CN109345938B - 一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种组合式地下管道空间火灾安全研究模型装置。本装置由多个结构相同且可拆卸组装的综合管廊模块自由组合而成。组合模块中含变频通风装置、火源装置、坡度调节装置、火灾探测装置及消防系统。主管廊的一端固定在支撑架上，另一端由千斤顶支撑，可调节其坡度。装有燃烧油盘和电缆架的移动小车可在管廊内滑行，从而改变火源的位置。各个管廊模块之间可自由拆卸组装。组合模块之间也可以组合形成多层或多舱管廊。火灾探测装置预警后，通过对消防系统的控制可为不同火源功率的火灾提供相应的灭火介质，如水或气体。本装置提供了综合一体、方便灵活的小尺寸综合管廊比例实验模型，能够对不同管廊结构、消防系统、火灾探测装置、通风模式、火源类型、管廊坡度进行任意组合，满足实验人员对各种复杂管廊的火灾工况开展模拟实验的需求。

Description

一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置

技术领域

本发明涉及一种组合式地下管道空间火灾安全研究模型装置。设计多个结构简单，并且可以拆卸组装的不同尺寸的地下管道空间实验装置模块，相互之间通过凹槽组合连接。内部为消防系统、火灾探测装置、通风装置、火源等可更换设施预留槽位，实现地下管道空间尤其是综合管廊空间各种工况条件下的组合实验。

背景技术

城市综合管廊具体是指将地面、地下或架空的两种以上的市政管线集中设置于同一地下人工空间中，并留有供检修人员行走通道的隧道结构。随着城市建设飞速发展，建设城市综合管廊已经成为改善市政管线布设混乱的有效方法。。

城市综合管廊给市政及居民带来了极大方便同时，但也存在许多问题急需解决，特别是管廊安全与消防问题。管廊内一旦发生火灾，将造成严重的经济财产损失，严重影响居民生活和企业生产，甚至可能导致二次事故发生。因此，对综合管廊进行火灾特性研究显得尤为重要。

研究综合管廊为代表地下管道空间的火灾主要有火灾实验模拟、数值模拟分析和理论分析三大类。目前，针对综合管廊火灾进行的试验研究主要分为两种：(1)全尺寸实验(现场试验)研究；(2)缩比例模型实验研究。

全尺寸实验研究是对数值模拟、理论分析和缩比例模型实验研究结果进行验证的重要手段。而全尺寸实验由于实际火灾的复杂性与随机性，不能完全实现模拟火灾工况，很难进行大量火灾工况研究。基于此，以相似理论为依据而建立的缩比例火灾模型实验可以真实地再现火灾特征，并且可以节约时间成本、节省人力、物力、财力，在火灾研究方面具备独特的优越性，在管廊火灾研究中成为主流。

缩比例火灾模型实验主要是依据相似理论将原模型按一定比例缩小而建立的缩比例实验台以开展相关的研究工作。2005年，Hong-Sik Kim等为研究地下综合管廊系统的安全性，针对矩形和圆形两种断面的管廊形式，对管廊内烟气流动和温度分布进行了研究；2017年，杜长宝、赵永昌等为研究综合管廊温度场分布及烟气流动特性，搭建了1:3.6的缩尺寸管廊模型给出了管廊顶棚下方最高温升模型和顶棚纵向温度分布模型。

综合目前已公布的研究成果，国内外对于综合管廊的实验研究较少，整体而言，已有的实验模型没有体现综合现有管廊消防装置以及多层结构的管廊消防需求。

为模拟不同火灾工况时，在不同管廊结构、通风策略、火灾探测装置、消防设施、排烟策略等多种组合条件下的火灾特性，还需要进行大量的实验研究。

发明内容

根据地下管道空间尤其是综合管廊内部复杂、难以全面观测、进行多工况的火灾全尺寸实验难度大等缺陷，本发明提供了一种方便灵活的综合管廊火灾烟气运动模型装置，解决了综合管廊发展初期全尺寸实验和小比例实验困难的问题，弥补了管廊实验模型的空白点。该模型装置克服了在实验中难以观测烟气运动、管廊坡度无法多角度改变、实验成本高、难以实现高压细水雾或其他气体灭火设施对比实验、难以描述不同结构和舱室管廊模型的火灾烟气规律、难以对比不同火灾探测装置在管廊中具体的效率与效果、通风模式无法改变等缺陷，能够对不同管廊结构、消防系统、火灾探测装置、通风模式、火源类型、管廊坡度等进行任意组合，满足实验人员开展各种复杂工况的综合管廊通风及火灾烟气模拟实验。

多功能综合管廊火灾烟气扩散模型装置，设计多个结构简单，并且可以拆卸组装的不同尺寸的综合管廊模块，相互之间通过凹槽组合连接。内部为消防系统、火灾探测装置、通风装置、火源等可更换设施预留槽位，实现各种工况条件下的组合实验。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

多功能综合管廊火灾烟气扩散模型装置所采取的技术方案是：包括变频风机1，盲板2，转动铰链3，防火玻璃窗4，矩形主管廊5，支撑杆6，底座7，主管廊连接口8，预留挡板插槽9，挡板10，预留竖井或排烟道连接口11，千斤顶12，钢架结构13，挂钩14，滑道15，滑道横向滑轮16，底板框架17，底板18，顶板19，热电偶布置口20，喷淋系统喷头布置口21，螺杆22，油盘23，电缆架24，小车主体25，预留插槽26，变频水泵27，水管28，喷头29；矩形主管廊5至少有两段，变频风机1通过盲板2与第一段矩形主管廊5的前端相连，第二段矩形主管廊5末端上方预留竖井或排烟道连接口11；各个矩形主管廊5两端均可通过主管廊连接口8连接以实现矩形主管廊5长度变化和预留竖井或排烟道连接口11的相对位置变化；第一段管廊入口端和最后一段管廊末端设有预留挡板插槽9，可插入挡板10封闭，用于模拟管廊封闭条件下火灾情况；第一段矩形主管廊5通过转动铰链3固定在支撑杆6的上端，支撑杆6与底座7相连；最后一段矩形主管廊5通过钢架结构13连接于千斤顶12的顶部，通过调节千斤顶12改变矩形主管廊5末端的高度，模拟不同坡度的情况；矩形主管廊5顶部设有热电偶布置口20和喷淋系统喷头布置口21，热电偶布置口20用于布置热电偶束测温，喷淋系统喷头布置口21用于布置灭火喷头29；喷头29通过水管28与变频水泵27相连；矩形主管廊5外侧设有防火玻璃窗4用于观察管廊内部烟气蔓延情况；矩形主管廊底部由底板框架17和底板18组成，底板框架17和底板18一侧旋转固定，另一侧可通过挂钩14固定，底板框架17与矩形主管廊5底部固定连接，底板框架17上沿主管廊方向通过滑道横向滑轮16连接两条平行的滑道15，滑道15之间的距离可通过滑道横向滑轮16改变；小车主体25设有油盘23和电缆架24；油盘23中根据需要可以加入不同种类不同数量的燃料，电缆架24沿主管廊方向长于油盘23，用于架设较长电缆以研究其延燃特性；油盘23和电缆架24可以插入小车不同高度预设插槽26中，可以架设多层电缆架24以研究不同层电缆之间火灾蔓延情况，小车主体25放在滑道15上，小车主体25底部有可拆卸螺杆22用于调节小车在滑道15上的位置，调整完毕后拆下螺杆22，闭合底板18；

矩形主管廊5采用并排、叠加的方式模拟单舱、多舱、单层、多层形式的综合管廊模拟，每个单独的矩形主管廊5通过滑扣、铰链的方式相组合。

设置了能够提供矩形主管廊内纵向风速范围在0～6m/s的变频风机1。

所述的矩形主管廊5每个侧面各设有n个防火玻璃窗4，n≥3。

设置了能够为矩形主管廊5提供0～15°坡度的千斤顶。

设置了可提供0～0.1MP压力的变频水泵27。

所述的矩形主管廊5个数为k，k≥2。

本发明采用了可调节风量的变频风机，可提供0～6m/s的纵向通风风速；

为解决以往管廊实验中难以对比不同火灾灭火装置的问题，采用了可以相互替换的水喷淋系统和气体灭火系统，对于水喷淋系统可将管廊顶部的喷头与变频水泵连接，通过变频水泵调节水量，实现在不同实验工况下得到不同的所需水量；对于气体灭火装置，通过将管廊顶部喷头与气压罐相连，通过气压调节喷雾浓度，满足不同工况下的实验要求。

实际工程中管廊一般都具有一定坡度，为满足坡度要求，将主管廊上通过转动铰链连接的支撑杆固定在底座上，通过另一端的千斤顶实现坡度调节，其上端的螺杆与矩形主管廊另一端的钢架横梁上的螺扣相连，可实现在0～15°之间的任意调节；

为模拟实验中不同工况下的不同火源位置，实验中可将小车底盘与管廊一侧的滑道相连，通过滑道变换不同火源位置，尽可能模拟实际中电缆延燃特性；

防火分区的设置，通过在一个防火分区的两端预留槽位，放置隔板，模拟火灾发生时防火分区内的灭火情况；

特长管廊的设置，利用法兰连接对主管廊进行加长；

围护结构内外层均由钢板构成，内外层之间铺设龙骨，并采用高性能保温填充材料。同时，为便于在实验时拍摄和观测试验情况，管廊侧面设置耐高温钢化玻璃窗。在模拟时，可将围护结构视为绝热。

有益效果

与现有条件相比，本发明具有如下优点：

1、此发明可以真实再现多舱综合管廊火灾场景下的烟气流动情况，可以为多种工况下的火灾特性研究提供实验平台；

2、此发明可以实现对单层、双层、单舱、多舱等多种不同形式综合管廊进行火灾实验模拟。每个单独的管廊模型模块都可以通过滑扣、铰链的方式相组合，满足多种工程和实验需要。

3、此发明可以满足单层、双层管廊内多种通风模式的要求。在管廊上方预留通风口、风井和风机的预留位置，通过变换风机运行状态，可以实现不同形式的自然通风、机械排风的要求。在双层管廊中，也可以通过风井现通风和防排烟的实验模拟。

4、此发明可以实现不同火源位置，不同种类火源模拟，通过改变小车，滑道与管廊主体之间的相对位置，模拟多种工况。小车上预留电缆架和油盘，可以通过控制燃料数量，引燃预设电缆，控制时间待燃料燃烧完全后，模拟电缆火蔓延情况。并可以改变电缆布置密度，电缆长度，两侧小车分别布置电缆，模拟多种工况。

5、此发明通过千斤顶调节坡度，从而可以模拟不同坡度下综合管廊发生火灾时的烟气运动。该装置调节坡度的操作简单，安装费用较低；

6、此发明可完成多种组合工况下的综合管廊火灾实验，可以对不同灭火装置、火灾探测装置、通风风速、通风模式、火源功率下的火灾场景进行组合研究。另外，由于管廊内可开展细水雾灭火和气体灭火实验，可以对细水雾灭火和气体灭火是否适用于管廊火灾控制以及控制效果进行有效的实验研究；

7、本装置操作灵活方便，结构简单，可以外接检测系统、控制系统和数据分析系统。通过分析系统对火灾场景中的烟气温度、浓度、能见度等参数的变化规律进行测量和分析；通过监测系统对火灾发展过程进行全程监测；通过控制系统完成对各种工况的模拟控制。

8、弥补了综合管廊火灾实验困难的空白点，为管廊火灾安全实验提供了切实可行的缩比例的实验研究平台。

附图说明

图1多功能综合管廊火灾烟气扩散模型装置主视图

图2主管廊顶部结构示意图

图3主管廊底部结构示意图

图4坡度调节示意图

图5小车位置示意图

图6小车结构示意图

图7水喷淋结构图

图8主管廊断面图

图9a双舱组合管廊示意图

图9b双层组合管廊示意图

图10通风模式调节示意图

图中：变频风机1，盲板2，转动铰链3，防火玻璃窗4，矩形主管廊5，支撑杆6，底座7，主管廊连接口8，预留挡板插槽9，挡板10，预留竖井或排烟道连接口11，千斤顶12，钢架结构13，挂钩14，滑道15，滑道横向滑轮16，底板框架17，底板18，顶板19，热电偶布置口20，喷淋系统喷头布置口21，螺杆22，油盘23，电缆架24，小车主体25，预留插槽26，变频水泵27，水管28，喷头29。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实施例1-模拟细水雾系统对管廊电缆火灾烟气扩散和火灾控制的影响

先进行前期准备，检查装置各部件是否运行正常。调节装置达到设定好的火灾场景，模拟电缆单点火源的综合管廊的火灾工况。火灾规模设定为小规模火灾。

实验中，将火源置于管廊中部。按操作规范启动各测试系统，启动计算机开始温度数据采集，油盘23内加入配好的燃料，放至小车主体25中，多层电缆架24架设电缆，待测试系统运行稳定后点燃油盘23中的燃料，用油盘火引燃电缆，待油盘23中燃料燃烧殆尽并引燃电缆后，观察电缆火燃烧特性和烟气蔓延特性。在两根滑道15上分别放置小车主体25和架设电缆，一侧小车主体25设置油盘23模拟火源，研究电缆火对非火源侧的影响情况，如图8所示。启动灭火系统，研究细水雾自动灭火系统运行特征。记录整个燃烧过程的各类试验数据。细水雾系统的出水量由变频水泵27提供的水头压力进行调节。变频水泵27的水头压力为0～0.1MP，可实现对不同火源功率进行灭火情况的模拟。本次实验模拟细水雾系统对火灾烟气运动和火势控制的影响。管廊模型采用多节矩形主管廊5通过连接口8连接构成，通风模式采用自然通风，矩形主管廊5首端连接变频风机1，末端设置预留竖井或烟道连接口11。细水雾启动时间滞后于电缆火稳定时间10s，该时间由实验观察确定。共分3组工况，第一组工况，细水雾系统的喷头29位于火源的正下方；第二组工况，移动小车主体25位置，细水雾喷头29位于火源下游0.5m处；第三组细水雾的喷头29位于火源上游0.5m处；观察细水雾系统启动后火源的发展情况以及烟气扩散的变化情况，通过所得的实验数据比较分析细水雾系统的设置及通风模式的不同对管廊火灾及烟气运动的影响。

实施例2–研究管廊在不同通风模式和不同坡度下的烟气蔓延特征

先进行前期准备，检查装置各部件是否运行正常。根据通风模式需要连接多段矩形主管廊5，分别模拟以下三种通风模式与不同坡度组合，模拟单点火源的综合管廊的火灾工况。火灾规模设定为小规模火灾。通过千斤顶12改变管廊末端高度，模拟不同坡度。

通风模式a：通风模式采用两侧进风中间排风；管廊采用多节矩形主管廊5连接构成，两端分别连接变频风机1，中段矩形主管廊5顶部留竖井或排烟道连接口11连接排烟设备。俯视图如图10所示。

通风模式b：通风模式采用中间进风两侧排风；管廊采用多节矩形主管廊5连接构成，两端连接排烟设备，中段矩形主管廊5顶部竖井或排烟道连接口11连接变频风机。

通风模式c：通风模式采用一侧进风一侧排风；管廊采用多节矩形主管廊5连接构成，一端设变频风机1，另一端连接排烟设备。

实验中，小车主体25上设油盘23，加入事先配比好的燃料，小车主体25置于滑道15，调节位置。按操作规范启动各测试系统，启动计算机开始温度数据采集，启动变频风机1及排烟设备，设备稳定后点燃油盘23中的燃料，透过防火玻璃窗4观察不同时间段烟气蔓延情况，并记录温度数据。

实施例3-模拟双舱或多层管廊结构下的管廊火灾温度分布及火灾控制

实验前期的准备工作完成后，为模拟双舱管廊结构下的管廊火灾温度分布及火灾控制，将事先准备好的两个管廊模型的单独模块通过图9a的方式进行组装拼接，在连接处进行固定，两个管廊内分别布设温度探测设备。实验中，将固定火源通过小车主体25置于管廊中部，设定火灾规模为小火灾规模，管廊坡度为0°，通风风速为0m/s。在一条管廊靠近另一条管廊一侧点火，启动数据探测记录设备，观察管廊火灾对临近管廊温度分布的影响。

改变两个管廊模型单独模块的连接方式，改为上下连接模拟双层管廊特性分析。将事先准备好的两个管廊模型如图9b的方式进行组装拼接，连接处进行固定。通过对上层管廊底板18进行设计切割，确保下层管廊顶板预留竖井或排烟道连接口11与上层相通，上层管廊顶板竖井或排烟道连接口11能正常工作，竖井处断面图如图9b所示。灭火系统于火源稳定10s后启动。或于预留竖井或排烟道连接口11位置或者管廊两端安装变频风机1，通过风机组启闭模拟不同的通风方式。观察灭火系统启动后火源的发展情况和烟气扩散的变化情况，主要观察在双层管廊这一特殊综合管廊结构下，底层管廊的烟气由风井通过上层管廊有效排出，将所得的实验数据进行分析，得出双层管廊结构中其底层管廊发生火灾时管廊内烟气的扩散规律及火灾控制效果。

Claims (6)

1.一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置，其特征在于：包括变频风机(1)，盲板(2)，转动铰链(3)，防火玻璃窗(4)，矩形主管廊(5)，支撑杆(6)，底座(7)，主管廊连接口(8)，预留挡板插槽(9)，挡板(10)，预留竖井或排烟道连接口(11)，千斤顶(12)，钢架结构(13)，挂钩(14)，滑道(15)，滑道横向滑轮(16)，底板框架(17)，底板(18)，顶板(19)，热电偶布置口(20)，喷淋系统喷头布置口(21)，螺杆(22)，油盘(23)，电缆架(24)，小车主体(25)，预留插槽(26)，变频水泵(27)，水管(28)，喷头(29)；矩形主管廊(5)至少有两段，变频风机(1)通过盲板(2)与第一段矩形主管廊(5)的前端相连，第二段矩形主管廊(5)末端上方预留竖井或排烟道连接口(11)；各个矩形主管廊(5)两端均可通过主管廊连接口(8)连接以实现矩形主管廊(5)长度变化和预留竖井或排烟道连接口(11)的相对位置变化；第一段管廊入口端和最后一段管廊末端设有预留挡板插槽(9)，可插入挡板(10)封闭，用于模拟管廊封闭条件下火灾情况；第一段矩形主管廊(5)通过转动铰链(3)固定在支撑杆(6)的上端，支撑杆(6)与底座(7)相连；最后一段矩形主管廊(5)通过钢架结构(13)连接于千斤顶(12)的顶部，通过调节千斤顶(12)改变矩形主管廊(5)末端的高度，模拟不同坡度的情况；矩形主管廊(5)顶部设有热电偶布置口(20)和喷淋系统喷头布置口(21)，热电偶布置口(20)用于布置热电偶束测温，喷淋系统喷头布置口(21)用于布置灭火喷头(29)；喷头(29)通过水管(28)与变频水泵(27)相连；矩形主管廊(5)外侧设有防火玻璃窗(4)用于观察管廊内部烟气蔓延情况；矩形主管廊底部由底板框架(17)和底板(18)组成，底板框架(17)和底板(18)一侧旋转固定，另一侧可通过挂钩(14)固定，底板框架(17)与矩形主管廊(5)底部固定连接，底板框架(17)上沿主管廊方向通过滑道横向滑轮(16)连接两条平行的滑道(15)，滑道(15)之间的距离可通过滑道横向滑轮(16)改变；小车主体(25)设有油盘(23)和电缆架(24)；油盘(23)中根据需要可以加入不同种类不同数量的燃料，电缆架(24)沿主管廊方向长于油盘(23)，用于架设较长电缆以研究其延燃特性；油盘(23)和电缆架(24)可以插入小车不同高度预设插槽(26)中，可以架设多层电缆架(24)以研究不同层电缆之间火灾蔓延情况，小车主体(25)放在滑道(15)上，小车主体(25)底部有可拆卸螺杆(22)用于调节小车在滑道(15)上的位置，调整完毕后拆下螺杆(22)，闭合底板(18)；

矩形主管廊(5)采用并排、叠加的方式模拟单舱、多舱、单层、多层形式的综合管廊模拟，每个单独的矩形主管廊(5)通过滑扣、铰链的方式相组合。

2.根据权利要求1所述的一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置，其特征在于：设置了能够提供矩形主管廊内纵向风速范围在0～6m/s的变频风机(1)。

3.根据权利要求1所述的一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置，其特征在于：所述的矩形主管廊(5)每个侧面各设有n个防火玻璃窗(4)，n≥3。

4.根据权利要求1所述的一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置，其特征在于：设置了能够为矩形主管廊(5)提供0～15°坡度的千斤顶。

5.根据权利要求1所述的一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置，其特征在于：设置了可提供0～0.1MP压力的变频水泵(27)。

6.根据权利要求1所述的一种组合式地下管廊空间火灾安全研究模型装置，其特征还在于：所述的矩形主管廊(5)可以进行结构叠加，个数为k，k≥2。

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