CN111024756A - 高海拔隧道火灾热释放率的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高海拔隧道火灾热释放率的获得方法。包括：建立移动模型隧道火灾试验平台，分别在不同海拔高度对相同和不同油盘尺寸和燃料体积的油池进行火灾现场试验测试；通过测得油池在不同海拔高度的质量损失率，得到随海拔而变化的燃烧效率；以低海拔平原地区为基础，获得低海拔平原地区基础热释放率与不同海拔隧道热释放率的变化规律，并根据随海拔变化的燃烧效率，表示为相应的计算式。本发明通过移动模型隧道火灾试验平台，在不同海拔高度进行火灾现场试验研究；通过测得油池的质量损失率，和基于随海拔而变化的燃烧效率，得到各高海拔火灾热释放率及其火灾热释放率与海拔高度的关系；本发明为不同海拔隧道火灾设计提供了依据。

Description

高海拔隧道火灾热释放率的获得方法

技术领域

本发明属于隧道建设防火设计技术领域，具体涉及高海拔隧道火灾热释放率的获得方法。

背景技术

随着国家西部大开发的不断推进和完善，一些高原隧道建设项目已逐步进入实施阶段，海拔超过3500m的高海拔公路隧道也不断涌现出来。如海拔3900m的四川雅克夏雪山隧道，海拔4060m的云南白茫雪山隧道，海拔高达4499m的青海长拉山隧道。与平原隧道相比，高海拔隧道内存在几个显著的环境特征：气压低，含氧量少，气温低。这些特征势必将极大的改变隧道火灾燃烧与烟气扩散特性，对隧道防灾疏散工程带来一系列新的挑战。

现有的研究主要是针对平原地区的隧道火灾燃烧的基本特性，而对高海拔隧道火灾的研究极其缺乏。现有研究通过数值模拟和试验研究得到高海拔隧道在一定火源规模下的温度分布特性、烟气蔓延特征。但仍未有对于海拔高度对火源规模变化影响的研究，未得到高海拔隧道火灾热释放率的获得方法。这对高海拔隧道防灾设计及人员疏散安全产生严重的影响。

发明内容

本发明提供的高海拔隧道火灾热释放率的获得方法，目的是研究不同海拔隧道火灾热释放率的变化，为高海拔隧道防灾设计提供依据，进一步提高高海拔隧道设计的科学性、安全性。

本发明通过以下技术方案实现：

建立了一个移动模型隧道火灾试验平台，分别在不同海拔高度进行火灾现场试验，并分别在不同海拔高度对相同和不同的油盘尺寸和燃料体积条件下的油池，进行了火灾燃烧和烟气温度分布的研究。

通过获得油池的质量损失率，和基于随海拔而变化的燃烧效率，得到不同海拔火灾热释放率及其变化规律，不同海拔高度下热释放率与平原海拔504m时热释放率的比值，该比值与油池尺寸无关。.

不同海拔隧道火灾热释放的变化规律用下式表示：

式中，Q₀为基础海拔地区相同火源火灾热释放率，kW；H_Al为海拔高度，km。

其中，基础海拔地区隧道火灾热释放率的获得用下式表示：

式中，η为燃烧效率；

为质量损失率，kg/m².s；△H_c,eff为有效燃烧热值，kJ/kg。

本发明各海拔高度隧道的火灾热释放率通过以下实验平台获得。本发明建立的移动模型隧道火灾试验平台以典型双车道公路隧道为原型，相似比为1:16。平台模型全长为8.5m，断面尺寸为宽600mm，高440mm。考虑到本次试验需要在多个地点现场进行，为方便拆卸，本次试验将模型设置为7节，其中包含5节1.5m的区段和两节0.5m长的区段，同时为确保各地区试验台纵向均为水平布置，即排除坡度影响，模型隧道保持坡度为0不变，试验模型放置于可上下调节高度的试验台架上。

为确保能达到还原不同海拔地区的环境的真实场景，采用在不同海拔高度地区现场模型试验的方式对超高海拔公路隧道火灾基本燃烧特性展开研究，本发明选择以成都平原海拔504m为基础，分别在海拔3297m、3544m、4103m、4446m等地区现场展开了现场火灾模型试验。

试验平台采用2mm的钢板制作，由于钢铁散热较快，且混凝土重量过大，故在钢板外侧附上30mm厚的耐火阻热材料硅酸铝针刺毯，以代替实际隧道中的衬砌实现隔热功能。另外试验台火源附近一侧设置12mm防火玻璃，以观测火源情况。在该试验平台中，采用典型油池火模拟火源，火源位于隧道正中央，油盘底部距模型隧道底部2cm，油池高度为40mm，厚度为2mm，油盘尺寸为100mm×100mm和130mm×130mm。燃料选取车辆主要燃料92#汽油。

在模型平台主体外部底侧，油池正下方处安装有可动态实时称量型电子天平。通过测试燃料的质量损失速率来评判燃料燃烧速率，测量仪器型号为华志双量程、精密型HZY-B5000。电子天平测试数据通过天平标配的RS232通讯接口与计算机连接，实时传递数据，然后通过计算机上的数据采集软件实时采集记录并存储数据。

在计算热释放率时，燃烧效率0.75是按照平原测试的结果得出，根据现有的研究，在油池尺寸相同时，两地燃烧效率之比与两地压强之比大致相同。基于此，可以得到油池在高海拔地区的燃烧效率。

高海拔处相同火源火灾热释放率的获得方法为：

式中，Q₀为平原地区处相同火源火灾热释放率，kW；H_Al为海拔高度，km。

本发明有益性：本发明建立了一个移动模型隧道火灾试验平台，并分别在不同海拔高度对相同和不同的油盘尺寸和燃料体积条件下的油池，进行了火灾燃烧和烟气温度分布的现场试验研究；通过测得油池的质量损失率，和基于随海拔而变化的燃烧效率，得到各高海拔火灾热释放率及其火灾热释放率与海拔高度的关系；并提出不同海拔高度下热释放率与平原时热释放率的比值与油池尺寸无关。本发明为不同海拔隧道火灾设计提供了依据。

附图说明

图1是本发明的移动模型隧道火灾试验平台示意图，单位：mm，图中，A是油盘，B是电子天平；

图2是图1中隧道主体的断面图，单位：mm；

图3是图1中两种油盘尺寸示意图，单位：mm；

图4是100mm×100mm油盘不同海拔条件下火源热释放率曲线；

图5是130mm×130mm油盘不同海拔条件下火源热释放率曲线；

图6是海拔高度与热释放率的比值。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

实施例：

本发明通过建立了移动模型隧道火灾试验平台，分别在不同海拔高度对相同油盘尺寸和燃料体积条件下的油池，进行了火灾现场试验研究测试；通过测得油池的质量损失率，得到不同海拔火灾热释放率；并以基础海拔获得的火灾热释放率为基础获得不同海拔高度下热释放率。

不同海拔隧道火灾热释放率的获得方法具体包括：

(1)以低海拔平原地区为基础，本例以成都平原海拔504m为基础，获得隧道火灾热释放率的方法为：

采用燃料质量损失率方法获得火灾热释放率，式中，η为燃烧效率；

为质量损失率，kg/m².s；△H_c,eff为有效燃烧热值，kJ/kg。

根据(2)式，可得出对于同种燃料相同的燃烧热值△H_c,eff的条件下，影响火灾热释放率大小的主要因素为燃烧效率η和质量损失率

高海拔条件下气压低、含氧量少、气温低的环境特征，将直接影响燃料燃烧时的燃烧效率和质量损失率。因此，本例以平原地区隧道火灾燃烧效率η和质量损失率

为基准，对不同海拔高度的隧道火灾燃烧效率η和质量损失率

进行系统研究，提出适用于高海拔火灾热释放率的确定方法。

(2)建立移动模型隧道火灾试验平台，在不同海拔高度开展火灾热释放率测试试验。

参考图1、图2，本例所提出一种小尺寸移动模型隧道火灾试验平台，试验平台包括：隧道主体、火源装置；其中，隧道主体包含依次拼接的多节子隧道，其中包含5节1.5m的区段和两节0.5m长的区段，全长为8.5m。隧道主体宽600mm，高440mm，以典型双车道公路隧道为原型，相似比为1:16。隧道主体采用2mm的钢板制作，在钢板外侧附上30mm厚的硅酸铝针刺毯，硅酸铝针刺毯是一种优良的耐火阻热材料，具有重量轻、耐高温、绝热性能良好等优点。另外试验台火源附近一侧设置12mm防火玻璃，以观测火源情况。

参考图3，在该试验平台中，采用典型油池火模拟火源，火源位于隧道正中央，油盘底部距模型隧道底部2cm，油池高度为40mm，厚度为2mm，油盘尺寸为100mm×100mm和130mm×130mm。燃料选取车辆主要燃料92#汽油。在隧道主体外部底侧，油池正下方处安装有可动态实时称量型电子天平。电子天平测试数据通过天平标配的RS232通讯接口与计算机连接，实时传递数据，然后通过计算机上的数据采集软件实时采集记录并存储数据。

为确保能达到还原不同海拔地区的环境的真实场景，采用在不同海拔高度地区现场模型试验的方式对超高海拔公路隧道火灾基本燃烧特性展开研究，分别在成都平原海拔504m、海拔3297m、3544m、4103m、4446m等地区现场展开了现场火灾模型试验测试。

依据上述模型和方法，得到各工况相应的质量损失率，并确定不同海拔高度的燃烧效率。

在计算热释放率时，燃烧效率0.75是按照平原测试的结果得出，根据现有的研究，在油池尺寸相同时，两地燃烧效率之比与两地压强之比大致相同。基于此，可以得到油池在高海拔地区的燃烧效率。如图4、图5所示分别为100mm×100mm油盘在海拔504m、3544m、4103m条件下的火源热释放率，130mm×130mm油盘在海拔504m、3297m、4446m条件下的火源热释放率.

(3)根据上述试验和燃烧效率，得到高海拔处相同火源火灾热释放率。从试验结果可以看出，海拔高度对热释放率的影响，即海拔高度对质量损失速率以及燃烧效率的影响。

通过将平原地区与不同海拔地区试验获得的热释放率进行拟合，得到高海拔处相同火源火灾热释放率的获得方法。不同海拔高度下热释放率与平原504m时热释放率的比值，该比值与油池尺寸无关。如图6所示。

式中，Q₀为平原地区处相同火源火灾热释放率，kW；H_Al为海拔高度，km。式中需要获得隧道所在的海拔高度H_Al；并获得相同火源在平原地区的隧道内发生火灾时的热释放率Q₀。热释放率Q₀采用燃料质量损失率方法获得。

Claims (5)

1.高海拔隧道火灾热释放率的获得方法，其特征在于：建立移动模型隧道火灾试验平台，并分别在不同海拔高度对相同和不同尺寸和燃料体积条件下的油池进行火灾燃烧和烟气温度分布数据获取；通过获得油池的质量损失率，和基于随海拔而变化的燃烧效率，得到不同海拔火灾热释放率及其变化规律。

2.根据权利要求1所述的高海拔隧道火灾热释放率的获得方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立移动模型隧道火灾试验平台，分别在不同海拔高度进行火灾现场试验，测试各海拔高度下相同和不同油池的燃烧特性；

(2)通过测得油池在不同海拔高度试验平台隧道的质量损失率，得到随海拔而变化的燃烧效率；

(3)以低海拔平原地区为基础，获得低海拔平原地区基础热释放率与不同海拔隧道热释放率的变化规律，并根据随海拔变化的燃烧效率，表示为相应的计算式。

3.根据权利要求2所述的高海拔隧道火灾热释放率的获得方法，其特征在于：所述试验平台包括：隧道主体、火源装置；其中，隧道主体包含依次拼接的多节子隧道，多节子隧道包括5节1.5m长中间区段和两节0.5m长的两端区段，全长为8.5m。

4.根据权利要求3所述的高海拔隧道火灾热释放率的获得方法，其特征在于：所述隧道主体宽600mm，高440mm，为双车道公路隧道模型；隧道主体采用2mm的钢板制作，在钢板外侧附上30mm厚的硅酸铝针刺毯，试验平台火源一侧设置12mm防火玻璃。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高海拔隧道火灾热释放率的获得方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(51)建立移动模型隧道火灾试验平台，并分别在不同海拔高度对相同油盘尺寸和燃料体积条件下的油池进行火灾现场试验测试；

(52)以低海拔成都平原504m为基础，获得海拔504m基础隧道的燃料质量损失率，并通过在不同海拔高度隧道试验获得不同海拔相同油池的燃料质量损失率；

(53)基础隧道火灾热释放率由下式表示：

式中，η为燃烧效率；

为质量损失率，kg/m².s；△H_c,eff为有效燃烧热值，kJ/kg；

(54)分别在海拔3297m、3544m、4103m、4446m地区现场进行模型隧道火灾试验平台测试；得到各工况相应的质量损失率，并确定不同海拔高度的燃烧效率；

(55)以低海拔成都平原504m为基础，获得基础热释放率与不同海拔隧道热释放率的变化规律，并根据随海拔变化的燃烧效率，表示不同海拔地区热释放率Q为：

式中，Q₀为平原地区处相同火源火灾热释放率，kW；H_Al为海拔高度，km。

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