一种用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及隧道通风领域，具体涉及一种用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置。


背景技术：

2.自国际隧道协会提出“大力发展地下空间，开始人类新的穴居时代”的倡议以来，地下空间的开发利用作为解决人口、环境、资源三大难题的重大举措，得到了世界各国的积极响应。特别是施建交通隧道，不仅可以缓解城乡交通压力，解决交通干线跨江越海受到的限制，而且可以缩短线路里程，降低对周围环境和人民生产、生活的影响。但是，随着经济及社会的发展，尤其是隧道修建技术的迅猛发展，隧道修建越来越趋于复杂化，在给人们生产、生活带来便利的同时，也导致了许多新的技术难题，诸如长距离隧道防灾通风、火灾逃生及疏散救援等。其中，隧道通风系统一直是影响隧道工程建设方案可行性的因素之一。如果拟建隧道通风系统过于复杂，尤其是设置于隧道顶部的风道面积偏大时，会导致隧道工程建设初投资和施工风险增大。因此，如何合理设计风道面积一直是隧道通风系统研究的重点和难点。
3.目前，研究隧道通风排烟系统的方法有很多，主要包括工程类比、数值模拟、理论分析和模型实验。其中，王亚琼等申请了“一种隧道通风模型试验测试系统”的实用新型专利，研究开发测试调理机箱，能根据实时测得的风速风压值计算静压；崔兴华等申请了“一种可调坡度管廊通风模型装置”实用新型专利，能够找出可以快速排除烟雾的坡度，以便实际施工用的管道角度进行适当的调节；武义凯等申请了“一种隧道通风模型的可调节横通道”，使得主通道与横通道之间角度可调节，方便在横通道与主通道呈一定夹角的情况下，达到降低能量损失，提高通风效率和仿真度的效果。
4.综上，上述研究均主要集中在模型实验中测试计算、通风节能、快速排烟等问题，并未提出如何在隧道通风系统中合理设计风道面积(即：风道板和顶部空间合围构成的断面面积)，在满足通风方案的可行性同时，降低施工投资和施工难度。


技术实现要素：

5.为了解决现有隧道通风系统以及隧道通风系统施工方案中，存在的隧道顶部风道面积偏大或设计不合理的问题，本实用新型提供一种可以用于确定实际工程隧道通风系统中最小风道面积的实验装置及方法。该装置及方法可以为隧道通风系统的设计提供理论依据，也可用于验证隧道通风方案的可行性，为实现降低隧道工程建设初投资和施工风险提供了可能。
6.本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置，所述实验装置包括隧道实验模型以及用于隧道实验模型内部通风的风机，其中：
7.所述隧道实验模型以实际工程隧道为参照，按比例缩制；
8.所述隧道实验模型由隧道主体和隧道拱顶构成，所述隧道拱顶下方设有与隧道主体滑动密封连接的风道板；
9.所述风道板下方设有用于支撑和调节风道板高度的调节机构，所述风道板与上方隧道实验模型部分合围构成的密封空间的断面面积为风道面积，可随风道板高度的变化而改变。
10.进一步地，所述隧道实验模型参照实际工程隧道的纵向长度及断面周长，按比例缩制。
11.进一步地，所述调节机构为液压千斤顶；所述风机为变频轴流风机，分别包括设置于隧道实验模型顶部一侧的送风机以及设置于隧道实验模型顶部另一侧的抽风机。
12.作为优选地，所述隧道实验模型采用高透光率及可弯曲的工程材料制成；所述风道板采用冷轧钢板制成，所述风道板厚度为2
‑
5mm。
13.本实用新型还提供了一种用于确定实际工程隧道通风系统中最小风道面积的方法，包括以下步骤：
14.s1，以实际工程隧道通风系统为参照，按比例缩制上述方案中的任一所述的实验装置；
15.s2，确定实际工程隧道通风系统中的风机风量q1，根据公式计算隧道实验模型中，设置于隧道实验模型顶部一侧的送风机的风量q2；
16.s3，通过设置于隧道实验模型中风道板下方的调节机构改变风道板的高度，继而实现风道面积的改变，并记录相应风道面积下的风机余压p2；
17.s4，根据步骤s3记录的与不同风道面积相对应的风机余压p2，计算实际工程隧道通风系统中的实际风机余压p1，计算公式如下：
[0018][0019]
其中，p1为实际工程隧道通风系统中的风机余压，单位pa；p2为隧道实验模型中的风机余压，单位pa；λ1为实际工程隧道沿程阻力系数，无量纲常数；λ2为隧道实验模型沿程阻力系数，无量纲常数；n1为实际工程隧道和隧道实验模型的纵向长度比，无量纲常数；n2为实际工程隧道和隧道实验模型的断面周长比，无量纲常数；
[0020]
s5，根据步骤s4得到的计算结果绘制不同风机余压p1与相对应的实际工程隧道通风系统中的风道面积的关系曲线，并与设定的风机特性曲线进行关联，确定风机风量q1下的风道面积，即为实际工程隧道通风系统中，需确定的最小风道面积。
[0021]
进一步地，所述步骤s4中，λ1的取值由实际工程隧道的材料性质决定；λ2的取值由隧道实验模型的材料性质决定；步骤s5中，不同风机余压p1所对应的实际工程隧道通风系统中的风道面积，根据隧道实验模型中对应的风道面积计算得到。
[0022]
本实用新型同现有技术相比具有以下优点及效果：
[0023]
1、本实用新型所述的用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置包括隧道实验模型、风机、风道板以及调节机构；其中，所述风道板采用滑动密封连接的方式与隧道实验模型进行装配，所述调节机构设置于风道板的正下方，用于支撑并调节风道板的高度，以实现风道板与上方隧道实验模型部分合围构成的密封空间的断面面积的改变，即：风道
面积的改变。这种风道面积可调的实验装置可用于模拟实际工程隧道通风系统中的通风排烟情况，为实际工程隧道通风系统中确定最小风道面积创造了条件。
[0024]
2、本实用新型所述的用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置，结构简单，设计巧妙，安装方便，且易于模拟与操作，通过控制器可实现风道面积的精确调节；本实用新型所述的用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验方法在基于风机特性曲线的基础上，可以有效避免繁琐的理论计算，迅速快捷地确定与实际工程隧道通风系统相对应的最小风道面积。
[0025]
3、本实用新型所述的用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置及方法可为现有隧道通风系统的结构设计提供理论依据，也可用于验证现有隧道通风方案的可行性，为实现降低隧道工程建设初期投资和施工风险提供了可能。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本实用新型实施例1所述一种用于确定实际工程隧道通风系统中最小风道面积的实验装置的结构示意图。
[0028]
图2为本实用新型实施例1所述一种用于确定实际工程隧道通风系统中最小风道面积的实验装置的剖面图。
[0029]
图3为利用本实用新型实施例1所述实验装置进行风道面积调节的示意图。
[0030]
图4为本实用新型实施例2所述方法中，隧道实验模型中的不同风道面积和风机余压关系对比图。
[0031]
图5为本实用新型实施例2所述方法中，实际工程隧道中的不同风道面积与风机余压关系曲线与风机特性曲线对比图。
[0032]
标号说明：1、隧道实验模型；2、送风机；3、抽风机；4、调节机构；5、风道板；6、风道面积。
具体实施方式
[0033]
下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
[0034]
实施例1：如图1至3所示，一种用于确定实际工程隧道最小风道面积的实验装置，该实验装置包括隧道实验模型1以及用于隧道实验模型1内部通风的风机；
[0035]
其中：所述隧道实验模型1以实际工程隧道为参照，按比例缩制；所述实验模型1由隧道主体和隧道拱顶构成，所述隧道拱顶下方设有与隧道主体滑动密封连接的风道板5，所述风道板5下方设有用于支撑和调节风道板5高度的调节机构4，所述风道板5与上方隧道实验模型部分合围构成的密封空间的断面面积为风道面积6，可随风道板5高度的变化而改变。
[0036]
具体地，本实施例1中，所述隧道实验模型1参照实际工程隧道的纵向长度及断面
周长，按比例缩制得到；所述调节机构4为液压千斤顶，所述风机为变频轴流风机，分别包括设置于隧道实验模型1顶部一侧的送风机2以及设置于隧道实验模型1顶部另一侧的抽风机3。
[0037]
作为优选的实施方式，本实施例1中，所述隧道实验模型1采用高透光率及可弯曲的工程材料制作；所述风道板5采用冷轧钢板制成，所述风道板5厚度为2
‑
5mm，优选2mm。
[0038]
实施例2：如图3至5所示，一种用于确定实际工程隧道通风系统中最小风道面积的方法，具体包括以下步骤：
[0039]
s1，以实际工程隧道通风系统为参照，按比例缩制实施例1中所述的隧道实验模型1；具体地，设定实际工程隧道的纵向长度为l1(单位：m)，断面周长为u1(单位：m)；隧道实验模型的纵向长度为l2(单位：m)，断面周长为u2(单位：m)；根据缩放比例得到：
[0040]
l1＝n1·
l2ꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
u1＝n2·
u2ꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
s2，确定实际工程隧道通风系统中的风机风量q1，根据公式计算隧道实验模型1中，设置于隧道实验模型1顶部一侧的送风机2的风量q2；
[0043]
s3，通过设置于隧道实验模型中风道板5下方的调节机构4改变风道板5的高度，继而实现风道面积6的改变，并记录相应风道面积6下的风机余压p2；
[0044]
s4，根据步骤s3记录的与不同风道面积6相对应的风机余压p2，计算实际工程隧道通风系统中的实际风机余压p1，计算方法如下：
[0045]
(a)建立速度1:1比例尺有：
[0046]
υ1＝υ2ꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
上式中，υ1为实际工程风速，单位：m/s；υ2为隧道实验模型风速，单位：m/s；
[0048]
(b)根据水力直径d的计算公式以及断面面积s与断面周长u的计算公式：
[0049][0050][0051]
上式中，d为水力直径，单位：m；c为常数，无量纲常数；s为隧道断面面积，单位m2；u为断面周长；
[0052]
(c)根据沿程阻力计算公式：
[0053][0054]
其中，p为风机余压，单位为：pa；λ为沿程阻力系数；l为隧道纵向长度，单位为：m；ρ为气体密度；υ为空气风速，单位为：m/s；
[0055]
d)综合计算公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，推导得到用于计算实际工程隧道通风系统中的风机余压p1的公式(8)：
[0056]
[0057][0058]
其中，p1为实际工程隧道通风系统中的风机余压，单位pa；p2为隧道实验模型中的风机余压，单位pa；λ1为实际工程隧道沿程阻力系数，无量纲常数；λ2为隧道实验模型沿程阻力系数，无量纲常数；n1为实际工程隧道和隧道实验模型的纵向长度比，无量纲常数；n2为实际工程隧道和隧道实验模型的断面周长比，无量纲常数；
[0059]
s5，根据步骤s4得到的计算结果绘制不同风机余压p1与相对应的实际工程隧道通风系统中风道面积的关系曲线，并与设定的风机特性曲线进行关联，确定风机风量q1下的风道面积，即为实际工程隧道通风系统中，需确定的最小风道面积。
[0060]
其中，所述步骤s4中，λ1由实际工程隧道的材料性质决定；λ2由隧道实验模型的材料性质决定；不同风机余压p1所对应的实际风道面积由隧道实验模型中对应的风道面积推算得到。
[0061]
具体地，应用本实用新型实施例1所述的实验装置以及实施例2所述的实验方法，设计如下试例：
[0062]
以某工程为例，隧道长度2000(m)，断面面积9.8(m2)。按照相似原理建立隧道实验模型，模型长度20(m)，断面面积0.098(m2)，根据公式(1)、(2)、(5)，计算得到：n1＝1:100，n2＝1:10。
[0063]
实际隧道工程沿程阻力系数λ1＝0.022，隧道实验模型采用高透光率、可弯曲的pmma材料制作，实验模型沿程阻力系数λ2＝0.015。
[0064]
根据相似理论，计算实际工程隧道通风系统中，风量q1＝60m3/s，隧道实验模型风机风量
[0065]
在进行量化分析前，通过实验得到如下数据：风道面积和风机压力p2，实验数据如下：
[0066]
(a)隧道实验模型中，通过调节机构改变风道板的高度，继而改变风道面积；记录数据如下：
[0067]
风道面积分别为{0.06,0.061,0.062,0.063,0.064,0.065,0.066,0.067,0.068,0.069,0.07,0.071,0.072,0.073,0.074,0.075,0.076,0.077,0.078,0.079,0.008}，单位：m2；
[0068]
(b)与上述每一个风道面积相对应的风机压力p2分别为{180.4,173.3,166.5,160.1,154.1,148.4,142.9,137.8,132.9,128.3,123.9,119.7,115.7,111.9,108.3,104.8,101.5,98.5,95.4,92.5,89.7}，单位：pa；其中，风机压力p2可从风机系统中直接读取。
[0069]
将上述实验数据进行处理，得到图4所示的风机余压p2与风道面积的关系曲线图；其中，纵坐标的变量为隧道实验模型通风系统中的风机余压p2，单位：pa，横坐标为风道面积，单位：m2。
[0070]
最后，利用公式(8)分别计算与风机余压p2相对应的实际工程隧道通风系统的风机余压p1，并根据相似原理，将与风机余压p2相对应的实验模型中风道面积转换成实际工程隧道通风系统中的风道面积，绘制不同风机余压p1与相对应的实际工程隧道通风系统中风
道面积的关系曲线(如图5中“—
□
—”所示)，并与设定的风机性能拟合曲线(如图5中“—δ—”所示)进行关联。
[0071]
其中，该风机性能拟合曲线为：
[0072]
p＝
‑
0.0025326548
·
q3 0.89296077
·
q2‑
97.151025
·
q 4865.321。根据该性能曲线，可以得出该风机总阻力和风机风量的关系曲线，如图5中“—δ—”所示。
[0073]
根据图5的数据表明，针对该工程，最小风道面积为7.2m2。
[0074]
综上，本实用新型通过分析具体实施方案，做出如下归纳：
[0075]
通过调整风道面积后的隧道实验模型，可直接读取轴流风机的运行参数q2、p2，能测算出该模型对应的实际工程隧道通风系统所需的最小风道面积；因此，本实用新型提出了一种具有简单、可靠的风道面积可调式隧道实验模型及计算方法。
[0076]
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。