CN113516880A - 一种集中排烟模式下可变v形隧道火灾模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，能够进行不同坡度、火源功率、位置、纵向风速和排烟口参对V形隧道火灾烟气扩散特性和控制的实验研究。实验装置包括隧道主体、独立排烟系统、纵向通风系统、火源系统和监测系统。隧道主体由平坡段、两侧斜坡段组成，斜坡段由若干个子隧道拼接而成，调节隧道末端液压升降柱高度，控制隧道两侧坡度呈V形隧道。独立排烟系统与隧道主体之间自由连接，方便根据需要设计排烟口的参数。纵向通风系统方便调节风速和高度，火源系统为气体火源功率控制稳定可调整高度。本装置结构简单，操作方便，实验范围广，是研究复杂竖线隧道烟气扩散特性及控制技术的基础。

Description

一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置

技术领域

本发明涉及火灾安全技术领域，具体涉及为一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置。

背景技术

由于公路隧道，隧道狭长，空间封闭的结构特殊性，通风排烟条件受到限制。公路隧道发生火灾时，产生的有毒烟气以及高温是导致人员伤亡和财产损失的主要原因。因此对隧道火灾时其烟气控制和隧道内温度的分布的研究具有重要的意义。

随着城市的发展，地下隧道建设成为解决地面交通拥堵的一个重要方案，城市下穿河底隧道则需设置V形坡，另外由于地下空间规划原因，后建隧道需要穿越已有的地下空间设施时需要设置V形坡。不同坡形和变坡点处坡差等因素增加了隧道火灾条件下烟气控制的不确定性，因此，开展对V形隧道烟气温度分布的研究非常必要。

目前隧道火灾的通风排烟方式主要有纵向通风排烟和集中排烟两种。集中排烟是利用隧道拱顶设置顶隔板形成独立排烟道进行排烟，发生火灾时，将火源附近排烟阀开启从而将烟气控制在火源上下游一定范围内。国外的隧道大多采用集中排烟方式，像英国Mersey隧道、瑞士Giswil隧道和勃朗峰隧道等等，国内公路山岭隧道普遍采用纵向排烟模式，近些年随着对集中排烟的推广，越来越多的隧道采用集中排烟，如上海长江隧道、浙江的括苍山隧道等等。随着国内长大坡度的特长公路隧道大量涌现，由于特长公路隧道火灾条件下存在的诸多问题如纵向通风模式下游人员疏散困难、烟气控制难度大等问题。为解决上述问题，城市特长隧道出现一种新的组合通风排烟方式，即采用独立排烟道独立排烟+纵向诱导风相结合的排烟模式，能够将烟气控制在一定范围内而且由于是顶部排烟可以维持有效的烟气层高度，便于车辆和人员安全疏散。

国内外对于隧道火灾领域的研究手段主要有：理论分析方法、数值模拟方法和实验研究方法。理论分析是通过自然科学理论将是数值模拟或者实验研究得到的火灾现象进行整理、归纳、总结得到火灾现象中各因素之间的关系。随着计算机技术的发展，数值模拟方法是研究火灾现象的有效手段之一。数值模拟方法是基于数学物理模型和学者总结的经验公式，通过计算机定量计算模拟火灾现象的一种方式。长期以来，实验研究方法一直是研究火灾现象的重要手段，实验研究方法一般分两种方式：大尺寸及全尺寸实验研究和小尺寸实验研究。

在实验研究中，创建全尺寸及大尺寸实验需要耗费大量的人力物力，而小尺寸实验以相似性原理为依托具有真实性，且在人力物力空间时间上具有优势，因此小尺寸实验在国内得到广泛的应用。目前，小尺寸模型实验的隧道模型多集中在水平隧道和单坡度隧道，研究侧重隧道内纵向通风的临界风速，隧道宽度、坡度以及火源位置对隧道内火灾烟气蔓延的影响。采用的模型隧道的实验工况较单一，平直隧道居多，坡度可调多为单侧坡度，研究的通风排烟方式多数考虑纵向排烟，研究结果难以用于V形坡隧道的防排烟系统设置及安全疏散。

由于V形坡隧道变坡点两侧均为坡度隧道，双坡隧道的烟囱效应对烟气的运动有竞争关系，使隧道内的烟气运动与其他坡形隧道存在差异。关于V形坡隧道内的温度分布、烟气运动规律及烟气控制的研究较少涉及，而城市地下隧道V形坡在双坡耦合作用下烟气运动更为复杂，火源位置的随机性也增加了烟气运动的不确定性，使得烟气的控制难度更大。目前对于城市地下隧道，考虑安全因素，重点排烟模式已经成为防排烟系统的主流形式，故亟需对V形坡隧道的烟气控制和排烟效果开展相关的实验研究。需要建立双侧坡度可调以及集中排烟+纵向诱导风速相结合方式的排烟装置研究，需要重点考虑坡度以及排烟阀设置对火灾烟气蔓延的影响。

发明内容

为解决上述现存的技术问题，本发明提供一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置。能够在实验中研究在集中排烟模式下，火源两侧隧道坡度可调呈V形的隧道火灾烟气蔓延规律。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，包括隧道主体、独立排烟系统、纵向通风系统、火源系统和监测系统。

所述隧道主体由V形隧道坡度段、两端可变坡度隧道段和底部调节支座组成。所述隧道坡底段为隧道中部隧道，与两侧可变坡段通过软管连接，所述可变坡度隧道段由多个隧道模块拼接而成，隧道模块之间通过法兰密封连接，方便调节隧道长度。所述隧道模块由金属框架和金属板组成，一侧安装观察窗、材质是透明防火玻璃，便于观察隧道内火灾现象，且通过固定锁自由开闭，方便实验操作，另一侧金属板内开有热电偶探测孔，底部金属板开设有长方形火源开口。其中隧道内部顶棚设置两条方形卡槽滑道，可与独立排烟道固定连接。所述调节支座为液压升降柱，升降柱与各段隧道底部安装有的销钉连接，分别调节各液压升降柱升降的高度，可实现隧道呈“V”形隧道。

所述独立排烟系统为单独的排烟通道，与隧道主体通过滑道自由连接，独立排烟道长度与两侧可变坡段隧道长度相同，独立排烟道的底部可根据需要设置排烟口大小、数量和间距，排烟道末端安装有排烟竖井和排烟轴流风机。独立排烟道顶部安装有T型卡槽，可与隧道顶部滑道镶嵌，固定在隧道内。隧道主体两侧具有相同的独立排烟系统。

所述纵向通风系统为隧道末端轴流风机、风速调节板和蜂窝器、调节支座组成，所述风速调节板由两块开口相同的薄板组成，通过转动其中一块金属薄板的调节手柄调节开口的相对开度，调节流量。所述蜂窝器位于风速调节器前端，风速调节板、轴流风机和蜂窝器依次连接与隧道段相连。所述调节支座由台座、内螺杆筒、螺杆和底座组成，转动螺杆可调节台座的高度，调节纵向通风系统的垂直高度。

所述火源系统由凹槽、多孔燃烧器、转子流量计、减压阀、供气管、调节支座和燃气瓶组成。所述多孔燃烧器放置在凹槽内通过隧道底板开口进入隧道，所述减压阀可控制气体的压力至稳定状态，所述转子流量计可控制气体流量，从而控制气体火源的功率，所述调节支座转动螺杆能够调整燃烧器高度。

所述监测系统包括温度监测系统和图像监测系统，所述温度监测系统由热电偶和数据采集装置，热电偶分布在隧道主体顶板下方3cm处和底板上方2m处的隧道纵向中心线上；所述图像监测系统，由激光片光源和数码摄像机组成，片光源放置在隧道纵向一端，观测烟气流动规律，摄像机通过隧道侧面玻璃对隧道内的实验现象进行记录。

本发明的一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置与现有的实验装置对比，其优势体现在：

(1)本发明的实验装置结构设计简单、操作方便、可重复性好，可实现多种隧道火灾工况下的真实场景，方便观察隧道火灾现象，对火灾烟气流动中温度分布规律、烟气层长度以及烟气控制等规律能进行高精度测量。

(2)本发明的实验装置的隧道两侧坡度变化灵活性高，隧道两端隧道的坡度调节方便，能呈现V形等多种坡度隧道，在隧道平坡隧道两侧通过软管连接两侧隧道，隧道平坡速调底部支柱高度不变，改变液压升降柱调节隧道两侧坡度，操作简单。

(3)本发明的实验装置的独立排烟系统与隧道主体方便拆卸，可进行不同排烟模式的实验，独立排烟道解决了排烟道与隧道主体连接漏风现象，可根据研究需要开启排烟道不同排烟口大小、数量以及间距等实验工况。

(4)本发明的实验装置的纵向通风系统灵活、调节便捷，转动调节手柄改变风速调节板开口的相对开度，能够得到不同的纵向通风速度，并经过风箱混合和蜂窝器得到均匀的平流风。

(5)本发明的实验装置的火源功率调节精确，采用气体火源，通过调节减压阀和转子流量计可以准确稳定控制气体火源功率，且火源位置能根据研究要求调节方便。

(6)本发明的实验装置实验范围宽广，可实现不同坡度、长度的V形坡隧道、火源功率以及火源位置的火灾工况，以及不同排烟阀参数的集中排烟和不同风速的纵向排烟下的通风排烟工况。可实现大量隧道火灾通风排烟工况下的实验研究。

附图说明

图1是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的整体示意图

图2是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的子隧道内部示意图

图3是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的隧道独立排烟系统示意图

图4是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的纵向通风系统示意图

图5是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的风速调节板示意图

图6是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的火源系统示意图

图7是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的热电偶布置测点示意图

图中标号：1-平坡隧道；2-观察窗；3-斜坡隧道模块；4-软管连接；5-固定支柱；6-液压升降柱；7-独立排烟道系统；8-纵向通风系统；9-激光片光源；10-数码摄像机；11-热电偶；12-火源系统；13-金属框架；14-金属板；15-紧固锁；16-滑道；17-火源开孔；18-热电偶探测孔；19-独立排烟道；20-排烟竖井；21-排烟轴流风机；22-排烟口；23-T型卡槽；24-轴流风机；25-风速调节板；26-调节手柄；27-风箱；28-蜂窝器；29-台座；30-螺纹杆；31-内螺纹筒；32-底座；33-风口；34-遮风板；35-凹槽；36-多孔燃烧器；37-供气管；38-转子流量计；39-减压阀；40-燃气罐；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，是本发明一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置的整体示意图，由平坡隧道1、观察窗2、斜坡隧道模块3、软管连接4、固定支柱5、液压升降柱6、独立排烟道系统7、纵向通风系统8、激光片光源9、数码摄像机10、热电偶11、火源系统12组成。主体隧道由平坡隧道1和若干个斜坡隧道模块3组成，隧道1、3都在同侧开设观察窗2，观察窗2为透明防火玻璃构建，方便观测记录火灾现象，且通过固定锁实现自由开闭，方便实验的操作。平坡段与斜坡段隧道通过软管4连接，斜坡子隧道3之间通过法兰连接。中间平坡隧道1底部四角通过螺栓与四个固定支柱5连接固定，两侧斜坡隧道模块末端隧道模块底部用销钉与液压升降柱6连接，液压升降柱通过调节高度改变两侧隧道的坡度。独立排烟道系统7与主隧道1通过滑道连接，拆分方便，可方便改变排烟道排烟阀大小、数量和间距。纵向通风系统8与隧道主体末端通过锁扣固定，需要纵向通风时安装在末端，不需要时可方便拆卸。火灾火焰和烟气的实验现象可通过图像系统记录，图像采集系统由激光片光源9和数码摄像机10组成，其中激光片光源通过支架固定在隧道末端，通过绿色激光可清晰观测烟气的运动轨迹，数码摄像机10位于隧道侧边，透过观察窗5记录隧道火灾现象和实验结果。热电偶11放置在隧道独立排烟道下方，火源系统12为气体火源，通过控制流量改变火源功率，多孔燃烧器通过隧道底部的开孔进入隧道。

如图2所示，是本发明的隧道模块内部示意图。本发明所述的隧道模块由金属框架13构成，框架四周由金属板14密封拼接，隧道模块一侧设置了观察窗5，材料为防火透明玻璃，观察窗可单独开启，关闭时通过紧固锁15与金属板14紧密连接。独立排烟道滑道16，与独立排烟道可滑动连接固定，方便独立排烟道与隧道拆卸。隧道模块底部开有火源开孔17可供火源系统12的多孔燃烧器嵌入隧道，其余的隧道模块底部火源开孔采用金属板封堵，隧道侧面开有热电偶探测孔18，便于热电偶与数据采集装置连接，连接后采用防火胶布封住开口，防止漏烟。

如图3所示，为本发明的独立排烟系统示意图，其中独立排烟道19为单独设置的排烟通道，排烟道四周由金属薄板密闭拼接，在排烟道端部连接有排烟竖井20和排烟轴流风机21，通过开启风机将隧道内烟气排出隧道，隧道主体两侧分别具有相同的独立排烟系统，排烟道底部开设有排烟口22，可根据研究要求设计排烟口大小、数量和间距等，排烟道顶部两侧焊接六个T型卡槽23，T型卡槽与子隧道顶部的滑道16形状相对应，通过滑道16将独立排烟道19固定在隧道顶部，需要进行集中排烟实验时，将独立排烟系统安装在隧道内，需要进行纵向通风排烟时，也方便拆除独立排烟道。

如图4所示，为本发明的纵向通风系统示意图，由轴流风机24、风速调节板25、调节手柄26、风箱27、蜂窝器28、台座29、螺纹杆30、内螺纹筒31和底座32组成。其中风速调节板由两块相同圆形薄板组成，且圆形薄板上开设有相同大小的扇形口，薄板侧面设有调节手柄26，通过调节手柄26转动风速调节板26其中一个圆形薄板调整两块圆板风门的相对开度，开启关闭轴流风机24可得到不同的风量和风速。经过风速调节板的纵向风在风箱27内混合，再通过蜂窝器28得到较均匀的纵向平流风，轴流风机、风速调节板、风箱和蜂窝器依次相连放置在台座29上，转动螺纹杆30和内螺纹筒31调节台座高度，固定在底座32上。

如图5所示，为本发明的风速调节板正面示意图，风速调节板是两块开有相同风口的金属薄板组成，其中风口33是四块相同的扇形开口，转动调节手柄26调节风口33和遮风块34的相对开度，得到不同的风流动面积。

如图6所示，为本发明的火源系统示意图，包括凹槽35、多孔燃烧器36、供气管37、转子流量计38、减压阀39及燃气罐40组成。多孔燃烧器36放置在凹槽35内，凹槽35通过隧道底部开设的火源开口嵌入隧道内部，供气管37连接多孔燃烧器36，供气管37另一端连接转子流量计38，另一端引出另一根供气管连接至减压阀39和燃气罐40。卡槽35连接在转动螺纹杆30上，转动螺纹杆30和内螺纹筒31调整火源高度。调节打开燃气罐的阀门后，减压阀39控制气体的压力至稳定值后，通过调节转子流量计来控制气体流量，控制火源的热释放率，燃气最终到达多孔燃烧器36通过点火器点燃气体。

如图7所示，为本发明的温度测试热电偶布置示意图。本发明的实验装置分别测定两个纵向高度的温度，分别是顶棚温度和人员安全高度的温度。热电偶11布置在排烟道下方3cm处和距离隧道底部上方2m处，热电偶之间的间距根据研究要求进行布置，热电偶通过隧道侧面热电偶探测孔18连接隧道外的数据采集装置。

下面结合附图具体描述本发明实验装置的实施过程：实验前，首先调整隧道两端的液压升降柱的高度，调整隧道两端的坡度，得到实验需要的V形隧道。根据研究要求，设计排烟口22的大小、数量和间距，之后通过独立排烟道19上部的T型卡槽，将独立排烟道从隧道端部顶板上的滑道固定布置在隧道顶部。然后确定火源位置，转动螺纹杆30调整火源系统凹槽35的高度，多孔燃烧器36放置在凹槽35中通过火源开口17进入隧道内，其余的火源开口通过薄金属板封闭。接着可开启隧道模块3的观察窗2，将热电偶11通过热电偶探测孔18布置在隧道内部测点处，并与数据采集系统相连，激光片光源9调整支座高度放置在隧道一侧开口处，数码摄像机10放置在隧道侧面观察窗2外记录实验现象。然后根据需要是否设置纵向通风系统8，若需要，转动螺纹杆30调整纵向通风系统高度与隧道端部的高度一致，开启轴流风机24，转动风速调节板25的调节手柄26，调节风口33和遮风板34的相对开度，经风箱35和蜂窝器36得到不同的均匀纵向风速。实验开始，开启实验配套的监测系统，校准；启动火源，通过转子流量计38调节火源功率；根据需要开启排烟轴流风机21和纵向通风系统8进入火灾排烟控制模式，采集数据；实验结束，关闭燃烧器，排烟系统和环境排烟继续开启一段时间，无烟后关闭系统；处理分析数据。

Claims (5)

1.一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，其特征在于：包括隧道主体、独立排烟系统、纵向通风系统、火源系统和配套的监测系统；所述隧道主体可调节两侧坡度呈现V形隧道，实现模拟复杂竖线隧道试验工况的功能；所述独立排烟系统独立安装在隧道顶部，根据需要设计排烟口的大小、数量及间距；所述纵向通风系统独立设置在隧道端部，送风速度及送风量调节便捷；所述火源系统方便改变火源功率及火源位置和高度。

2.根据权利要求1所述的一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，其特征在于：所述的隧道主体包括平坡隧道、两端可变坡度隧道和调节支座，所述平坡隧道位于隧道主体中间位置，所述可变坡隧道有由若干个子隧道连接位于平坡段两端通过防火软管连接，所述的调节支座为固定支架和液压升降柱，平坡隧道底部采用固定支架固定在地面，可变坡隧道末端底部采用可转动销钉与液压升降柱固定连接，通过调节两侧液压升降柱的高度改变两侧隧道坡度。

3.根据权利要求1所述的一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，其特征在于：所述的独立排烟系统包括独立排烟道、排烟口、排烟竖井、排烟轴流风机和T型卡槽，在隧道侧坡顶部各布置一个，所述的独立排烟道由金属板焊接成的密闭长方体烟道，其宽度较隧道宽度小一点，独立排烟道上部焊接有所述T型卡槽可以与隧道顶部滑道相嵌固定在隧道内部，所述排烟口可根据研究所需设计大小、数量和间距，独立排烟道与隧道主体拆卸方便，所述排烟竖井位于独立排烟道末端，所述排烟轴流风机安装在排烟竖井内。

4.根据权利要求1所述的一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，其特征在于：所述纵向通风系统包括轴流风机、风速调节板、风箱、蜂窝器和调节支座，所述风速调节板由两块相同扇形开口的圆形薄板组成，调节开口相对开度，开启轴流风机得到不同的流量和风速，连接在轴流风机前，所述风箱连接在风速调节板前，混合进风，所述蜂窝器安装在风箱前，具有均匀送风的作用，轴流风机、风速调节板、风箱和蜂窝器依次相连，所述调节支座由底座、台座、内螺纹筒和螺纹杆组成，底座固定地面，台座放置轴流风机等，通过转动螺杆调节纵向通风系统的高度。

5.根据权利要求1所述的一种集中排烟模式下可变V形隧道火灾模拟装置，其特征在于：所述监测系统包括温度监测系统和图像监测系统，所述温度监测系统由热电偶和数据采集装置组成，热电偶纵向分布在隧道主体顶板下方和底上方2m处，通过数据采集装置得到温度变化数据，所述图像采集系统由激光片光源和数码摄像机组成，所述激光片光源放置在隧道末端出口处，所述摄像机通过隧道侧面玻璃对隧道内的实验现象进行实验现象的记录。

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