CN114061996A - 一种用于模拟公路隧道火灾纵向通风控烟效果的装置及控制烟气方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模拟公路隧道火灾纵向通风控烟效果的装置及控制烟气方法，模拟不同角度纵向通风作用下，公路隧道内的火灾燃烧情况，研究不同角度通风作用下隧道内火羽流与顶棚射流的受限演化规律。包括实验台主体、变频纵向通风系统以及配套测控系统，是首个能调整射流风机参数，实现在不同空间位置、射流角度、出口射流风速等实施模拟隧道纵向通风控烟的实验装置，通过对隧道火灾场景下的热释放速率、温度分布、速度分布、受限火羽流形态、顶棚射流特征参数的测试，能分析智能纵向通风方案的控烟策略的有效性。本发明结构简单，造价低廉，克服了全尺寸实验代价高和数值模拟计算不够精确的局限性，同时保证了易操作性、安全性和可重复性。

Description

一种用于模拟公路隧道火灾纵向通风控烟效果的装置及控制 烟气方法

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及一种用于模拟公路隧道火灾纵向通风控烟效果的装置及控制烟气方法。

背景技术

随着经济发展我国交通隧道得到快速发展。交通隧道空间相对封闭，火灾扑救困难、车辆之间容易造成火灾蔓延、隧道内热烟气容易蓄积等情况，隧道内一旦发生火灾往往会造成严重的经济损失和人员伤亡。为了预防隧道火灾的发生和减少隧道火灾事故的损失，需要对隧道火灾发生和发展的基本原理进行研究，分析隧道火灾发展过程以及隧道火灾烟气合理控制，对于对隧道安全运营具有重要的现实意义。

纵向通风是交通隧道尤其是长距离隧道常用的通风模式。实际工程中，隧道射流风机一般吊装在隧道顶棚下方，发生火灾时火源上游射流风机启动，顶棚下方的射流风机的送风气流阻止烟气向火源上游蔓延，保证火源上游区域安全，而火源下游侧人员在火灾初期通过横通道疏散到相邻隧道。然而，据大量的火灾事故现场调查以及现场热烟实验发现，纵向通风控制火灾烟气方案存在许多问题，主要包括：1)风机吊装在隧道顶棚下方，出风气流在流动过程中不断沉降，并不能在隧道断面上形成均匀的气流来阻止烟气蔓延，另一方面，火源位置距隧道地面高度一般在1m～4.0m之间，产生烟气上升到顶棚后沿纵向扩散，所以射流风机的气流和顶棚下方蔓延烟气流并不是直接接触，难以形成稳定的阻止烟气向上游蔓延效果。目前，很多关于纵向通风比例模型实验和数值模拟的研究都是以隧道上游均匀送风气流为前提条件，所研究结果与实际工程的效果会有明显的差异。2)按照现有技术规范，实际隧道工程的射流风机安装条件都是固定的(位置固定、出口气流和顶棚之间的角度固定、风机出口速度不变)，风机启动后只能按固定参数工况运行，根据不用火源位置由控制室启动不同的射流风机组(每组一般2-3台)，而实际情况下火源是一个发展过程。火灾初期，热释放率小导致产烟量小，过大的射流风机速度会导致火源下游的烟气层稳定性破坏，不利于下游人员安全疏散，因此，需要设计智能型通风控烟方案。火灾初期，射流风机采用低风速运转，控制上游烟气的回流长度且能使下游烟气层保持稳定，以使下游人员安全疏散到横通道。当火源功率变大，风机全速运行，并逐渐启动相邻的风机组，使隧道内达到火源上游临界风速状态，严格控制烟气向火源上游蔓延，并从隧道下游出口排出高温烟气。在智能型控制烟气方案中，需要调整风机的参数(位置参数和气流参数)，位置参数包括风机中心距顶棚的高度、风机组内的风机之间的横向间距，射流风机组的纵向距离，风机气流参数包括出风口气流角度，风速大小等，通过改变参数组合得到不同火发展阶段的射流风机的合理、高效控烟效果，进行形成隧道纵向通风智能型通风控烟方案，即基于控制系统调整风机的射流角度、风速以及开启最佳的风机组别进行接力控烟排烟，不断调整气流组织的强度以及均匀度，提高通风控烟效果，保证人员的安全疏散。

前人在全尺寸隧道中开展了相关实验，中国科学技术大学的霍然、胡隆华等在云南昆石高速公路阳宗隧道、元墨高速公路大风垭口隧道、元江1号隧道，利用油池火对隧道内烟气层平均温度沿隧道的衰减规律开展研究，建立了纵向通风条件下隧道火灾烟气逆流距离及临界风速的预测模型。彭伟、阳东等通过理论分析结合昆石高速公路全尺寸实验研究结果，建立了隧道火灾烟气层温度纵向分布规律预测模型、隧道火灾燃烧速率以及最高温升速率与纵向风速的关系模型、隧道火灾烟气逆流距离及临界纵向抑制风速的预测模型、纵向风对隧道火灾烟气竖向分层特性的影响。重庆大学的翁庙成结合缩尺寸模型实验和FDS软件模拟分析不同隧道横截面形状时，烟气逆流长度和临界风速，并且通过无量纲分析得出临界风速预测模型，在分析过程中还考虑了隧道坡度的影响。对于具有坡度的隧道火灾临界风速，中南大学的易亮运用1:10的缩模型隧道试验台研究隧道坡度对火灾临界风速的影响。

由于全尺寸隧道火灾实验成本高、破坏性大以及实验可重复差，因此，基于相似原理的比例模型实验也是隧道火灾研究的一种合理、经济、有效的手段。所以有必要设计一个射流风机角度可调节的隧道火灾模拟实验装置，研究不同角度纵向通风作用下隧道内的气流特性和火灾特性。考虑隧道火灾下游人员安全疏散要求以及火灾规模变化，研发具有一定智能型的隧道火灾通风烟气控制方法。

本发明具体为不同纵向通风风速下，不同纵向通风角度、不同风机间距隧道火灾热释放速率、火焰特征、顶棚射流温度、速度分布和烟气扩散的模拟实验装置。因此，本发明专利提出一种多台风机实现纵向送风作用下公路隧道火灾模拟实验装置，能够模拟不同风机横间距纵向通风作用下，公路隧道内的火灾燃烧情况，依据火灾规模发展变化控制射流风机转速从而实现隧道火灾智能型通风烟气控制，有利于保证火灾初期火源下游烟气层稳定进而有利于人员安全疏散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同角度纵向风作用下公路隧道火灾模拟实验装置，能够在实验室模拟不同角度纵向通风作用下，隧道内火灾发展情况，研究不同角度纵向通风作用下隧道内受限火羽流与顶棚射流的演化规律。

本发明采用的技术方案为：

一种不同角度纵向风作用下公路隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：包括实验台主体、变频纵向通风系统以及配套测控系统；

所述实验台主体，是与实际单向双车道城市公路隧道尺寸成一定比例的隧道构造，整体框架采用角钢搭建，实验台外侧墙壁镶嵌10mm厚的防火玻璃，以便观察实验过程中隧道内的火灾发展与烟气流动情况；实验台内壁墙壁、顶棚和底板均由20mm厚的耐高温防火板构成；火源位于隧道内部，其位置可调节；

所述纵向通风系统，包括射流风机、风速调节变频器；射流风机位置可调，角度可变。

所述配套测控系统，液化天然气流量控制系统、温度测量系统、速度测量系统、图像采集系统；该液化天然气流量控制系统包括转子流量计、流量调节阀；该温度测量系统包括位于隧道内火源正上方的竖向热电偶束，以及顶棚下方的水平二维热电偶阵列及与其连接的数据采集装置。其中竖向热电偶束布置有10个热电偶，每两个热电偶竖向间距为0.05m，最上方热电偶距离顶棚0.05m。在火源上游和下游两侧，距火源中心横界面0.05m处，以隧道纵向中心线为界对称布置有两个8×8的二维热电偶阵列，热电偶阵列位于顶棚下方0.05m处，距离火源中心横截面0.5m；该速度测量系统包括位于火源上游的竖向风速测点、位于隧道纵向中心线顶棚下方的水平风速测点及与其连接的数据采集装置，其中在火源上游，距离左侧开口处1m处，在隧道中心线上均匀布置5个风速测点，竖向间距0.2m，最上方测点距离顶棚0.15m。同时，在火源下游隧道纵向中心线上均匀布置10个水平风速测点，水平间距0.4m，距离顶棚0.15m；该图像测量系统包括位于实验台正面和侧面实验现象进行记录的两台摄像机以及位于隧道两端的片光源系统。

所述的一种不同角度纵向风作用下隧道火灾模拟实验装置，实验台底板下方有自动液压升降装置，可实现射流风机与实验台顶板的角度在0～60°之间连续变化。

所述的一种不同角度纵向风作用下隧道火灾模拟实验装置，在实验台纵向中心线的地板上设置滑道，可以调节火源位置。

所述的一种不同角度纵向风作用下隧道火灾模拟实验装置，同组并列吊装的射流风机横向间距可以调整，间距调整范围为1倍风机内径到2倍风机内径。

所述的一种不同角度纵向风作用下隧道火灾模拟实验装置，同组并列吊装的射流风机可根据不同的火源位置，沿着顶棚的纵向风向移动。

所述的一种不同角度纵向风作用下隧道火灾模拟实验装置，射流风机射流角度及射流风速可根据不同的火源位置和温度信号通过智能模块控制。

所述的一种不同角度纵向风作用下隧道火灾模拟实验装置，火源位置可以调整，启动火源附近两组风机串联排烟。

所述的可移动的纵向通风系统，包括射流风机、风速调节变频器。

所述实验燃料采用液化天然气。

所述公路隧道火灾改变射流风机位置以及状态参数来实现纵向通风控烟效果研究为：

步骤一：火灾发生时，由火灾探测器检测火灾发生位置。通过红外测距装置判定火灾具体位置，同时开启火源附近的排烟风机。

步骤二：

火灾发生时，根据采集的温度数据，智能控制系统调节风机频率，以最佳风速对火灾烟气加以控制。同时根据温度信号控制射流风机的射流角度，使射流风机以最佳的射流角度对火灾烟气进行控制。

所述隧道火灾模拟实验装置通过移动式火源装置模拟隧道内不同位置发生火灾时的场景，并通过调节流量检测计调节气体流量来模拟不同火灾时的火源功率大小。所述可移动式变角度射流风机通过滑轨，以及竖向液压杆以及横向固定装置来调节风机角度以及横向间距。所述配套测量系统，包括温度测量系统、速度测量系统以及智能控制模块。温度测量系统包括位于隧道内火源正上方的竖向热电偶束，以及顶棚下方的水平二维热电偶阵列及与其连接的数据采集装置，该速度测量系统包括位于火源上游的竖向风速测点、位于隧道纵向中心线顶棚下方的水平风速测点及与其连接的数据采集装置，通过所述测量系统测得的数值大小反映某一火源功率下，此时的射流风机角度及位置是否为最佳布置方式。智能控制模块通过对火源位置的测量以及温度信号的反馈，控制风机的射流角度和通风风速。

本发明的效果为：

(1)本发明结构简单，费用低，能够模拟不同角度纵向通风作用下隧道内空气流场结构以及隧道火灾中的火焰行为、烟气蔓延规律。首个专门针对不同角度纵向风作用下隧道内的空气流场结构、火灾热释放速率、火焰行为、温度分布和烟气蔓延特征参数分布等进行全面系统研究的实验装置；

(2)能实现射流风机的角度调节以及射流风机悬挂高度调节。本发明通过液压升降装置控制射流风机与隧道的角度；对于射流风机悬挂高度调节，本发明通过液压升降装置控制射流风机与隧道顶棚的间距，保证了实验的可重复性与易操作性，有效提高实验台的利用效率。

(3)对于实现同组射流风机间距调节，本发明通过液压杆移动，保证了实验的可重复性与易操作性，有效提高实验台的利用效率。

(4)本发明在纵向通风作用下的不同高度隧道火灾模拟方面，纵向风系统设计的风速范围为0～5m/s，是首个考虑风机射流，断面风速不均匀发展的通风实验台。根据断面风速测点，测风速时把测定断面匀分成若干面积相等的格子，格子数即测点数。测点间距不应大于1m，一般取0.3m，测点数应不少于20个，判断断面风速的均匀程度。

式中：β_v为不均匀度，v_i为测点风速，

为断面平均风速，n为测点个数。

(5)本装置可以实现隧道智能型通风排烟控制策略。具体原理如下：

S1，设置热电偶测量近火源区域的温度，根据温度值判断火源的热释放率。

S2，射流风机在初期采用低频启动，火灾初期，风机实现低风速运行，控制上游烟气回流长度且保证下游烟气层保持稳定利于下游人员安全疏散。

S3，当火源功率增大，温度测量值高于设定值后，风机采用满负荷运行

S4，随着火源温度的继续增大，逐渐启动相邻的风机组，使隧道内纵向通风模式达到临界风速状态，严格控制烟气向火源上游移动，并从隧道下游的出口排出高温烟气。

附图说明

图1为本发明实例一种不同角度纵向通风作用下隧道火灾模拟实验装置结构示意图；

图2为本发明实例左侧结构示意图；

图3为本发明实例变角度射流风机结构示意图；

图4为本发明实例温度测量系统和速度测量系统结构示意图；

图5为本发明实例火源中心两侧热电偶阵列结构示意图；

图6为本发明图1标记A处移动火源结构示意图；

图7为本发明实施例1射流风机倾角为0°火源位于隧道中心处数值模拟结果示意图；

图8为本发明实施例2射流风机倾角为45°火源位于隧道中心处数值模拟结果示意图；

图9为本发明实例轴流3风机倾角为0°火源位于隧道左侧开口距火源中心3.5m处数值模拟结果示意图；

图10为本发明实例4射流风机倾角为45°火源位于隧道左侧开口距火源中心3.5m处数值模拟结果示意图：

图11为距隧道右侧开口1m处的横向段面上CO浓度的分布示意图。

图12智能通风烟气控制流程图。

附图标记：

1：液化石油气灌；2：止回阀；3：截止阀；4：流量检测计；5：隧道模型实验台拱顶；6：射流风机液压自动升降装置；7：射流风机竖向固定装置；8：射流风机横向液压固定装置；9：火源中心处温度测量系统；10：火源上游侧风速测量系统；11：火源下游侧风速测量系统；12：移动式火源装置；13：火源两侧温度热电偶阵列；14：隧道模型试验台外侧；15：移动火源滑槽；16：射流风机移动滑轨；17：可移动式变角度射流风机；18：输气管；19：隧道模型实验台；20：温感变频调节模块；21：风机变频装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不是用来限制本发明的范围。

本发明一种不同角度纵向通风作用下隧道火灾模拟实验装置，包括有1：5缩尺度隧道实验台、可移动式变角度射流风机、可移动式火源及其附属配套系统以及温度和速度测控系统；

所述缩尺度隧道模型实验台19如图1所示，隧道模型实验台19长8m，高2m，宽1.2m(隧道截面为马蹄形，其中下半部矩形高1.5m，上半部弧形圆心角为180°，半径为0.5m；其两端口敞开)；所述隧道模型实验台外侧的一侧墙壁14镶嵌10mm厚防火玻璃，以便观察实验过程中隧道内的火灾发展与烟气流动情况；所述隧道模型实验台拱顶及5及另一侧采用20mm厚耐高温防火板。

进一步的，所述隧道模型实验台拱顶5布置有射流风机移动滑轨16，可实现射流风机在隧道模型试验台19长度范围内移动；所述隧道模型实验台19底部布置有移动式火源滑槽，可实现火源在隧道模型试验台19长度范围内移动。

所述可移动式变角度射流风机17如图2所示，其由三台射流风机17、射流风机竖向固定装置7、射流风机横向固定装置8以及射流风机液压自动升降装置6，所述射流风机液压自动升降装置6与射流风机横向固定装置8之间采用活动连接方式，所述液压自动升降装置装置6借助液压杆可实现竖直方向的上下运动，进一步的带动射流风机横向固定装置8上下运动，所述射流风机竖向固定装置7一端与隧道模型实验台拱顶5连接，另一端与射流风机横向固定装置8连接。进一步的，当液压自动升降装置6上下运动时，实现射流风机轴线与水平面之间的夹角从0°到60°之间变化。

所述温度测量系统由火源中心处温度测量系统9和火源两侧温度热电偶阵列13组成。火源中心处温度测量系统9布置有10个热电偶，每两个热电偶竖向间距为0.05m，最上方热电偶距离顶棚0.05m。火源两侧温度热电偶阵列13对称布置在火源上游和下游两侧，距火源中心横界面0.05m处，以隧道纵向中心线为界对称布置两个8×8的二维热电偶阵列，热电偶阵列位于顶棚下方0.05m处，距离火源中心横截面0.5m。

所述速度测量系统包括位于火源上游的风速测量系统10以及位于火源下游的风速测量系统11。所述火源上游的风速测量系统，距离左侧开口处1m处，在隧道中心线上均匀布置10个风速测点，竖向间距0.2m，最上方测点距离顶棚0.15m。所述火源下游的风速测量系统11在隧道中心线上均匀布置10个风速测点，竖向间距0.2m，最上方测点距离顶棚0.15m。

进一步的，火源中心处温度测量系统9、火源两侧温度热电偶阵列13、火源上游的风速测量系统10以及位于火源下游的风速测量系统11布置方式如图5所示。

所述移动式火源及其附属配套系统包括液化石油气1、止回阀2、截止阀3、流量检测计4以及输气管18组成。所述输气管18与移动式火源装置12连接，通过隧道模型实验台18底部滑槽，实现火源在隧道模型试验台19长度范围内移动。

所述温感变频调节模块20为隧道智能通风排烟控制系统的关键部位。采用火源中心处温度测量系统9测量温度值来判断火源功率。可移动式变角度射流风机17在初期采用低频启动，火灾初期，射流风机采用低风速运转，控制上游烟气回流长度且下游烟气层保持稳定利于下游人员安全疏散。当火源功率大，温度测量高于一定值后，风机满负荷运行，以后逐渐启动相邻的风机组，使隧道内达到临界风速状态，严格控制烟气向火源下游蔓延，并从隧道下游出口排出高温烟气。

实施例1：

根据隧道模型实验台尺寸建立1：1物理模型进行数值模拟计算；射流风机沿隧道纵向中心面对称布置，风机压力为500Pa，风机轴线与水平面之间的夹角设置为0°进行数值模拟计算；隧道两端出口设置为压力出口；火源设置为质量流入口，向隧道内释放CO，模拟烟气流动，释放速率为2.89kg/s。

为了验证不同角度的射流风机对隧道内气流组织的影响，选用标准k-ε两方程模型(standard k-εmodel)求解方程组。采用有限体积法对上述控制方程进行离散，当速度项和压力项残差均小于10^-3、组分项小于10^-6控制方程收敛，由此得到隧道内气流组织分布情况。

图7为实施例1情况下风机射流角度0°，风机升压力为500Pa时隧道内CO的分布云图。由图7可以看出，当风机轴线与水平面之间夹角为0°时，火源上游出现明显的烟气回流现象，且在火源下游出口处，由于室外大气压力的影响，部分烟气流入到隧道内，造成下游出口处浓度较高。

实施例2：

建立与实施例1相同的数值计算模型，改变风机的射流角度为45°。与实施例1相比，当风机轴线与水平面之间夹角为45°时，火源上游烟气回流现象消失，火源下游侧烟气浓度出现明显分层现象，由顶棚向地面逐渐降低。对比结果见图8。

实施例3：

建立与实施例1相同的数值计算模型，改变火源位置在隧道入口处。由图9可以明显看出，当风机轴线与水平面之间夹角为0°时，火源位于隧道左侧开口距火源中心3.5m处，火源上游出现明显的烟气回流现象，且在火源下游，烟气浓度几乎为0。

实施例4：

建立与实施例2相同的数值计算模型，改变火源位置在隧道入口处。与实施例3相比，当风机轴线与水平面之间夹角为45°时，火源位于隧道左侧开口距火源中心3.5m处，由于射流风机的作用，烟气只在隧道左侧火源附近蔓延，其他地方烟气浓度几乎为0。对比结果见图10。

图11显示了距隧道右侧开口1m处的横向段面上，CO浓度的分布规律，从图中可以明显看出，在1.5m高度以下，风机轴线与水平面夹角为45°时，CO浓度较低；当高度在1.5m-2.3m范围内时，风机轴线与水平面夹角为0°较低，因为此时的高度位于风机高度，由于风机的鼓吹，此时CO浓度较45°低。顶棚处，两种角度作用下，CO浓度相近。

综上可以看出，不同风机角度，对隧道内气流组织影响较大。通过本实验装置，可以确定，在隧道内不同位置，发生不同规模火灾时的最佳烟气控制方法。

Claims (6)

1.一种不同角度纵向风作用隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：包括实验台主体、变频纵向通风系统以及配套测控系统；

所述实验台主体，是与城市实际单向双车道型公路隧道尺寸成一定比例的隧道构造，通过3段拼接而成的；其两端口敞开，整体框架采用角钢搭建，实验台外侧墙壁镶嵌防火玻璃，以便观察实验过程中隧道内的火灾发展与烟气流动情况；实验台内壁墙壁、顶棚和底板均由耐高温防火板构成；火源位于隧道内部，其位置可调节；

所述纵向通风系统，包括轴流风机、调节变频器，通过供电频率改变风机转速从而改变风机出口风速；轴流风机位置可移动，出口气流与隧道顶棚纵向的角度可以改变。

所述配套测控系统，液化天然气流量控制系统、温度测量系统、速度测量系统、图像采集系统。该液化天然气流量控制系统包括转子流量计、流量调节阀；该温度测量系统包括位于隧道内火源上方竖向热电偶束，以及顶棚下方的水平二维热电偶阵列及与其连接的数据采集装置，其中竖向热电偶束有10个热电偶，竖向间距5cm，最上方热电偶距离顶棚0.05m，在火源两侧，隧道顶棚下方纵向中心线与内侧侧壁之间布置8×8的二维热电偶阵列，热电偶位于顶棚下方0.05m处，热电偶纵向水平间距0.1m，横向水平间距0.1m；

该速度测量系统包括位于火源上游的竖向风速测点、位于隧道纵向中心线顶棚下方的水平风速测点及与其连接的数据采集装置，其中在火源上游，距离左侧开口处1m处，在隧道中心线上均匀布置10个风速测点，竖向间距0.2m，最上方测点距离顶棚0.15m，同时，在火源下游隧道纵向中心线上均匀布置10个竖向风速测点，竖向间距0.4m，距离顶棚0.15m；该图像测量系统包括位于实验台正面和侧面实验现象进行记录的两台摄像机以及位于隧道两端的片光源系统。

2.根据权利要求1所述的一种纵向风作用角度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：所述装置按照实际公路单向双车道隧道1:5的比例构造。

3.根据权利要求1所述的一种纵向风作用角度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：实验台顶板下方有自动液压升降装置，可实现轴流风机与实验台顶板的角度在0°～60°之间连续变化。

4.根据权利要求1所述的一种纵向风作用角度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：在实验台纵向中心线的地板上设置滑道，可以调节火源位置。

5.根据权利要求1所述的一种纵向风作用角度可调式隧道火灾模拟实验装置，其特征在于：纵向通风系统为可移动的纵向通风系统。

6.应用如权利要求1所述的一种纵向风作用角度可调式隧道火灾模拟实验装置的方法，其特征在于：设置了隧道火灾烟气智能控制系统，即在射流风机上安装变频器以及温感变频调节装置，并与火源正上方处温度测量值进行关联，通过变频来调整射流风机的风速，进而改变隧道纵向通风的风速，以实现隧道火灾烟气智能控制。

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