CN112986173B - 超高海拔隧道火灾一氧化碳浓度的获得方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高海拔隧道火灾燃烧一氧化碳的获得方法。通过建立试验平台，并进行火灾燃烧数据获取试验；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，利用相似关系得到隧道热释放率；同时，通过获得模型隧道火灾试验平台的一氧化碳体积浓度，利用相似关系得到隧道一氧化碳体积浓度；最后得到不同海拔火灾热释放率和一氧化碳体积浓度并拟合得到不同海拔高度隧道火灾热释放率与一氧化碳浓度的变化规律。本发明提供了一种获得不同高海拔地区公路隧道火灾燃烧时的一氧化碳浓度的方法，为后续高海拔地区公路隧道疏散救援及防灾减灾的研究提供思路，指导高海拔地区公路隧道救援防灾通风系统的设计，进一步保障高海拔隧道的运营安全。
Description
技术领域
本发明属于隧道防灾减灾技术领域，具体涉及一种超高海拔隧道火灾燃烧一氧化碳浓度的获得方法。
背景技术
近年来，高海拔地区的公路交通事业得到了蓬勃发展，作为公路路线的重要组成部分，公路隧道的建设取得了巨大的成就。我国西部及西南部的山岭地区分布着大量的高海拔公路隧道，当火灾发生时，高海拔公路隧道的疏散救援及防灾减灾是面临的首要问题。
高海拔公路隧道所在地区具有显著的低压、低温、低氧的特点，其隧道疏散救援及防灾减灾设计与平原地区隧道必存在明显差别。国内外学者对高海拔地区公路隧道火灾燃烧一氧化碳浓度的研究较缺乏，而一氧化碳浓度是隧道通风设计的关键卫生指标，也是隧道设计中火灾人员能够及时疏散的重要指标，因此，确定高海拔地区公路隧道火灾燃烧时生成的一氧化碳浓度尤为重要。
发明内容
本发明公开了一种超高海拔隧道火灾燃烧一氧化碳的获得方法。本发明提供了一种获得不同高海拔地区公路隧道火灾燃烧时的一氧化碳浓度的方法，本发明方法针对目前高海拔地区公路隧道火灾燃烧一氧化碳浓度研究的空白，为后续高海拔地区公路隧道疏散救援及防灾减灾的研究提供思路，指导高海拔地区公路隧道救援防灾通风系统的设计，进一步保障高海拔隧道的运营安全。
本发明通过如下技术方案实现：
超高海拔隧道火灾一氧化碳浓度的获得方法，通过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油池进行火灾燃烧数据获取试验；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，利用相似关系得到隧道热释放率Q；同时，通过获得模型隧道火灾试验平台的一氧化碳体积浓度，利用相似关系得到隧道一氧化碳体积浓度C；最后得到不同海拔火灾热释放率Q和一氧化碳体积浓度C并拟合得到不同海拔高度隧道火灾热释放率Q与一氧化碳浓度C的变化规律。
所述不同海拔高度隧道火灾热释放率Q与一氧化碳浓度C的变化规律由下式表示：
其中，C为一氧化碳体积浓度，单位PPM；Q为热释放率，单位MW；H为海拔高度，单位km。
本发明上述相似关系是利用基于弗劳德准则得到的实际和模型实验的热释放率和一氧化碳体积浓度之间的相似关系。
所述移动模型隧道火灾试验平台模型尺寸按照1：16的比例尺制作，油盘尺寸设置为100mm×100mm，燃料可选用92#汽油，布置在模型隧道断面中部，如图1、图2所示。正下方安装可实时测量油盘中燃料质量的电子天平，红外一氧化碳检测仪的探针安装在距隧道模型中部2.5m的顶部。
本发明为了考虑海拔对一氧化碳体积浓度的影响，分别在504m、3297m、3544m、4103m、4446m的海拔高度开展了现场火灾实验。
本发明有益性：本发明方法获得了公路隧道发生火灾时，一氧化碳体积浓度与隧道海拔高度和火灾发生源的关系，反映了火灾燃烧时生成的一氧化碳浓度随海拔高度的变化，可用于获得高海拔地区公路隧道火灾燃烧时产生的一氧化碳体积浓度；本发明还公开了利用隧道模型对不同海拔高度隧道火灾模拟的方法。本发明为高海拔地区公路隧道救援防灾通风系统的设计提供科学依据，为公路隧道疏散救援及防灾减灾的研究设计提供思路。
附图说明
图1是本发明移动隧道火灾实验模型示意图，图中，Y是油池；
图2是本发明移动隧道火灾实验模型隧道断面示意图；
图3是实施例获得的504米海拔高度一氧化碳浓度随时间变化点线图；
图4是实施例获得的504米海拔高度燃料质量损失率随时间变化折线图；
图5是实施例获得的3544米海拔高度一氧化碳浓度随时间变化点线图；
图6是实施例获得的3544米海拔高度燃料质量损失率随时间变化折线图；
图7是实施例获得的4103米海拔高度一氧化碳浓度随时间变化点线图；
图8是实施例获得的4103米海拔高度燃料质量损失率随时间变化折线图；
图9是归一法后一氧化碳浓度/质量损失率随海拔高度变化函数图；
图10是不同类型车辆在平原500米海拔发生火灾时生成的一氧化碳浓度与热释放率的关系；
图11是小汽车在不同海拔高度下发生火灾时生成的一氧化碳浓度。
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。
结合附图，本发明为研究获得超高海拔隧道火灾一氧化碳浓度，选取典型双车行道公路隧道，按照1：16的相似比建立移动隧道火灾实验模型。隧道模型示意图见附图1，模型长8.5m，为方便运输，由5节1.5m的区段和2节0.5m的区段拼接而成，实验前对接缝处进行密封处理。隧道模型断面形状图见图2，隧道模型断面宽0.6m，高0.4m。
为确保隧道模型纵向均为水平布置，排除坡度的影响，隧道模型放置于可调节高度的试验台架上。模型四周由耐火阻热材料硅酸铝针刺陶瓷纤维耐火毛毯包裹，厚度为30mm，以模拟实际隧道中衬砌环境的隔热效果。
考虑了实际火灾的规模，选取10MW为原型的热释放率，通过相似理论计算得到模型的热释放率Q，从而设计实验所需的油盘尺寸，油盘Y尺寸设置为正方形100mm×100mm，布置在隧道断面中部，正下方安装可实时测量油盘中汽油质量的电子天平，型号为华志双量程、精密型HZY-B5000，测试数据通过标配的RS232通讯接口与计算机连接，实时记录数据。
红外一氧化碳检测仪的探针安装在距隧道模型中部2.5m的顶部，烟气可通过探针的软管进入到烟气分析箱，烟气分析箱采集的数据可传输至电脑，红外一氧化碳检测仪的型号为testo350，其由三个部分组成：手操器、烟气分析箱和烟气探针，手操器小巧方便，可远距离操作烟气分析箱并进行数据处理，烟气分析箱的传感器腔室与仪器其他元件是热隔离的，有效减少由热影响造成的传感器飘移，稳定性较高。
分别在504m(平原)、3297m、3544m、4103m、4446m的海拔高度开展了现场火灾实验。
在火灾实验中，刚开始一氧化碳体积浓度随时间剧烈增大。随后，一氧化碳体积浓度趋于平缓，尽管有波动，但不影响其趋势，重点关注的是趋于平缓这一段的曲线，其对应实际火灾发生后隧道内人员的逃生时期，所以选取中期阶段的一氧化碳浓度值并取平均值。最后，一氧化碳体积浓度达到峰值但很快消减至零。实验数据见图3至图8。
对实验数据进行整理分析，可得到模型的一氧化碳体积浓度Cm、汽油质量损失率
和海拔高度之间的变化规律，获得模型热释放率Qm与燃料质量损失率
的计算公式：
式中：Qm为模型火灾实验的热释放率；
为模型火灾实验的燃料质量损失率；η为燃烧效率；ΔHc，eff为有效燃烧热值，取值为43700kJ/kg。
隧道火灾烟气遵守弗劳德准则，根据弗劳德准则可以得到实际和模型实验的热释放率和一氧化碳体积浓度之间的相似关系：
通过对实验数据的处理，拟合得到一氧化碳体积浓度、质量损失率和海拔高度之间的关系，将质量损失率用热释放率代替，将实验模型的参数转换为原型的参数，最终可得到计算式：
式中：C为一氧化碳体积浓度，PPM；Q为热释放率，MW；H为海拔高度，km。
采用国际道路协会PIARC发布的不同车辆的热释放率Q参考值对本发明获得方法进行了对比比较：
国际道路协会PIARC发布的报告《Fire and Smoke Control in Road Tunnels05.05.B》(1999)，其给出的不同车辆的热释放率Q参考值及其对应平原火灾燃烧时隧道内的一氧化碳体积浓度，见表1：
表中给出了小汽车的热释放率参考值，采用本发明方法计算可以获得平原隧道火灾燃烧时，小汽车的一氧化碳体积浓度分别为：226.724PPM，如图10所示，与PIARC发布的报告中的参考值相近。
Claims (2)
1.超高海拔隧道火灾一氧化碳浓度的获得方法，其特征在于：通过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油池进行火灾燃烧数据获取试验；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，利用相似关系得到隧道热释放率Q；同时，通过获得模型隧道火灾试验平台的一氧化碳体积浓度，利用相似关系得到隧道一氧化碳体积浓度C，所述相似关系是基于弗劳德准则得到的实际和模型实验的热释放率和一氧化碳体积浓度之间的相似关系；最后得到不同海拔火灾热释放率Q和一氧化碳体积浓度C并拟合得到不同海拔高度隧道火灾热释放率Q与一氧化碳浓度C的变化规律；并由下式表示：
其中，C为一氧化碳体积浓度，单位PPM；Q为热释放率，单位MW；H为海拔高度，单位km。
2.根据权利要求1所述的超高海拔隧道火灾一氧化碳浓度的获得方法，其特征在于：所述移动模型隧道火灾试验平台模型尺寸按照1：16的比例尺制作，油盘尺寸设置为100mm×100mm，布置在模型隧道断面中部，正下方安装可实时测量油盘中燃料质量的电子天平。
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