WO2020103618A1 - 一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台 - Google Patents

一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台

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WO2020103618A1
WO2020103618A1 PCT/CN2019/111802 CN2019111802W WO2020103618A1 WO 2020103618 A1 WO2020103618 A1 WO 2020103618A1 CN 2019111802 W CN2019111802 W CN 2019111802W WO 2020103618 A1 WO2020103618 A1 WO 2020103618A1
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罗淳厚
郭淇萌
张勋
严晓龙
黄亚东
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Definitions

  • An underground traffic conversion channel fire simulation experiment platform includes a model body simulating an underground traffic conversion channel, a burner connected to the model body and generating smoke, and a smoke imaging system;
  • the smoke imaging system includes a laser sheet light source and An image recording device for recording smoke distribution images;
  • the laser sheet light source is a plurality of arranged in the model body, and the planar laser light emitted by the laser sheet light source is parallel to the flow direction of the smoke;
  • the image recording The equipment is a plurality of one-to-one correspondence with the laser sheet light source, which is arranged outside the observation window of the model body; the corresponding pair of laser sheet light sources and image recording equipment, each with a filter that filters out lasers of the same wavelength .
  • the airflow in the cavity should be in a region where turbulence is fully developed, and the Reynolds number in the cavity should be> 2.3 ⁇ 10 4 .
  • the flow velocity at this time the actual project velocity simulated by the model is ⁇ 3.5m / s.
  • the air velocity in actual projects is usually in the range of 1.5m / s ⁇ 3.5m / s, it can be seen that when ⁇ L is too small, the practical applicability of the scale model will be greatly reduced.
  • the model body includes an air duct for the flow of fresh air and smoke and a model wall surrounding the air duct, and the model wall is provided with a plurality of air interfaces.
  • the slope of the communication channel unit can be adjusted by changing the jack. Through the above settings, the three-dimensional characteristics of fire smoke movement under different communication road gradients can be observed and recorded.
  • the air supply module includes an air compressor, a pressure reducing valve, a pressure gauge, and a gas flow meter that are sequentially connected to the air delivery pipeline.
  • Liquid n-heptane 1g for air: 6.7-8L; or
  • the burner is a vertically arranged cavity structure, and includes a mixing chamber and a rectifying chamber in sequence from bottom to top; the lower part of the mixing chamber is provided with a gas inlet and an air inlet, where the gas and air are mixed The gas formed later is a mixed gas; the upper part of the rectifying chamber is provided with a gas outlet that is connected to the cavity of the model body.
  • the cavity of the mixing chamber is provided with two layers of upper and lower annular pipes arranged side by side and having the same shape.
  • the annular pipe is an annular cavity structure formed by rotating a rectangular section around the circumference, including concentric inner side walls And the outer side wall; the outer side walls of the two annular pipes are respectively connected to the gas inlet and the air inlet, and the inner side walls of the two annular pipes are provided with a plurality of air outlet micropores.
  • the opening ratio n 0 of the inner side wall satisfies the following relationship:
  • the rectifying chamber includes a trapezoid and a rectangular parallelepiped from the bottom to the top.
  • the air outlet is provided on the top of the rectangular parallelepiped.
  • the lower bottom of the trapezoid is a rectangle butted with the rectangular parallelepiped; an arc diverter plate is provided between the upper and lower bottoms of the trapezoid; the horizontal first level equalizing flow net is provided in the middle of the rectangular parallelepiped ,
  • the air outlet is provided with a horizontal secondary flow net;
  • Two sides of the trapezoid are perpendicular to the horizontal plane, and the angle between the other two sides and the horizontal plane is 10 ° to 45 °; the center angle of the arc shunt plate is 5 ° to 8 °; the arc The angle between the lower end of the shaped diverter plate and the horizontal plane is 67.5 ° ⁇ 80 °; the surface of the arc-shaped diverter plate is an arc surface, and the included angle refers to the angle between the cut surface of the arc surface at the lower end and the horizontal plane.
  • the distance between the first-level flow net and the arc-shaped flow distribution plate is 100 mm to 150 mm; the opening rate of the first-level flow net is 25% to 40%, and the pore size is 4 mm to 6 mm.
  • n and r 0 are the opening rate and opening radius of the first-level flow net, respectively, and the units of r 0 and h 4 are both mm;
  • Q is the flow rate of the mixed gas, in units of m 3 / s;
  • A is the area of the rectangular top surface of the rectangular parallelepiped, in units of m 2 .
  • the wavelength ⁇ of the laser light emitted by the laser sheet light source and the characteristic particle diameter D of the specific surface area of flue gas generated by the combustion of the fuel satisfy the following relationship:
  • the imaging effect of the flue gas imaging system has a direct correlation with the intensity of scattered light.
  • Experimental results show that the intensity of scattered light is mainly affected by the laser wavelength ⁇ emitted by the sheet light source and the characteristic particle size D 32 of the smoke comparison area.
  • the peak particle size range of the flue gas generated when the common fuel is sufficient and stable combustion and the recommended laser wavelength are shown in the following table:
  • the invention provides a fire simulation experiment platform for underground traffic conversion channels, which fills the technical gap of the scale model experimental device in the field of domestic underground traffic conversion channels, and can carry out different fire source positions, fire source powers, connection road slopes and ventilation schemes.
  • the fire smoke diffusion test can be used to observe and record the three-dimensional characteristics of the lateral spread of smoke.
  • the scale ratio is designed according to the principle of flow similarity, which is suitable for the specific occasion of the underground traffic conversion channel;
  • the burner can be designed to allow the gas and air to be fully mixed and burn evenly and stably, so that the degree of combustion Increase to more than 98%, and make the combustion products have a constant and controllable particle size distribution;
  • the temperature, speed and pressure measurement system is used to collect the test data, and a three-dimensional imaging system that can display the complex movement characteristics of the smoke is designed to record the smoke movement of the fire, so as to study the fire smoke diffusion characteristics in the underground transportation conversion platform Lay a foundation to provide a basis for the design of related smoke control plans.
  • Figure 3 is a schematic diagram of the structure of a series of laser sheet light sources and corresponding image recording equipment
  • Figure 4 is a schematic diagram of the structure of the burner and the gas supply device
  • Figure 5 is a schematic diagram of the outline of the burner
  • Figure 12 shows the calorific value of ethanol burning in different burners.
  • a component when a component is said to be “connected” to another component, it can be directly connected to another component or there can also be a centered component. When a component is considered to be “set on” another component, it may be set directly on another component or there may be a centered component at the same time.
  • each image recording device 32 can obtain a clear image.
  • a laser sheet light source 31 and an image recording device 32 are combined to obtain a slice image of the flue gas profile, which is parallel to the flow direction of the flue gas (as indicated by the arrow in FIG. 1); a group of parallel to each other The slice can reflect the diffusion characteristics of flue gas in the horizontal direction (perpendicular to the flow direction of the flue gas) or longitudinal direction (perpendicular to the flow direction of the flue gas).
  • a row of laser sheet light source groups are arranged along the lateral direction, and are respectively arranged at the fire source, near the observation window, and away from the observation window to obtain a set of slice images of smoke contours , As shown in Figure 7, Figure 8, and Figure 9, respectively. If the technology described in the present invention is not adopted and only three laser sheet light sources are set at corresponding positions, the phenomenon that the smoke contours shown in FIG. 10 are stacked on each other will be observed. Compared with FIG. 10, the slice obtained by the improved device The image group can better reflect the real situation of smoke contours at different positions.
  • the model body 1 includes an air duct for fresh air and flue gas and a model wall surrounding the air duct, and a plurality of air ports 19 are provided on the model wall.
  • the fire simulation experiment platform of the underground traffic conversion passage also includes a ventilation and smoke exhaust system 4 connected to the model body 1; the ventilation and smoke exhaust system 4 includes multiple sets of frequency conversion fans 41, drainage pipes 42 and jet nozzles 43 connected in sequence; The fresh air flows out of the jet nozzle 43 through the drainage pipe 42, and the fresh air is connected to the gas interface 19 through the jet nozzle 43.
  • the jet nozzle 43 is installed above the model wall of the communication channel unit 13 and can simulate the jet pressure boosting effect in the longitudinal ventilation system of the tunnel.
  • the adjustment of the working frequency of the variable frequency fan 41 can realize the adjustment of the wind speed of the fresh air.
  • the underground traffic conversion passage fire simulation experiment platform also includes a fuel supply module and an air supply module connected to the burner 2.
  • the air supply module includes an air compressor 5, a pressure reducing valve 6, a pressure gauge 7, and a gas flow meter 8 that are sequentially connected to the air delivery pipeline.
  • the fuel supply module includes a gas fuel supply module and a liquid fuel supply module.
  • the existing smoke generation system can be further improved.
  • the burner 2 is a vertically arranged cavity structure, and includes a mixing chamber 22 and a rectifying chamber 23 in order from bottom to top; the lower part of the mixing chamber 22 is provided with gas inlet The port 221 and the air intake port 222, the gas formed by mixing the fuel gas and the air is a mixed gas; the upper part of the rectifying chamber 23 is provided with an air outlet 233 that is connected to the cavity of the model body.
  • Two of the sides of the trapezoidal body 231 are perpendicular to the horizontal plane, and the angle between the other two sides and the horizontal plane is 10 ° to 45 °; the center angle of the arc diverter plate 234 is 5 ° to 8 °; The angle between the lower end and the horizontal plane is 67.5 ° ⁇ 80 °; the distance between the first-level flow net 235 and the arc-shaped diverter plate 234 is 100mm ⁇ 150mm; the opening rate n of the first-level flow net 235 is 25% ⁇ 40 %, The hole diameter is 4 mm to 6 mm.
  • the distance h 4 between the first-level equalizing net 235 and the second-level equalizing net 236 satisfies the following relationship:
  • n and r 0 are the opening rate and opening radius of the first-level flow net, respectively, and the unit of r 0 and h 4 is mm;
  • the opening ratio n 'of the second level flow net 236 satisfies the following relationship:
  • the flow rate of the mixed gas in the mixing chamber 22 is 17.47 m 3 / s, the side length of the square is 0.1 m, the inner diameter of the annular pipe 223 is 0.06 m, and the mixing chamber 22
  • the height is 0.5m, the distance between the upper and lower annular pipes 223 is 0.015m, the opening ratio of the inner wall of the annular pipe 223 is 1.5%, the center angle of the arc diverter is 7 °, and the arc diverter
  • the angle between the lower end of the plate 234 and the horizontal plane is 75 °, the distance between the first-level flow net 235 and the arc-shaped flow distribution plate 234 is 120mm, the opening rate of the first-level flow net 235 is 30%, and the aperture is 5mm.

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Abstract

一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台，包括模拟地下交通转换通道的模型主体(1)，与模型主体(1)对接并产生烟气的燃烧器(2)，以及烟气成像系统；烟气成像系统包括激光片光源(31)和记录烟气分布图像的图像记录设备(32)；激光片光源(31)为布置在模型主体(1)内的多个，激光片光源(31)发射的平面激光与烟气的流动方向平行；图像记录设备(32)为与激光片光源(31)一一对应的多个，布置在模型主体(1)观测窗外；相对应的一对激光片光源(31)和图像记录设备(32)，各自带有滤出相同波长的激光的滤光片(33)。地下交通转换通道火灾模拟实验平台可以方便对烟气的横向蔓延特征做研究，特别适用于模拟地下交通转换通道的火灾。

Description

一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台 技术领域
本发明涉及火灾实验技术领域，特别是涉及一种对地下交通转换通道的火灾烟气扩散特性进行模拟实验的装置。
背景技术
随着我国城市化进程加快，人口超饱和，通行压力越来越大，交通拥堵已成为众多城市面临的突出问题。开发利用地下空间是缓解交通压力、节约土地资源的重要举措，地下交通转换通道作为连接城市立体交通网络的重要枢纽，正逐渐得到推广应用。由于地下空间结构的封闭性，发生火灾时，排烟与散热条件差、温度高，有毒烟气将迅速累积，严重影响人员疏散和救援，极易造成群死群伤，产生恶劣的社会影响，甚至引发公众对地下空间安全性的质疑。因此，设计合理的地下空间通风排烟系统、确定合理的防排烟系统运行策略对于防灾减灾具有重大意义。
地下交通转换通道通常由敞开段连接多条联络通道组成，相比于常规隧道或地下车库等构筑物，其内烟气扩散情况更为复杂，防排烟难度也相应升高，具体体现在：1)由于结构连通，两向通风气流互相影响，敞开段内流场结构难以确定；2)风机数量多，分布、开启组合方式多。3)火灾场景更为多样。
现有的国内外相关规范仅采用一维假定，针对常规隧道的防排烟系统进行了条文规定，而对于地下交通转换通道，尚无针对性条文要求，这使得设计方仅能依照现行《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02-2014)计算地下交通转换通道发生火灾时的需风量与临界风速，由于地下交通转换通道结构的特殊性，现行规范中条款的适用性目前仍存在疑问。因此，亟需针对地下交通转换通道内烟气运动特性展开研究，为类似工程的消防安全设计提供参照。
根据相似准则搭建比尺模型，通过观察比尺模型内烟气运动轨迹，对实际火灾条件下烟气运动进行情况反演是研究地下空间结构火灾烟气蔓延规律的常用方法，中国科技大学、北京工业大学等单位分别根据城市隧道、地铁隧道、地铁站台等典型火灾场景特点提出了对应的比尺模型试验方法。
但是，由于结构的特殊性，已有专利中所采用的方法无法直接应用于地下 交通转换通道的火灾试验中。例如，申请号为201610814674.4的中国发明专利中仅使用单个片光源对烟气结构进行观测与记录。而在地下交通转换通道内，由于断面具有显著的宽浅特征，除纵向外，烟气还将具有显著的横向蔓延特征，单个切片烟气运动轨迹无法代表其内烟气扩散特性，而如果简单的将多个片光源组合，各个切片图像之间又会互相遮挡影响，无法直接记录与观测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台，可以方便对烟气的横向蔓延特征做研究，特别适用于模拟地下交通转换通道的火灾。
一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台，包括模拟地下交通转换通道的模型主体，与模型主体对接并产生烟气的燃烧器，以及烟气成像系统；所述烟气成像系统包括激光片光源和记录烟气分布图像的图像记录设备；所述激光片光源为布置在所述模型主体内的多个，所述激光片光源发射的平面激光与所述烟气的流动方向平行；所述图像记录设备为与所述激光片光源一一对应的多个，布置在所述模型主体观测窗外；相对应的一对激光片光源和图像记录设备，各自带有滤出相同波长的激光的滤光片。
地下交通转换通道是指为实现交通立体化，满足地下路网与车库的通行需求，而在特定区段内将多条联络通道与车库进出口联通所形成的宽浅地下空间。
火灾场景下，地下交通转换通道内烟气的运动可概括为两个方向：一是沿地下交通转换通道的长度方向流动，即空气入口到空气出口的流动，这是烟气运动的主要方向，也是上述的烟气的流动方向；二是沿断面的扩散，由于地下交通转换通道断面的宽浅特征，沿断面的扩散运动也不容忽视。
激光片光源自身为现有技术，通过以上多个激光片光源的布置可以避免激光片光源所发射的激光之间的相互影响，从而使每个所述的图像记录设备得到清晰的图像。一个激光片光源和一个图像记录设备为一个组合，可以得到一个烟气轮廓的切片图像，该切片与所述烟气的流动方向平行；一组相互平行的切片可以反映出烟气沿横向(垂直于所述烟气的流动方向)或纵向(垂直于所述烟气的流动方向)的扩散特性。
可选的，所述模型主体为空腔结构，所述模型主体的尺寸为实际地下工程的1/9～1/6。
几何相似是运动相似的前提，同时还需考虑动力相似，即比尺试验模型应同步满足浮力相似、阻力相似。当主体结构与实际工程的几何相似比尺过小时，试验结果受环境因素及设备精度影响较大，例如当试验平台几何相似比尺λ L<1/15时，根据佛罗德相似准侧，可得速度比尺λ u＝λ L 0.5<0.258，一方面，为满足试验测量需求，则仪器测量精度应不小于0.1·λ u≈0.025m/s；另一方面，为避免环境影响，还应要求实验室内环境扰动风速不大于该数值。显然，这对于实验条件要求过于严格，不便于实施。此外，为同步实现阻力相似，腔体内气流应处于湍流充分发展区，此时腔体内雷诺数应＞2.3×10 4。当λ L<1/10时，为使得模型腔体内流动满足湍流充分发展条件，其流速
Figure PCTCN2019111802-appb-000001
此时模型模拟的实际工程流速≥3.5m/s。考虑到实际工程中空气流速通常在1.5m/s～3.5m/s范围内，可见，当λ L过小时，比尺模型的实际适用性将大幅降低。根据实测数据，当几何相似比尺不小于1/9时，即可使得测试系统具有较高的鲁棒性，同时，该几何比尺下，常用隧道通风速度条件下，试验模型平台内气流便可处于自模区状态，满足阻力相似条件。此外，若几何相似比尺大于1/6，则比尺模型中火源功率过高，将增加试验危险性，例如当几何相似比尺为1/5时，模拟5MW火情所需的比尺火源功率为90kW，在实验室内难以控制如此高功率的火源，极易导致实验事故。因此，本发明中，地下交通转换通道试验模型与实际工程的几何相似比尺宜控制在1/9～1/6之间。
可选的，所述模型主体包括供新风和烟气流动的风道和围成风道的模型壁，所述模型壁上设有多个空气接口。
可选的，所述地下交通转换通道火灾模拟实验平台还包括接入所述模型主体的通风排烟系统；所述通风排烟系统包括多套依次连接的变频风机、引流管道和射流喷嘴；变频风机产生的新风经引流管道从射流喷嘴流出，新风经所述射流喷嘴接入所述气体接口。
通过所述射流喷嘴可以模拟隧道通风系统中的射流升压效应，通过调整所述变频风机的工作频率实现风速的调节。
通过以上设置，可以对不同通风方案工况下火灾烟气运动的三维特性进行观测记录。
可选的，所述模型主体包括敞开段单元，敞开段单元的两端通过波纹软管 连接有联络通道单元，所述联络通道单元上连接有调节联络通道单元的坡度的千斤顶。
通过改变千斤顶可以调节联络通道单元的坡度，通过以上设置，可以对不同联络道坡度下火灾烟气运动的三维特性进行观测记录。
可选的，所述联络通道单元的侧壁设有第一预留口。通过第一预留口可以接入模拟地下车库的分叉道，也可嵌入防火玻璃作为观测窗口。
可选的，所述敞开段单元的侧壁设有第二预留口。通过第二预留口可以接入现有技术的风速传感器、压力传感器和温度传感器。
可选的，所述敞开段单元和所述联络通道单元的底部设有第三预留口，通过第三预留口接入所述的燃烧器。
通过以上设置，可以对不同火源位置下火灾烟气运动的三维特性进行观测记录。
可选的，所述地下交通转换通道火灾模拟实验平台还包括接入所述燃烧器的燃料供应模块和空气供应模块。
可选的，所述空气供应模块包括依次连接在空气输送管路上的空气压缩机、减压阀、压力表和气体流量计。
可选的，所述燃料供应模块包括气体燃料供应模块和液体燃料供应模块，气体燃料供应模块包括依次连接在气体燃料输送管路上的燃气罐、减压阀、压力表和气体流量计。液体燃料供应模块包括依次连接在液体燃料输送管路上的空气压缩机、减压阀、压力表和装有液体燃料的燃液瓶，空气经过燃液瓶将液体燃料的蒸汽带入液体燃料输送管路；所述空气供应模块直接接入所述的燃烧器，所述气体燃料供应模块和所述液体燃料供应模块通过三向阀选择其中之一接入所述的燃烧器。
通过以上设置，可以对不同火源功率下火灾烟气运动的三维特性进行观测记录。
可选的，所述燃液瓶下方设有通过测量燃液瓶中液体燃料的质量表示液体燃料流量的电子天平。
通过所述减压阀调节气源压力控制所述燃料的流量，通过观测电子天平记录的质量变化率记录所述燃料的流量。当所提供的空气量不足时，将导致不充分燃烧的问题；当空气量过多时，从火源处进入到反应环境内的气体量也增多，将 对局部流场产生不可预知的重塑作用。因此，控制合适的燃料、空气比例，是保证模拟结果真实度的重要方法。
优选的，所述燃料和空气混合按以下比例混合：
甲烷气体：空气为1L：5.5～6L；或
液化气：空气为1L：13.5～15L；或
液态乙醇：空气为1g：3.8～4.5L；或
液态正庚烷：空气为1g：6.7～8L；或
液态聚氨酯：空气为1g：1.4～1.8L。
可选的，所述燃烧器为垂直布置的空腔结构，从下到上依次包括混合室和整流室；所述混合室的下部设有燃气进气口和空气进气口，燃气和空气混合后形成的气体为混合气体；所述整流室的上部设有接入所述模型主体的空腔内部的出气口。
当燃料为气态可燃物时，所述的燃气是指燃料本身；当燃料为液态可燃物时，所述的燃气是指液态燃料的蒸汽和空气的混合物。在这里，凡是能通过燃烧产生烟气的气体均可称为燃气。
为使火灾模型模拟实验的结构能够反映实际地下工程火灾的真实情况，其中一个重要控制因素是燃料的充分燃烧。
现有的火灾实验平台，由于空间狭小，封闭程度高，普遍存在补风量不足，燃料无法均匀、充分、稳定燃烧的问题。燃烧不均匀将使得火焰状态难以控制，这对于火焰形态与烟气运动规律的定量观测是极为不利的；而不充分燃烧将导致燃料的热值无法完全释放，进而导致试验条件下观测到的烟气运动剧烈程度弱于真实火灾场景；此外，不稳定的反应条件还将导致燃烧所生成的烟气颗粒粒径分布紊乱，不利于提高成像质量。
采用以上结构，使燃料和空气先混合再燃烧，不同于现有技术的直接将燃料通入模型主体内边混合边燃烧，可以使燃料的燃烧更为充分，因此燃料的消耗量更能反映烟气的产生量。此外，还利于控制火焰形态和产生稳定烟气，从而使模拟结果更加准确。
可选的，所述混合室的空腔内设有并列布置且形状相同的上、下两层环形管道，所述环形管道为矩形截面绕圆周旋转形成的环形空腔结构，包括同心的内侧壁和外侧壁；两环形管道的外侧壁分别与所述燃气进气口和空气进气口对接， 两环形管道的内侧壁均设有多个出气微孔。
将燃气和空气从出气微孔中排出，可以形成多个微小的紊流，有利于燃气和空气的充分混合，并提高所述的混合气体的出流均匀性，加上进气方向与出气方向的垂直设置，可以使火焰形态保持相对稳定，方便对烟气扩散轮廓的记录。
可选的，所述混合室的横截面为正方形，且所述环形管道的外侧壁与所述混合室的内壁相切，所述正方形的边长w 1与所述混合气体的流量Q满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000002
式中，w 1的单位为m，Q的单位均为m 3/h。
可选的，所述环形管道的内径R 2和外径R 1满足以下关系式：
0.6R 1≤R 2≤0.8R 1；
所述混合室的高度h 1与所述环形管道的内径R 2满足以下关系式：
h 1≥8R 2；
所述上、下两层环形管道之间的间距S 0满足以下关系式：
h 1-S 1-S 2-0.2<S 0<h 1-S 1-S 2-0.1；
式中，S 1为上层环形管道的高度，S 2为下层环形管道的高度，S 1和S 2的单位均为m；
所述内侧壁的开孔率n 0满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000003
可选的，所述整流室从下到上依次包括为梯形体和长方体，所述出气口设在长方体的顶面，所述梯形体的上底为与所述混合室对接的正方形，所述梯形体的下底为与所述长方体对接的长方形；所述梯形体的上底和下底之间设有弧形分流板；所述长方体在高度方向的中部设有水平的一级均流网，所述出气口设有水平的二级均流网；
所述梯形体的其中两个侧面与水平面垂直，另外两个侧面与水平面夹角为10°～45°；所述的弧形分流板对应的圆心角为5°～8°；所述的弧形分流板的下端与 水平面的夹角为67.5°～80°；弧形分流板的表面为圆弧面，该夹角是指圆弧面在下端的切面与水平面的夹角。
所述的一级均流网与弧形分流板之间的间距为100mm～150mm；所述一级均流网的开孔率为25％～40％，孔径为4mm～6mm。
可选的，所述的一级均流网与二级均流网之间的距离h 4满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000004
式中，n和r 0分别为所述一级均流网的开孔率和开孔半径，r 0和h 4的单位均为mm；
所述二级均流网开孔率n’满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000005
式中，Q为所述混合气体的流量，单位为m 3/s；A为所述长方体的矩形顶面的面积，单位为m 2。
通过以上设置，能提供恒定的燃烧条件，可保证燃料的热值充分释放，解决了不充分燃烧导致的火源功率与燃料消耗量无法对应的问题，同时燃烧所生成的烟气具有较为稳定的粒径分布特征，可有效提高测试结果的可靠性与可观测性。
可选的，所述多个激光片光源在所述模型主体内分两列布置，分别沿所述模型主体的宽度方向和高度方向；每一列激光片光源包含2～5个间距小于0.3m的激光片光源。
每一列激光片光源的数量少于2个时不能实现三维观测，每一列激光片光源的数量大于5个时，受激光谱宽与滤光片波长分辨率限制，不同激光片光源发射的激光会相互干扰，影响成像质量。
模型试验中烟气达到充分的湍流流动状态需要不小于0.3m的空间尺度，通过以上设置可以观察烟气流动的湍流发展过程。
可选的，所述激光片光源的发射出的激光的波长λ与所述燃料燃烧产生的烟气比表面积特征粒径D满足以下关系式：
π·D 32-10＜λ＜π·D 32+10
式中，λ和D的单位均为nm。
所述烟气成像系统的工作原理为：当光线穿过烟雾时，将在烟气颗粒的作 用下发生散射，散射使得光线在非原传播方向上发生能量重分布，以烟雾颗粒为中心向各个方向辐射散射光，散射光被图像记录装置接收成像，进而完成烟气颗粒运动轨迹的观测与记录。
所述烟气成像系统的成像效果与散射光强度具有直接的相关性，实验结果表明，散射光强度主要所述激光受片光源发射的激光波长λ与烟雾比较面积特征粒径D 32影响。在满足λ＝π·D 32时散射光强度最好，成像效果较好。具体地，常用燃料充分、稳定燃烧时所生成烟气的峰值粒径范围与推荐使用的激光器波长如下表所示：
燃料类型 峰值粒径/nm 片光源28类型 波长分布/nm
乙醇 80～120 氩气激光器(蓝) 488±10
甲烷 60～80 氩气激光器(蓝) 488±10
液化气 80～100 氩气激光器(蓝) 488±10
正庚烷 200～250 氦气激光器(红) 633±10
聚氨酯 170～210 氦气激光器(绿) 543±10
本发明提供了一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台，填补了国内地下交通转换通道领域比尺模型实验装置的技术空白，可进行不同火源位置、火源功率、联络道坡度及通风方案工况的火灾烟气扩散试验，同时，可以对烟气的横向蔓延的三维特性做观测记录。
此外，本地下交通转换通道火灾模拟实验平台还具有以下优点：
1)缩尺比例依据流动相似原理进行设计，与地下交通转换通道的特定场合相适应；
2)实验模拟得到的结果更接近实际情况，依据流体动力学原理，以压力调节与流量分配为手段，设计可使得燃气与空气充分混合并均匀、稳定燃烧的燃烧器，从而将燃烧的充分程度提高至98％以上，同时使得燃烧产物具有恒定、可控的粒径分布；
3)采用温度、速度、压力测量系统对试验数据进行采集，设计可显示烟气复杂运动特征的三维成像系统对火灾烟气运动情况进行记录，从而为研究地下交通转换平台内火灾烟气扩散特性打下基础，为相关的排烟控烟方案设计提供依据。
附图说明
图1为地下交通转换通道火灾模拟实验平台一实施例的结构示意图；
图2为地下交通转换通道火灾模拟实验平台的主视图；
图3为一列激光片光源和对应图像记录设备的结构示意图；
图4为燃烧器及供气装置的结构示意图；
图5为燃烧器的外形示意图；
图6为燃烧器内部结构示意图；
图7为一实施例中火源处得到的烟气切片图像；
图8为一实施例中靠近观察窗处得到的烟气切片图像；
图9为一实施例中远离观察窗处得到的烟气切片图像；
图10为采用现有技术得到的烟气切片图像；
图11为乙醇在不同燃烧器内燃烧时粒径相对浓度分布；
图12为乙醇在不同燃烧器内燃烧时热值变化。
图中附图标记说明如下：1、模型主体；11、敞开段单元；12、波纹软管；13、联络通道单元；14、千斤顶；15、固定铰支座；16、第一预留口；17、第二预留口；18、第三预留口；19、气体接口；2、燃烧器；22、混合室；221、燃气进气口；222、空气进气口；223、环形管道；2231、上层环形管道的高度；2232、下层环形管道的高度；224、出气微孔；23、整流室；231、梯形体；232、长方体；233、出气口；234、弧形分流板；235、一级均流网；236、二级均流网；31、激光片光源；32、图像记录设备；33、滤光片；4、通风排烟系统；41、变频风机；42、引流管道；43、射流喷嘴；5、空气压缩机；6、减压阀；7、压力表；8、气体流量计；9、燃气罐；10、燃液瓶；101、电子天平；21、三向阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为 了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。
如图1、图3所示，一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台，包括模拟地下交通转换通道的模型主体1，与模型主体1对接并产生烟气的燃烧器2，以及烟气成像系统；烟气成像系统包括激光片光源31和记录烟气分布图像的图像记录设备32；激光片光源31为布置在模型主体1内的多个，激光片光源31发射的平面激光与烟气的流动方向平行；图像记录设备32为与激光片光源31一一对应的多个，布置在模型主体1内；相对应的一对激光片光源31和图像记录设备32，各自带有滤出相同波长的激光的滤光片33。
通过以上多个激光片光源31的布置可以避免激光片光源31所发射的激光之间的相互影响，从而使每个图像记录设备32得到清晰的图像。一个激光片光源31和一个图像记录设备32为一个组合，可以得到一个烟气轮廓的切片图像，该切片与烟气的流动方向(如图1中箭头所指方向)平行；一组相互平行的切片可以反映出烟气沿横向(垂直于烟气的流动方向)或纵向(垂直于烟气的流动方向)的扩散特性。
在以上设置基础上，在其他实施例中，沿所述的横向布置一列激光片光源组，分别设置在火源处、靠近观察窗处和远离观察窗处，得到一组烟气轮廓的切片图像，分别如图7、图8、图9所示。若不采用本发明所述技术，仅将三台激光片光源设置在对应位置，则将观察到如图10所示的烟气轮廓相互堆叠的现象，相比图10，改进后装置所得到切片图像组更能反映不同位置烟气轮廓的真实情况。
在其他实施例中，如图1所示，模型主体1为空腔结构，模型主体的尺寸为实际地下工程的1/9～1/6。模型主体1包括敞开段单元11，敞开段单元11的两端通过波纹软管12连接有联络通道单元13，联络通道单元13上连接有调节联络通道单元13的坡度的千斤顶14和固定铰支座15。联络通道单元13的侧壁设有第一预留口16，通过第一预留口16可以接入模拟地下车库的分叉道，也可嵌入防火玻璃作为观测窗口。敞开段单元11的侧壁设有第二预留口17。通过第二预留口17可以接入现有技术的风速传感器111、压力传感器112和温度传感器113。敞开段单元11和联络通道单元的底部设有第三预留口18，通过第三预留口18接入燃烧器2。
在其他实施例中，如图1所示，模型主体1包括供新风和烟气流动的风道 和围成风道的模型壁，模型壁上设有多个空气接口19。地下交通转换通道火灾模拟实验平台还包括接入模型主体1的通风排烟系统4；通风排烟系统4包括多套依次连接的变频风机41、引流管道42和射流喷嘴43；变频风机41产生的新风经引流管道42从射流喷嘴43流出，新风经射流喷嘴43接入气体接口19。射流喷嘴43安装在联络通道单元13的模型壁的上方，可以模拟隧道纵向通风系统中的射流升压效应，可通过调整变频风机41的工作频率实现新风风速的调节。
在其他实施例中，如图1、图3所示，多个激光片光源31在模型主体1内分两列布置，分别沿模型主体1的宽度方向和高度方向；每一列激光片光源31包含2～5个间距小于0.3m的激光片光源31。激光片光源31的发射出的激光的波λ长与燃料燃烧产生的烟气峰值粒径D满足π·D-10＜λ＜π·D+10；式中，λ和D的单位均为nm。
为了方便控制测量燃料的供应量，在其他实施例中，如图4所示，地下交通转换通道火灾模拟实验平台还包括接入燃烧器2的燃料供应模块和空气供应模块。空气供应模块包括依次连接在空气输送管路上的空气压缩机5、减压阀6、压力表7和气体流量计8。燃料供应模块包括气体燃料供应模块和液体燃料供应模块。
气体燃料供应模块包括依次连接在气体燃料输送管路上的燃气罐9、减压阀6、压力表7和气体流量计8。液体燃料供应模块包括依次连接在液体燃料输送管路上的空气压缩机5、减压阀6、压力表7和装有液体燃料的燃液瓶10，燃液瓶10下方设有通过测量燃液瓶10中液体燃料的质量表示液体燃料流量的电子天平101。空气经过燃液瓶10将液体燃料的蒸汽带入液体燃料输送管路；空气供应模块直接接入燃烧器2，气体燃料供应模块和液体燃料供应模块通过三向阀21选择其中之一接入燃烧器2。
通过以上设置已经可以对具有明显宽浅特性的地下交通转换通道中烟气的横向蔓延特征做三维图像观察。为了让观察结果与真实火场的烟气蔓延特性更为接近，使模拟实验的结果更具指导意义，可以进一步对现有的烟气发生系统做出改进。
在其他实施例中，如图5、图6所示，燃烧器2为垂直布置的空腔结构，从下到上依次包括混合室22和整流室23；混合室22的下部设有燃气进气口221和空气进气口222，燃气和空气混合后形成的气体为混合气体；整流室23的上 部设有接入模型主体的空腔内部的出气口233。
混合室22的空腔内设有并列布置且形状相同的上、下两层环形管道223，环形管道223为矩形截面绕圆周旋转形成的环形空腔结构，包括同心的内侧壁和外侧壁；两环形管道的外侧壁分别与燃气进气口和空气进气口对接，两环形管道的内侧壁均设有多个出气微孔224。
整流室23从下到上依包括为梯形体231和长方体232，出气口233设在长方体的顶面，梯形体231的上底为与混合室22对接的正方形，梯形体231的下底为与长方体232对接的长方形；梯形体231的上底和下底之间设有弧形分流板234；长方体232在高度方向的中部设有水平的一级均流网235，出气口233设有水平的二级均流网236。
在其他实施例中，混合室22的横截面为正方形，且环形管道223的外侧壁与混合室22的内壁相切，正方形的边长w 1与混合气体的流量Q满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000006
式中，w 1的单位为m，Q的单位为m 3/h。
环形管道223的内径R 2和外径R 1满足以下关系式：
0.6R 1≤R 2≤0.8R 1；
混合室22的高度h 1与环形管道223的内径R 2满足以下关系式：
h 1≥8R 2；
上、下两层环形管道223之间的间距S 0满足以下关系式：
h 1-S 1-S 2-0.2<S 0<h 1-S 1-S 2-0.1；
式中，S 1为上层环形管道的高度2231，S 2为下层环形管道的高度2232，S 1和S 2的单位均为m；
内侧壁的开孔率n 0满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000007
梯形体231的其中两个侧面与水平面垂直，另外两个侧面与水平面夹角θ 为10°～45°；弧形分流板234对应的圆心角为5°～8°；弧形分流板234的下端与水平面的夹角为67.5°～80°；一级均流网235与弧形分流板234之间的间距为100mm～150mm；一级均流网235的开孔率n为25％～40％，孔径为4mm～6mm。一级均流网235与二级均流网236之间的距离h 4满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000008
式中，n和r 0分别为一级均流网的开孔率和开孔半径，r 0和h 4的单位均为mm；
二级均流网236的开孔率n’满足以下关系式：
Figure PCTCN2019111802-appb-000009
式中，Q为混合气体的流量，单位为m 3/s；A为长方体232的矩形顶面的面积，单位为m 2。
在其他实施例中，敞开段单元11的长度为11.6m，宽度为4.5m，高度为0.83m，联络通道单元13的长度为3.7m。燃气为液态乙醇与空气按1g:4L的比例混合得到，混合室22内混合气体的流量为17.47m 3/s，正方形的边长为0.1m，环形管道223的内径为0.06m，混合室22的高度为0.5m，上、下两层环形管道223之间的间距为0.015m，环形管道223内侧壁的开孔率为1.5％，弧形分流板对应的圆心角为7°，弧形分流板234的下端与水平面的夹角为75°，一级均流网235与弧形分流板234之间的间距为120mm，一级均流网235的开孔率为30％，孔径为5mm，一级均流网235与二级均流网236之间的距离为0.15m，二级均流网236的开孔率为5％。采用以上燃烧器得到的烟气粒径相对浓度的分布如图11所示，释放的热值随时间变化如图12所示，相对现有燃烧器，本燃烧器产生的烟气粒径更统一且使燃料热值得到充分释放。采用本装置进行火灾模拟的数据更接近真实值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

  1. 一种地下交通转换通道火灾模拟实验平台，包括模拟地下交通转换通道的模型主体，与模型主体对接并产生烟气的燃烧器，以及烟气成像系统；所述烟气成像系统包括激光片光源和记录烟气分布图像的图像记录设备；其特征在于：
    所述激光片光源为布置在所述模型主体内的多个，所述激光片光源发射的平面激光与所述烟气的流动方向平行；
    所述图像记录设备为与所述激光片光源一一对应的多个，布置在所述模型主体观测窗外；
    相对应的一对激光片光源和图像记录设备，各自带有滤出相同波长的激光的滤光片。
  2. 如权利要求1所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述模型主体为空腔结构，所述模型主体的尺寸为实际地下工程的1/9～1/6。
  3. 如权利要求1所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述燃烧器为垂直布置的空腔结构，从下到上依次包括混合室和整流室；所述混合室的下部设有燃气进气口和空气进气口，燃气和空气混合后形成的气体为混合气体；所述整流室的上部设有接入所述模型主体的空腔内部的出气口。
  4. 如权利要求3所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述混合室的空腔内设有并列布置且形状相同的上、下两层环形管道，所述环形管道为矩形截面绕圆周旋转形成的环形空腔结构，包括同心的内侧壁和外侧壁；两环形管道的外侧壁分别与所述燃气进气口和空气进气口对接，两环形管道的内侧壁均设有多个出气微孔。
  5. 如权利要求4所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述混合室的横截面为正方形，且所述环形管道的外侧壁与所述混合室的内壁相切，所述正方形的边长w 1与所述混合气体的流量Q满足以下关系式：
    Figure PCTCN2019111802-appb-100001
    式中，w 1的单位为m，Q的单位为m 3/h。
  6. 如权利要求5所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述环形管道的内径R 2和外径R 1满足以下关系式：
    0.6R 1≤R 2≤0.8R 1；
    所述混合室的高度h 1与所述环形管道的内径R 2满足以下关系式：
    h 1≥8R 2；
    所述上、下两层环形管道之间的间距S 0满足以下关系式：
    h 1-S 1-S 2-0.2<S 0<h 1-S 1-S 2-0.1；
    式中，S 1为上层环形管道的高度，S 2为下层环形管道的高度，S 1和S 2的单位均为m；
    所述内侧壁的开孔率n 0满足以下关系式：
    Figure PCTCN2019111802-appb-100002
  7. 如权利要求3所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述整流室从下到上依次包括梯形体和长方体，所述出气口设在长方体的顶面，所述梯形体的上底为与所述混合室对接的正方形，所述梯形体的下底为与所述长方体对接的长方形；所述梯形体的上底和下底之间设有弧形分流板；所述长方体在高度方向的中部设有水平的一级均流网，所述出气口设有水平的二级均流网；
    所述梯形体的其中两个侧面与水平面垂直，另外两个侧面与水平面夹角为10°～45°；
    所述的弧形分流板对应的圆心角为5°～8°；
    所述的弧形分流板的下端与水平面的夹角为67.5°～80°；
    所述的一级均流网与弧形分流板之间的间距为100mm～150mm；
    所述一级均流网的开孔率为25％～40％，孔径为4mm～6mm。
  8. 如权利要求7所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述的一级均流网与二级均流网之间的距离h 4满足以下关系式：
    Figure PCTCN2019111802-appb-100003
    式中，n和r 0分别为所述一级均流网的开孔率和开孔半径，r 0和h 4的单位均为mm；
    所述二级均流网开孔率n’满足以下关系式：
    Figure PCTCN2019111802-appb-100004
    式中，Q为所述混合气体的流量，单位为m 3/s；A为所述长方体的矩形顶面的面积，单位为m 2。
  9. 如权利要求1所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于：所述多个激光片光源在所述模型主体内分两列布置，分别沿所述模型主体的宽度方向和高度方向；每一列激光片光源包含2～5个间距小于0.3m的激光片光源。
  10. 如权利要求1所述的地下交通转换通道火灾模拟实验平台，其特征在于，所述激光片光源的发射出的激光的波长λ与所述烟气的比表面积特征粒径D 32满足以下关系式：
    π·D 32-10＜λ＜π·D 32+10
    式中，λ和D的单位均为nm。
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