隧道防烟分区划分模拟装置及方法、计算模型和应用与流程

1.本发明涉及隧道设计技术领域，具体涉及隧道防烟分区划分模拟装置及方法、计算模型和应用。


背景技术：

2.在隧道火灾防控设计中，防烟排烟系统的设计直接影响到人员是否能按预期计划进行安全疏散，因此如何有效的排出火灾中的烟流和热量一直是国内外在该领域研究中的重点。现代消防科学对火灾烟气的控制方式概括为两种:
①
防止烟气进入安全区域；
②
排出火灾危险区域中的烟气。设计控制烟气流动区域即如何划分防烟分区，是排烟设计中至关重要的一个参数。无论是理论模型还是实验结果，都显示:如果防烟分区划分过小，烟气受到阻挡后，会加速沉降，不利于排烟，严重影响人员安全疏散。如果防烟分区划分过大，排烟口布置分散，与火源距离过远，烟气没有被排出就已经沉降，也不利于及时排出烟气。
3.目前，防烟分区的划分主要集中在对自然排烟控制下的规定，对设置机械排烟系统的建筑及隧道很少有定量化的设计依据。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供隧道防烟分区划分模拟装置及方法、计算模型和应用，通过本发明所述模拟装置及方法能够构建隧道内热烟气前锋蔓延长度的计算模型，该计算模型能够可准确且有效地计算出隧道防烟分区划分长度，为隧道排烟系统设计的提供量化依据。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.隧道防烟分区划分模拟装置，包括隧道模拟体，所述隧道模拟体的顶部设置有通风道，所述隧道模拟体的顶部设置有若干用于连通通风道的通风孔；
7.所述隧道模拟体的顶部沿轴向均匀间隔布置有若干温度探头，所述隧道模拟体内布置有火源；
8.所述通风道的一端设置有风机，所述通风道内出风口处设置有速度探头。
9.本发明所述模拟装置能够模拟隧道，设计匹配的模拟方法能够构建隧道内热烟气前锋蔓延长度的计算模型，该计算模型能够可准确且有效地计算出隧道防烟分区划分长度，为隧道排风系统设计的提供量化依据。
10.进一步地，还包括用于观测隧道模拟体内部烟气流动情况的红外热成像仪和摄像机。
11.进一步地，温度探头为热电偶或温度传感器。
12.进一步地，火源布置在隧道模拟体的底部中心。
13.进一步地，火源为正庚烷。
14.基于隧道防烟分区划分模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
15.s1、利用风速测速仪标定风机风量，确定并记录排风量；
16.s2、点燃火源，并同时开启通风孔和风机，温度探头采集温度数据；
17.s3、基于步骤s2获得的温度数据提取出隧道模拟体不同位置处烟气前锋到达的时间；
18.s4、基于步骤s3获得的烟气前锋到达的时间确定热烟气前锋蔓延长度l，然后确定防烟分区划分长度s，s＝2l；
19.s5、分别更换火源的功率、风机的排风速率、隧道模拟体的高度，重复步骤s1
‑
s3，得到不同模拟条件下的热烟气前锋蔓延长度l；
20.s6、根据公式拟合所得到的数据，确定a、b、c、d、e、f；
21.其中，为隧道模拟体的当量直径，m，式中，q
fuel
为火源功率，kw，ρ
a
为空气密度，kg/m3，c
p
为定压比热容，kj/kg
·
k，q
exhaust
为风机排烟速率，m3/s，t
a
为环境温度，k，g为重力加速度，m/s2，h为隧道有效高度，m。
22.进一步地，步骤s3的具体过程如下：
23.s31、先筛选出采集的温度数据中随时间变化单个测点中温升δt≥7℃的数据重置为true，并将δt<7℃的数据重置为0；
24.s32、提取这个测点第一次出现“true”时所对应的时间；
25.s33、识别该“true”的烟气到达对应该热电偶位置坐标；
26.s34、以此类推提取出不同位置处烟气前锋到达的时间。
27.用于计算热烟气前锋蔓延长度l的计算模型，所述计算模型如下式所示：
[0028][0029]
式中，a、b、c、d、e、f为常数，为隧道模拟体(1)的当量直径，m，为隧道模拟体(1)的当量直径，m，式中，q
fuel
为火源功率，kw，ρ
a
为空气密度，kg/m3，c
p
为定压比热容，kj/kg
·
k，q
exhaust
为风机排烟速率，m3/s，t
a
为环境温度，k，g为重力加速度，m/s2，h为隧道有效高度，m。
[0030]
本发明所述模拟方法基于所述模拟装置，能够获取多组实验数据，根据获取的实验数据，结合上述公式进行数据拟合可确定公式中的a,b,c,d,e,f，因此，在使用上述公式时，可直接获取相关参数(隧道当量直径、火源功率、空气密度、定压比热容、风机排烟速率、环境温度和重力加速度)，即可计算热烟气前锋蔓延长度l，然后确定防烟分区划分长度s，为隧道设计提供了量化依据，其操作简单容易实现。
[0031]
上述计算模型在基于横向排烟的隧道防烟分区划分设计中的应用。
[0032]
进一步地，先获取隧道的相关参数，所述相关参数包括当量直径、火源功率、空气密度、定压比热容、风机排烟速率、环境温度和重力加速度，将上述相关参数代入计算模型计算热烟气前锋蔓延长度l，然后确定防烟分区划分长度s。
[0033]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0034]
1、本发明通过将实验设备进行科学合理的组合，很好地实现了测量隧道火灾烟气
控制系统热烟前锋蔓延长度的目的，填补可所属技术领域隧道火灾烟气控制系统热不具备确定热烟气前锋长度的空白。
[0035]
2、本发明利用隧道顶棚下方测温系统所测得数据，依据按照以下公式即可准确且有效地计算出防烟分区划分长度s,填补了该技术领域的技术空白。
[0036]
3、本发明构思精妙、设计合理、使用方便，为隧道排风系统设计的提供量化依据，具有重要意义。
附图说明
[0037]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0038]
图1为本发明模拟装置的结构示意图；
[0039]
图2为图1的a向剖视图；
[0040]
图3为图1的b向剖视图；
[0041]
图4为本发明模拟火灾烟气蔓延示意图。
[0042]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0043]1‑
隧道模拟体，2
‑
通风道，3
‑
通风孔，4
‑
火源，5
‑
速度探头，6
‑
温度探头，7
‑
风机，8
‑
红外热成像仪，9
‑
摄像机。
具体实施方式
[0044]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0045]
实施例1：
[0046]
如图1
‑
图4所示，隧道防烟分区划分模拟装置，包括隧道模拟体1，所述隧道模拟体1的顶部设置有通风道2，所述隧道模拟体1的顶部均匀设置有若干用于连通通风道2的通风孔3；
[0047]
所述隧道模拟体1的顶部沿轴向均匀间隔布置有若干温度探头6，具体地，隧道顶棚纵向轴线中心线下方每个1m布置温度探头6，所述隧道模拟体1内布置有火源4；
[0048]
所述通风道2的一端设置有风机7，所述通风道2内出风口处设置有速度探头5；
[0049]
在本实施例中，还包括用于观测隧道模拟体1内部烟气流动情况的红外热成像仪8和摄像机9。
[0050]
在本实施例中，所述温度探头6为热电偶或温度传感器。
[0051]
在本实施例中，所述火源4布置在隧道模拟体1的底部中心；所述火源4为正庚烷。
[0052]
在本实施例中，隧道模拟体1主体长400m，内部宽度9.6m，隧道高度可根据实验要求调整。通风道2长度400m，宽度2.4m，高度1.2m，排烟口间距20m。
[0053]
实施例2：
[0054]
基于实施例1所示隧道防烟分区划分模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
[0055]
s1、利用风速测速仪标定风机7风量，确定并记录排风量；
[0056]
s2、点燃火源4，并同时开启风机7和通风孔3，温度探头6采集温度数据；
[0057]
s3、基于步骤s2获得的温度数据提取出隧道模拟体1不同位置处烟气前锋到达的时间，具体地：
[0058]
s31、先筛选出采集的温度数据中随时间变化单个测点中温升δt≥7℃的数据重置为true，并将δt<7℃的数据重置为0；
[0059]
s32、提取这个测点第一次出现“true”时所对应的时间；
[0060]
s33、识别该“true”的烟气到达对应该热电偶位置坐标；
[0061]
s34、以此类推提取出不同位置处烟气前锋到达的时间；
[0062]
s4、基于步骤s3获得的烟气前锋到达的时间确定热烟气前锋蔓延长度l，然后确定防烟分区划分长度s，s＝2l；
[0063]
s5、分别更换火源4的功率、风机7的排风速率、隧道模拟体1的高度，重复步骤s1
‑
s3，得到不同模拟条件下的热烟气前锋蔓延长度l；
[0064]
s6、根据公式拟合所得到的数据，确定a、b、c、d、e、f；
[0065]
其中，为隧道模拟体1的当量直径，m，式中，q
fuel
为火源功率，kw，ρ
a
为空气密度，kg/m3，c
p
为定压比热容，kj/kg
·
k，q
exhaust
为风机排烟速率，m3/s，t
a
为环境温度，k，g为重力加速度，m/s2，h为隧道有效高度，m。
[0066]
参照图4，点燃火源4，开启风机7后，隧道模拟体1内产生高温火灾烟气，烟气在左侧(设置有风机7的一侧)上游得到了控制，其余烟气从隧道模拟体1的右侧(远离风机7的一侧)溢出。实验中通过红外热成像仪8可清楚的观察到烟气在隧道模拟体1内的流动状况并用摄像机9清晰地记录；隧道上游热烟气蔓延距离l即为防烟分区长度s的1/2。
[0067]
实施例3：
[0068]
将实施例2获得的计算模型在基于横向排烟的隧道防烟分区划分设计中的应用：
[0069]
先获取隧道的相关参数，所述相关参数包括当量直径、火源功率、空气密度、定压比热容、风机排烟速率、环境温度和重力加速度，将上述相关参数代入计算模型计算热烟气前锋蔓延长度l，然后确定防烟分区划分长度s。
[0070]
所述计算模型如下式所示：
[0071][0072]
式中，a、b、c、d、e、f为常数，为隧道模拟体(1)的当量直径，m，为隧道模拟体(1)的当量直径，m，式中，q
fuel
为火源功率，kw，ρ
a
为空气密度，kg/m3，c
p
为定压比热容，kj/kg
·
k，q
exhaust
为风机排烟速率，m3/s，t
a
为环境温度，k，g为重力加速度，m/s2，h为隧道有效高度，m。
[0073]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。