一种蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统的制作方法

1.本发明涉及公路隧道火灾安全技术领域，尤其涉及一种蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统。


背景技术：

2.公路隧道发生火灾时，隧道内发生不完全燃烧，产生大量高温有毒烟气，对人的生命安全和隧道结构等构成严重威胁。据统计公路隧道火灾绝大部分人员伤亡的主要原因是吸入了高温有毒烟气，因此公路隧道火灾烟气流动规律及控制方法研究十分关键。随着西部山区高速公路建设的不断推进，为克服地形高差、减缓坡度和避开不良地质条件等因素，复杂线型隧道逐渐增多，隧道平面线型从以往直线型发展到曲线型，甚至蛇型，如雅安至叶城国家高速公路康定过境段项目跑马山1号隧道就是典型的蛇型曲线隧道。由于蛇型曲线隧道线型不用于直线隧道及一般曲线隧道，使得其火灾烟气扩散特性及防灾控制方法也与有所区别。
3.现阶段国内外研究者针对不同火灾场景下直线隧道内烟气扩散规律展开研究取得了一系列成果。1950年英国学者基于froude数提出了隧道火灾烟气控制的临界风速计算方法。2004年澳大利亚的bari和naser采用数值计算方法对公路隧道阻塞工况时在纵向通风系统下火灾烟气的扩散规律进行了研究和分析。研究结论发现火灾发生8分钟后，火灾烟气的co和co2浓度都对人身安全造成了严重的危害。2006年韩国的lee等人对隧道断面结构形式对火灾烟气扩散的影响进行了研究，结果发现隧道断面高宽比的增加将会降低火源附近的温度。2010年意大利的betta等人通过改变射流风机进、出口与地面的夹角改变射流特性，研究了在不同夹角形式下火灾烟气的流动特性，提出了最佳的夹角方案。2015年，soufien和rejeb对阻塞条件下隧道内火灾烟气临界风速和回流层长度的影响进行了计算分析。国内相关研究起步较晚，但也取得了一系列显著的成果：西南交通大学王峰、王明年、杨其新等以秦岭终南山特长公路隧道、双螺旋曲线公路隧道等一些特点鲜明的工程为依托，针对特长公路隧道和曲线隧道火灾烟气分布及动态扩散特性以及控制方法开展了大量的试验和数值计算研究，不仅获得了特长公路隧道火灾烟气流动特性及控制方法，同时在曲线隧道内曲壁面边界条件和断面不同部位火源点对火灾烟气流动以及临界风速的影响也取得了较丰富的研究成果。此外长安大学、同济大学、中科院等在公路隧道火灾烟气扩散机理、通风设计计算方法及控制参数方面也取得了一系列成就。目前针对公路隧道烟气流动及控制技术的研究主要针对直线隧道，部分学者对曲线隧道的火灾烟气分布及扩散特性进行了研究，但是不具有普遍适应性，对蛇型曲线隧道火灾烟气流动规律及烟气控制技术方面的研究还极其缺乏。
4.目前对蛇型曲线隧道发生火灾时烟气的扩散规律和控制方法缺乏深入了解，亟需建立相关试验模拟平台开展深入研究。目前国内尚未出现相关蛇型曲线隧道的模拟系统平台，因此有必要发明一种蛇型曲线公路隧道火灾烟模拟实验平台系统，用于研究蛇型曲线隧道火灾温度场分布规律、烟气流动特性等方面，进而针对该类型隧道提出合理的防灾控
制方法，对保障蛇型曲线隧道运营安全和人民生命安全具有重要意义。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的在于提供一种蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统能模拟出蛇型曲线公路隧道典型火灾位置的基本火灾场景，并以此研究典型火灾位置发生火灾时隧道内温度场分布规律、烟气扩散特性及对应的防灾控制方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统，其特征在于，包括：蛇型曲线公路隧道模型、火灾纵向通风系统和测试系统；火灾纵向通风系统为蛇型曲线公路隧道模型提供纵向通风的条件；测试系统布置于蛇型曲线公路隧道模型周围，用于采集一些相关的数据。
8.进一步的，蛇型曲线公路隧道模型，由隧道主体和隧道支架构成；其中，隧道主体由厚度为2mm的薄钢板搭建，表面外部铺设水泥砂浆隔热层，一侧壁设置为透明防火钢化玻璃；隧道支架采用结构钢构建，支撑蛇型曲线公路隧道模型位于同一水平高度；蛇型曲线公路隧道模型按典型双线公路隧道断面设计，相似比1:25。
9.进一步的，火灾纵向通风系统由轴流风机、变频器和整流系统组成，轴流风机布置于模拟蛇型曲线公路隧道模型入口处；变频器连接轴流风机，为蛇型曲线公路隧道模型提供可调节的、稳定的纵向风；在轴流风机前有设有整流系统，通过整流系统使纵向风保持稳定，纵向风速通过风速仪标定。
10.进一步的，测试系统包括燃料质量损失测试系统、烟气温度测量系统、风速测试系统和图像测量系统。
11.进一步的，燃料质量损失测试系统布置于隧道火源位置下方，包括电子天平、油盘托架、承重托架、滑移槽及与电子天平相连接的数据采集装置；滑移槽的宽度确保称重托架在槽内横向移动且不与槽壁接触，在试验过程中保证滑移槽缝隙密封，以防止底部卷吸影响燃烧，滑移槽上设有相应刻度，隧道火源可通过滑移槽移动到隧道断面横向任意位置，以模拟蛇型曲线隧道不同车道或者车道不同位置的火灾；隧道火源是灌装燃料的方形油池，燃料是公路隧道火灾车辆用燃料汽油或柴油其中一种；承重托架用于承重电子天平与油盘托架。
12.进一步的，烟气温度测量系统包括布置于隧道内横截面上的热电偶，以及与热电偶电信号连接的温度数据采集装置；烟气温度测量系统包括8个温度测试断面，其中隧道火源正上方布置1个测试断面；隧道火源上游布置4个测试断面，分别距离隧道火源-0.15m、-0.3m、-0.45m、-0.6m处；隧道火源下游布置3个测试断面，分别距离隧道火源0.15m、0.3m、0.45m处；温度测试断面，其中隧道火源正上方测试断面设置5列热电偶束，中心1列位于断面中心位置，每列布置5个热电偶，依次间距2cm、4cm、4cm、4cm、4cm，两侧各1 列热电偶束均距离隧道侧壁2cm，每列布置4个热电偶，依次间距2cm、5cm、 4cm、4cm；另设置2列位于相邻列中间距离隧道侧壁9cm，每列布置3个热电偶，依次间距2cm、4cm、4cm，其余测试断面仅由隧道顶部向下设置1列热电偶束位于隧道断面中心位置，每列布置5个热电偶，依次间距2cm、4cm、4cm、4cm、 4cm。
13.进一步的，风速测试系统包括布置于隧道内横截面上的风速探头，以及与风速探
头电信号连接的风速数据采集装置。
14.进一步的，图像测量系统包括设置于隧道火源位置附近的图像采集摄相机。
15.进一步的，隧道火源位置包括三种典型火源位置，分别为典型火源位置a、 b、c，其中典型火源位置a布置于距离模型隧道入口4.2m处，累计转角为120 度，典型火源位置b布置于距离模型隧道入口11.9m处，累计转角为160度，典型火源位置c布置于距离模型隧道入口17.5m处，累计转角为320度。
16.进一步的，典型火源位置均布置相同规格的燃料质量损失测试系统、烟气温度测量系统及图像测量系统。
17.本发明的有益效果是：
18.1、本发明第一次提供了一种蛇型曲线隧道火灾模拟试验平台系统，国内外对于复杂线型隧道如蛇型曲线隧道的研究并不多。由于蛇型曲线隧道独特的结构特征，隧道内烟气扩散特性、温度场分布变化及临界风速将呈现出与直线曲线、一般曲线隧道不同的特征。本发明补充了蛇型曲线隧道的烟气流动与防灾控制相关研究的空白。
19.2、该系统试验平台中，蛇型曲线隧道的典型火源位置根据三维数值软件计算确定。蛇型曲线隧道横断面风流分布特征及烟气扩散规律随着纵向距离呈现一定差异，表现出几种典型分布特征。根据三维数值软件确定蛇型曲线隧道的典型火源位置，在保证模拟出蛇型曲线烟气流场特征的前提下，可大大减小实验重复次数，缩减实验成本。
20.3、本试验平台断面形式、燃料类型、火灾规模以及火源距隧道底部高度等均以实际隧道情况按照量纲相似理论予以设置。在确保可信度、准确性的情况下，可避免全尺寸火灾实验的操作复杂、可实施性差、实验误差大、成本高等缺点，通过该试验模拟平台可对蛇型曲线公路隧道典型火源位置处发生的火灾产生的温度场、火灾热释放速率、烟流动态等火灾场景基本要素予以模拟或还原并记录。
21.4、本试验建立的实时监测系统可对蛇型曲线公路隧道典型火源位置火灾燃烧过程及烟气蔓延规律进行记录，通过实时监测得到的大量的数据，一方面可以直观的分析蛇型曲线隧道火灾烟气扩散特性及相应的防灾控制措施，另一方面可以为后续火灾人员疏散设计、隧道防排烟结构布置等提供重要的数据基础及科学支撑，对于该类隧道火灾扑救和人员疏散具有重大指导意义。
附图说明
22.图1为本发明蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统总体结构示意图。
23.图2为本发明蛇型曲线隧道观察窗横断面示意图，图中标记了尺寸，单位 mm。
24.图3为本发明蛇型曲线隧道典型火源位置示意图。
25.图4为本发明蛇型曲线隧道火源横断面示意图。
26.图5为本发明蛇型曲线隧道火源横断面俯视投影示意图。
27.图6为本发明火源正上方断面温度测点布置的正视图，图中标记了尺寸，单位mm。
28.图7为本发明其他测试断面温度测点布置的正视图，图中标记了尺寸，单位mm。
29.图8为本发明风速测试断面测点布置的正试图，图中标记了尺寸，单位mm。
30.图9为本发明提供的一种蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统的示意图。
31.附图标记说明：1、轴流风机；2、整流管段；3、电子天平；4、摄像机；5、隧道支架；6、
静压箱；7、水泥砂浆隔热层；8、防火玻璃观察窗；9、隧道火源；10、滑移槽；11、热电偶；12、风速探头。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
33.实施例1
34.如图9所示，本实施例提供了一种蛇型曲线公路隧道火灾模拟试验平台系统，包括：蛇型曲线公路隧道模型、火灾纵向通风系统和测试系统。
35.如图3所示，本实施例考虑三种蛇型曲线隧道典型火源位置a、b、c，典型火源位置a布置于距离模型隧道入口4.2m处，累计转角为120度，典型火源位置b布置于距离模型隧道入口11.9m处，累计转角为160度，典型火源位置c 布置于距离模型隧道入口17.5m处，累计转角为320度。
36.如图1和图2所示，蛇型曲线公路隧道模型由隧道主体和隧道支架5构成。蛇型曲线公路隧道模型主体是根据实际双向车道公路隧道按照一定相似比例构造，蛇型曲线公路隧道模型总长度为15.7m，蛇型曲线公路隧道模型整体采用厚度为2mm的薄钢板搭建。距离蛇型曲线隧道典型火源位置a、b、c下游2m处分别设置1块长度1.05m的透明防火钢化玻璃，作为防火玻璃观察窗8，便于观察隧道内部火灾发展及烟气蔓延情况，隧道外部铺设一层厚度为20mm水泥砂浆隔热层7，以模拟实际隧道中衬砌达到相应隔热效果；隧道支架5采用角钢构建，支架高度为50mm，以确保隧道主体结构处于一定竖向高度且主体结构保持水平；在隧道出口处设置静压箱6，以防止外界风流的干扰；在隧道入口处设置轴流风机1，用整流管段2来连接轴流风机1和隧道。
37.本实施例中，蛇型曲线隧道模型以某工程依托，断面形式按照1：25的相似比例构造，断面高度为290mm，断面宽度为430mm，蛇型曲线公路隧道模型外侧铺设一层厚度为20mm水泥砂浆隔热层7，用于模拟实际隧道外部衬砌的隔热效果。蛇型曲线公路隧道模型长度按照1：500的相似比例构造，一次曲线段长度为6.28m，半径为2m，累计转角为180度；反向曲线段长度为9.42m，半径为 2m，累计转角为270度。
38.如图1所示，火灾纵向通风系统包括轴流风机1、变频器和整流系统。通过调节轴流风机1为蛇型曲线公路隧道模型提供可调节的、稳定的纵向风，在风机前设有整流系统。整流系统由整流管段2构成，通过整流系统的整流作用，使得纵向风风速保持均匀而稳定。纵向风通过风速仪标定。为保证准确性，风速标定需要在试验过程中实时进行。
39.如图4和图5所示，隧道火源9位置下方布置滑移槽10，隧道火源9可沿滑移槽10在两侧壁间任意位置移动并横向固定；可对蛇型曲线隧道不同车道或车道不同位置的火灾进行模拟，同时滑移槽10上设有相应刻度，可精准定位位置，在试验过程中保证滑移槽10缝隙密封，以防止底部卷吸影响燃烧。
40.本实施例中，隧道火源9是灌装燃料的方形油池，燃料是公路隧道火灾车辆用燃料汽油或柴油其中一种。
41.测试系统包括燃料质量损失测试系统、烟气温度测量系统、风速测试系统和图像测量系统。
42.如图1所示，燃料质量损失测试系统包括电子天平3、油盘托架、承重托架、滑移槽10以及与电子天平3相连接的数据采集装置；电子天平3连接到数据采集装置上，通过电脑实时记录试验中油池中油量的实时质量，通过燃料的质量损失率来计算燃料燃烧速率。隧道火源9的功率大小可以通过油盘尺寸调节。
43.如图6、图7和图8所示，烟气温度测试系统包括隧道火源9正上方测试断面热电偶束群、其余测试断面热电偶束群以及相应连接的数据采集装置。
44.烟气温度测试系统包括8个温度测试断面，其中隧道火源9正上方布置1 个测试断面；隧道火源9上游布置4个测试断面，测试断面与隧道火源9的距离分别为-0.15m、-0.3m、-0.45m、-0.6m；隧道火源9下游布置3个测试断面，测试断面与隧道火源9的距离分别为0.15m、0.3m、0.45m。
45.如图6所示，温度测试系统中热电偶11成点阵布置，其中隧道火源9正上方测试断面设置5列热电偶束，中心1列位于断面中心位置，每列布置5个热电偶11，依次间距2cm、4cm、4cm、4cm、4cm；两侧各1列热电偶束均距离隧道侧壁2cm，每列布置4个热电偶11，依次间距2cm、5cm、4cm、4cm；另设置 2列位于相邻列中间距离隧道侧壁9cm，每列布置3个热电偶11，依次间距2cm、 4cm、4cm。如图7所示，其余测试断面仅由隧道顶部向下设置1列热电偶束位于隧道断面中心位置，每列布置5个热电偶11，依次间距2cm、4cm、4cm、4cm、 4cm。
46.如图8所示，风速测试系统包括布置隧道内横截面上的风速探头12，以及与风速探头12电信号连接的风速数据采集装置；风速测试断面位于模型隧道进口1m处，风速测试断面沿纵向布置6个风速探头12。
47.图像测量系统包括设置隧道火源9位置附近用于图像采集的摄相机4，用于探照以方便观测的高亮度led灯；实验过程中用支架把摄相机4固定于一定位置处，同时调整对焦位置，以方便清楚观测火焰羽流形态及烟流动态。
48.至此完成了整个方法的流程。
49.结合具体实施，可以得到本发明的优点是，本发明第一次提供了一种蛇型曲线隧道火灾模拟试验平台系统，国内外对于复杂线型隧道如蛇型曲线隧道的研究并不多。由于蛇型曲线隧道独特的结构特征，隧道内烟气扩散特性、温度场分布变化及临界风速将呈现出与直线曲线、一般曲线隧道不同的特征。本发明补充了蛇型曲线隧道的烟气流动与防灾控制相关研究的空白。
50.该系统试验平台中，蛇型曲线隧道的典型火源位置根据三维数值软件计算确定。蛇型曲线隧道横断面风流分布特征及烟气扩散规律随着纵向距离呈现一定差异，表现出几种典型分布特征。根据三维数值软件确定蛇型曲线隧道的典型火源位置，在保证模拟出蛇型曲线烟气流场特征的前提下，可大大减小实验重复次数，缩减实验成本。
51.本试验平台断面形式、燃料类型、火灾规模以及火源距隧道底部高度等均以实际隧道情况按照量纲相似理论予以设置。在确保可信度、准确性的情况下，可避免全尺寸火灾实验的操作复杂、可实施性差、实验误差大、成本高等缺点，通过该试验模拟平台可对蛇型曲线公路隧道典型火源位置处发生的火灾产生的温度场、火灾热释放速率、烟流动态等火灾场景基本要素予以模拟或还原并记录。
52.本试验建立的实时监测系统可对蛇型曲线公路隧道典型火源位置火灾燃烧过程及烟气蔓延规律进行记录，通过实时监测得到的大量的数据，一方面可以直观的分析蛇型曲线隧道火灾烟气扩散特性及相应的防灾控制措施，另一方面可以为后续火灾人员疏散设计、隧道防排烟结构布置等提供重要的数据基础及科学支撑，对于该类隧道火灾扑救和人员疏散具有重大指导意义。
53.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
54.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。