数据采集及预处理。

9.根据权利要求7或8所述的列车携带火源运行烟气输运的模拟测试方法，其特征在于，还包括：

部署与所述中控系统连接的抗混叠滤波器，且所述抗混混叠滤波器的截止频率为采集频率的1/4；以及

在试验过程中，所述中控系统指令所述抗混叠滤波器对相应传感器的采集数据进行滤波处理。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述权利要求7至9任一所述方法的步骤。