一种多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台

摘要

本发明提供一种多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，包括隧道模型主体、纵向通风排烟系统、横向通风排烟系统、火源燃烧模拟系统和测量记录系统；所述纵向通风排烟系统主要由变频轴流风机和整流管段构成；所述横向通风排烟系统主要由排烟管道、变频轴流排烟风机、电动排烟阀、送风管道、变频轴流送风风机和电动送风阀构成；所述火源燃烧模拟系统包括液体火源燃烧模拟系统和气体火源燃烧模拟系统；所述测量记录系统包括风速测量记录系统、烟气温度测量记录系统、烟气成分浓度分析系统和视频记录系统。本发明可以实现多种隧道火灾通风排烟模式的模拟研究，方便测量记录烟气温度、成分和浓度，便于比较各种通风排烟模式的排烟效果。

说明书

技术领域

本发明涉及地铁隧道通风排烟技术领域，具体是一种多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台。

背景技术

随着中国城镇化进程的推进，城市人口密度越来越多，地面道路拥堵不堪，各大城市均在修建自己的地铁交通系统，改善道路交通环境。然而地铁火灾是一个不可回避的问题，尤其是当地铁列车发生火灾失去动力停靠在区间隧道中时，由于隧道是狭长的受限空间，极易造成有毒烟气的中毒事故。因此，在发生火灾时，如果能够对火灾现场进行有效的通风排烟，对火灾烟气实现有效的控制，为人员疏散提供安全无烟的环境，对于减少地铁火灾的人员伤亡具有重要意义。这就需要对隧道火灾中的烟气输运特性进行相应的研究。

现阶段对隧道火灾烟气输运特性的研究主要是通过全尺寸隧道实验研究、小尺寸模型实验研究以及数值模拟研究这三种方法进行的。其中，全尺寸实验研究的准备周期长、可重复性差、资金消耗量大，而数值模拟研究又往往需要实验数据进行对比验证，因此，可重复性好、实验周期短、可信度高的小尺寸模型实验研究就成为隧道火灾研究人员的必选。根据调查研究可知，国内一些科研院所已经建立了一些隧道模型实验台，比如中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室拥有一座长度72m、高度1.30m、宽度1.50m的矩形截面隧道模型实验台，主要用来研究特长公路隧道的纵向通风排烟模式的排烟效果；中南大学建立的马蹄形截面的隧道模型实验台的长度虽然达到52.5m，但是该实验台的截面积只有0.65m²，弧顶最大高度为0.70m，模型路面宽度为1.10m，主要用来研究特长公路隧道主体纵向通风排烟模式和重点通风排烟模式的有效性；西南交通大学的机械学院建立了一座比例为1:15、长度为15m、高度为0.32m、宽度为0.70m的矩形公路隧道主体模型，采用气体火源，主要用来研究公路隧道竖井排烟模式的有效性；武汉大学建立了一座1:20的小尺寸弧顶隧道模型试验台，该隧道模型路面宽度为0.465m，弧顶高度为0.322m，总长度只有13m。另外，韩国的JaeSeongRoh等人也建立了一座1:20的弧顶隧道模型实验台，该试验台的高度和宽度均为0.40m，长度只有10m，隧道的一端安装有变频轴流风机，只能用来模拟研究隧道纵向通风排烟模式的效果。

通过上述调研可知，现阶段的小尺寸模型实验研究平台还存在一些需要改进的地方：

(1)通风排烟模式单一

现有的隧道火灾模拟平台大部分只能实现一种通风排烟方式的模拟研究，要么单纯的自然通风排烟，要么单纯的纵向通风排烟，很少有能够将多种通风排烟模式集成到一体的研究平台。

(2)隧道模型尺寸偏小

现阶段国内外大多数的隧道模型由于受到实验场地的限制，长度基本上都在10m左右的范围内。实际上，隧道模型的尺寸对于模拟结果具有重要的影响。尺寸过小的隧道模型难以满足一些重要的相似准则，横截面积过小会影响烟气的湍流结构，改变烟气运动的流场特征；长度过小则无法模拟研究距离火源较远位置处的烟气运动情况。

(3)火源燃烧模拟方式单一

现有的隧道火灾模拟平台多采用油盘模拟火源的燃烧。但是油盘火源的热释放功率主要由燃料种类和油盘的面积决定，无法实现火源功率的连续调节，实验中需要多次更换火源油盘。

(4)通风风速调控精度低

大多数的隧道火灾模拟平台由于长度比较短，通常不设置整流管段或者设置的整流管段长度不足，使得施加的纵向通风速率不稳定，分布不均匀，从而影响通风排烟效果的模拟研究结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，弥补现阶段隧道火灾模拟研究平台的不足，实现不同种类的通风排烟模式的模拟研究，操作简单，安全可靠，可重复性好，效果明显。

本发明的技术方案为：

一种多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，包括隧道模型主体、纵向通风排烟系统、全横向通风排烟系统、半横向通风排烟系统、火源燃烧模拟系统和测量记录系统；

所述纵向通风排烟系统主要由变频轴流风机和整流管段构成；所述变频轴流风机的出风口与整流管段的一端连通，所述整流管段的另一端通过可拆卸接口与隧道模型主体连通；

所述全横向通风排烟系统主要由排烟管道、变频轴流排烟风机、电动排烟阀、送风管道、变频轴流送风风机和电动送风阀构成；所述排烟管道由设置在隧道模型主体内上部的顶棚与隧道模型主体顶部之间的空隙构成；所述变频轴流排烟风机有两台，分别安装在排烟管道的两端出口处；所述电动排烟阀有若干个，分别安装在顶棚上等间距开设的各个排烟口处；所述送风管道由设置在隧道模型主体内下部的底板与隧道模型主体底部之间的空隙构成；所述变频轴流送风风机有两台，分别安装在送风管道的两端进口处；所述电动送风阀有若干个，分别安装在底板上等间距开设的各个送风口处；

所述半横向通风排烟系统主要由排烟管道、变频轴流排烟风机和电动排烟阀构成；所述排烟管道、变频轴流排烟风机和电动排烟阀为全横向通风排烟系统和半横向通风排烟系统所共用，即所述半横向通风排烟系统是全横向通风排烟系统的一部分；

所述火源燃烧模拟系统包括液体火源燃烧模拟系统和气体火源燃烧模拟系统；

所述测量记录系统包括风速测量记录系统、烟气温度测量记录系统、烟气成分浓度分析系统和视频记录系统。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述隧道模型主体由若干节可拆卸的圆形截面腔室单元连接构成，每一节腔室单元的前侧面均安装有一个曲面钢化玻璃窗，所述曲面钢化玻璃窗从上往下向外打开。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述变频轴流风机的横截面积大于隧道模型主体的横截面积，所述变频轴流风机通过渐缩管与整流管段连通，所述整流管段的长度大于3m。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述液体火源燃烧模拟系统主要由用于放置油盘的油盘托架、用于实时测量记录液体燃料质量的电子天平和电脑构成，所述油盘托架的一端放置在电子天平上，另一端伸入隧道模型主体内部，所述电子天平的输出端与电脑的输入端连接。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述气体火源燃烧模拟系统主要由设置在隧道模型主体内部的多孔燃烧器以及设置在隧道模型主体外部的气体流量计、减压阀和燃料储气瓶构成，所述气体流量计与多孔燃烧器连接，所述燃料储气瓶通过减压阀与气体流量计连接。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述风速测量记录系统主要由设置在隧道模型主体内部且靠近整流管段的可移动风速探针树以及设置在隧道模型主体外部的风速采集仪和电脑构成，所述可移动风速探针树的输出端通过风速采集仪与电脑的输入端连接。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述烟气温度测量记录系统主要由设置在隧道模型主体内部的可移动热电偶树、沿顶棚下侧纵向分布的热电偶线阵以及设置在隧道模型主体外部的温度采集仪和电脑构成，所述可移动热电偶树和热电偶线阵的输出端通过温度采集仪与电脑的输入端连接。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述烟气成分浓度分析系统主要由设置在隧道模型主体内部的可移动烟气采集杆以及设置在隧道模型主体外部的烟气分析仪和电脑构成，所述可移动烟气采集杆的输出端通过烟气分析仪与电脑的输入端连接。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述视频记录系统主要由设置在隧道模型主体外部的激光片光源和视频记录仪构成，所述激光片光源用于向隧道模型主体内部发射片状激光以清晰显示通风排烟过程中烟气运动的流场特征，所述视频记录仪用于实时记录火灾模拟实验的状态以及通风排烟过程中烟气运动的流场特征。

所述的多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，所述隧道模型主体的长度为30m以上。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案可知，本发明模块化程度高，操作简单，功能齐全，弥补了以往隧道火灾模拟研究平台通风排烟模式单一的不足，可以实现自然通风排烟、纵向通风排烟、全横向通风排烟、半横向通风排烟、重点通风排烟等多种地铁区间隧道内火灾通风排烟模式的模拟研究；与此同时，本发明的隧道模型主体的横截面积足够大，长度足够长，完全可以实现火灾时通风排烟的正确模拟，而且隧道模型主体的前侧面全部采用耐高温的钢化玻璃，可视性好，非常方便观察记录火灾烟气的运动特征以及流场结构，方便测量记录烟气温度、成分和浓度，便于比较各种通风排烟模式的排烟效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的隧道模型主体示意图；

图3是本发明的火源燃烧模拟系统示意图，其中，图3(a)为液体火源燃烧模拟系统示意图，图3(b)为气体火源燃烧模拟系统示意图；

图4是本发明的风速测量记录系统示意图；

图5是本发明的烟气温度测量记录系统示意图；

图6是本发明的烟气成分浓度分析系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图6所示，一种多功能地铁区间隧道火灾通风排烟模式模拟研究平台，包括隧道模型主体1、纵向通风排烟系统、全横向通风排烟系统、半横向通风排烟系统、火源燃烧模拟系统和测量记录系统。

隧道模型主体1固定在试验台支架0上，由若干节可拆卸的圆形截面腔室单元连接构成，每一节腔室单元的前侧面均安装有一个耐高温的曲面钢化玻璃窗1-1，方便观察烟气运动的流场特征，易于记录通风排烟的效果，并且该曲面钢化玻璃窗1-1可以从上往下向外打开，方便布置或更换隧道模型主体1内部的一些探测仪器和设备。每一节腔室单元的上、下侧面和后侧面均采用防火板材制成，所有缝隙处进行相应的密封处理，防止隧道模型主体1漏风漏烟。每一节腔室单元的长度为5m，10节腔室单元可以组成50m的隧道模型主体，按照1:5的比例，可以模拟250m长度的地铁区间隧道。

纵向通风排烟系统主要由变频轴流风机2-1、渐缩管2-2和整流管段2-3构成，变频轴流风机2-1的横截面积大于隧道模型主体1的横截面积，变频轴流风机2-1的出风口通过渐缩管2-2与整流管段2-3的一端连通，整流管段2-3的另一端通过可拆卸接口与隧道模型主体1连通。整流管段2-3的长度至少要有3m，变频轴流风机2-1通过改变叶轮的转速来改变出风口风速的大小，经过渐缩管2-2和整流管段2-3的整流处理以后，向隧道模型主体1中提供均匀稳定的纵向通风。

全横向通风排烟系统主要由排烟管道3-1、变频轴流排烟风机3-2、电动排烟阀3-3、送风管道3-4、变频轴流送风风机3-5和电动送风阀3-6构成。排烟管道3-1由设置在隧道模型主体1内上部的顶棚与隧道模型主体1顶部之间的空隙构成。变频轴流排烟风机3-2有两台，分别安装在排烟管道3-1的两端出口处。电动排烟阀3-3有若干个，分别安装在顶棚上等间距开设的各个排烟口处。送风管道3-4由设置在隧道模型主体1内下部的底板与隧道模型主体1底部之间的空隙构成。变频轴流送风风机3-5有两台，分别安装在送风管道3-4的两端进口处。电动送风阀3-6有若干个，分别安装在底板上等间距开设的各个送风口处。电动排烟阀3-3和电动送风阀3-6均可实现电动控制自动打开或关闭。

半横向通风排烟系统主要由排烟管道3-1、变频轴流排烟风机3-2和电动排烟阀3-3构成。排烟管道3-1、变频轴流排烟风机3-2和电动排烟阀3-3为全横向通风排烟系统和半横向通风排烟系统所共用，即半横向通风排烟系统是全横向通风排烟系统的一部分。

火源燃烧模拟系统分为两类：液体火源燃烧模拟系统和气体火源燃烧模拟系统。其中，液体火源燃烧模拟系统主要由用于放置油盘的油盘托架4-1、用于实时测量记录液体燃料质量的电子天平4-2和电脑10构成，油盘托架4-1的一端放置在电子天平4-2上，另一端伸入隧道模型主体1内部，电子天平4-2的输出端与电脑10的输入端连接，通过更换不同尺寸的油盘以及液体燃料，可以实现不同火源功率条件下的模拟燃烧，并能实时测量记录火源燃烧时的质量损失；气体火源燃烧模拟系统主要由设置在隧道模型主体1内部的多孔燃烧器5-1以及设置在隧道模型主体1外部的气体流量计5-2、减压阀5-3和燃料储气瓶5-4构成，气体流量计5-2与多孔燃烧器5-1连接，燃料储气瓶5-4通过减压阀5-3与气体流量计5-2连接，通过调节气体流量计5-2可以调节供给燃料气体的速率，实现不同火源功率条件下的模拟燃烧，并可以实现火源功率在一定范围内的连续调节。

风速测量记录系统主要由设置在隧道模型主体1内部且靠近整流管段2-3的可移动风速探针树6-1以及设置在隧道模型主体1外部的风速采集仪6-2和电脑10构成。可移动风速探针树6-1的输出端通过风速采集仪6-2与电脑10的输入端连接，可以实现隧道模型主体1内部纵向通风的实时测量记录。可移动风速探针树6-1呈“米”型，可以实现隧道模型主体1横截面上的纵向通风风速的准确测量。

烟气温度测量记录系统主要由设置在隧道模型主体1内部的可移动热电偶树7-1、沿顶棚下侧纵向分布的热电偶线阵7-2以及设置在隧道模型主体外部的温度采集仪7-3和电脑10构成。可移动热电偶树7-1的输出端和热电偶线阵7-2的输出端通过温度采集仪7-3与电脑10的输入端连接，温度采集仪7-3选用7018温度采集模块，可以实现隧道模型主体1空间竖向烟气温度和顶棚烟气温度的实时测量记录。可移动热电偶树7-1中热电偶的竖向间距一般不大于10cm，可以在隧道模型主体1内部放置多个可移动热电偶树7-1。顶棚下侧的热电偶线阵7-2距离顶棚的距离为5cm，热电偶线阵7-2中相邻两个热电偶之间的间距不超过25cm。

烟气成分浓度分析系统主要由设置在隧道模型主体1内部的可移动烟气采集杆8-1以及设置在隧道模型主体1外部的烟气分析仪8-2和电脑10构成。可移动烟气采集杆8-1的输出端通过烟气分析仪8-2与电脑10的输入端连接，可以实现隧道模型主体1内部多点位置的火灾烟气成分的分析和浓度的测量，并实时记录相应的数据。

视频记录系统主要由设置在隧道模型主体1外部的激光片光源9-2和视频记录仪9-3构成。激光片光源9-2放置在片光源支架9-1上，片光源支架9-1固定在试验台支架0上。激光片光源9-2可以向隧道模型主体1内部发射片状激光以清晰显示通风排烟过程中烟气运动的流场特征。视频记录仪9-3可以实时记录火灾模拟实验的状态以及通风排烟过程中烟气运动的流场特征。

本发明的工作原理；

(一)纵向通风排烟模式模拟研究的工作过程如下：

首先打开视频记录仪9-3，记录整个实验过程中的现象。实验中使用气体火源燃烧模拟隧道火灾，打开燃料储气瓶5-4的阀门，调节减压阀5-3和气体流量计5-2，点燃多孔燃烧器5-1开始模拟燃烧。调节变频轴流风机2-1的转速，向隧道模型主体1中提供均匀稳定的纵向通风。然后打开风速测量记录系统测量记录纵向通风的风速，打开烟气温度测量记录系统测量记录烟气的温度，打开烟气成分浓度分析系统分析记录热烟气的成分以及浓度值。等热烟气的流场稳定以后，观察纵向通风的排烟效果，记录热烟气向火源上游蔓延逆流的长度。调节气体流量计5-2改变火源功率的大小，调节变频轴流风机2-1的转速改变纵向通风的速率，模拟研究不同火源功率条件下纵向通风排烟模式的排烟效果。

(二)全横向通风排烟模式模拟研究的工作过程如下：

全横向通风排烟模式模拟研究中需要将纵向通风排烟系统从隧道模型主体1的左端拆卸下来，左端形成一个自然开口。首先打开视频记录仪9-3，记录整个实验过程中的现象。然后电动控制打开全部电动排烟阀3-3和电动送风阀3-6。实验中使用液体火源燃烧模拟隧道火灾，在油盘托架4-1上放置油盘，油盘中添加液体燃料，点燃油盘开始模拟燃烧。调节变频轴流送风风机3-5的转速，通过送风管道3-4向隧道模型主体1中送风。调节变频轴流排烟风机3-2的转速，通过排烟管道3-1从隧道模型主体1中排烟。打开烟气温度测量记录系统测量记录烟气的温度。等热烟气的流场稳定以后，观察全横向通风的排烟效果，记录热烟气蔓延扩散的范围。更换不同尺寸的油盘以及液体燃料改变火源功率的大小，调节变频轴流送风风机3-5和变频轴流排烟风机3-2的转速改变全横向通风排烟的速率，模拟研究不同火源功率条件下全横向通风排烟模式的排烟效果。

(三)半横向通风排烟模式模拟研究的工作过程如下：

半横向通风排烟模式模拟研究中需要将纵向通风排烟系统从隧道模型主体1的左端拆卸下来，左端形成一个自然开口。首先打开视频记录仪9-3，记录整个实验过程中的现象。然后电动控制打开全部电动排烟阀3-3。实验中使用液体火源燃烧模拟隧道火灾，在油盘托架4-1上放置油盘，油盘中添加液体燃料，点燃油盘开始模拟燃烧。调节变频轴流排烟风机3-2的转速，通过排烟管道3-1从隧道模型主体1中排烟，两端开口形成自然补风。打开烟气温度测量记录系统测量记录烟气的温度。等热烟气的流场稳定以后，观察半横向通风的排烟效果，记录热烟气蔓延扩散的范围。更换不同尺寸的油盘以及液体燃料改变火源功率的大小，调节变频轴流排烟风机3-2的转速改变半横向通风排烟的速率，模拟研究不同火源功率条件下半横向通风排烟模式的排烟效果。

(四)重点通风排烟模式模拟研究的工作过程如下：

重点通风排烟模式模拟研究中需要将纵向通风排烟系统从隧道模型主体1的左端拆卸下来，左端形成一个自然开口。首先打开视频记录仪9-3，记录整个实验过程中的现象。然后电动控制打开位于火源上方的部分电动排烟阀3-3。实验中使用液体火源燃烧模拟隧道火灾，在油盘托架4-1上放置油盘，油盘中添加液体燃料，点燃油盘开始模拟燃烧。调节变频轴流排烟风机3-2的转速，通过排烟管道3-1从隧道模型主体1中排烟，两端开口形成自然补风。打开烟气温度测量记录系统测量记录烟气的温度。等热烟气的流场稳定以后，观察重点通风排烟的效果，记录热烟气蔓延扩散的范围。更换不同尺寸的油盘以及液体燃料改变火源功率的大小，调节变频轴流排烟风机3-2的转速改变重点通风排烟的速率，改变电动排烟阀3-3开启的数量，模拟研究不同火源功率条件下重点通风排烟模式的排烟效果。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。