公铁两用隧道火灾试验模型、纵向风对排烟效率的判断方法以及最大温度分析方法

摘要

本发明公开了一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型，包括：铁路道、公路道和排烟道，铁路道和排烟道并排布置在下方，公路道位于上方，以及包括：设置在铁路道内的列车模型、传动模块、视频记录模块和风机模块，列车模型可沿列车轨道运动地设置在铁路道内，传动模块布置在列车模型与试验模型隧道底板之间并可操控地驱动列车模型沿列车轨道运动，视频记录模块设置在铁路道的侧壁上，风机模块设置在所述铁路道的尾端；以及设置在公路道内的动荷载模块和设置在排烟道内的排烟模块，排烟模块与铁路道相连通并适配设置。通过设置公铁双层隧道情景，创造性的研究了下层隧道火灾事故与上层交通动荷载共同对上层公路道结构的影响；设置了风机模块以及排烟模块，能够深入研究通风排烟等关键隧道救援参数。

说明书

技术领域

本发明涉及公铁两用隧道火灾试验技术领域，特别涉及一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型，以及基于该试验模型中纵向风对排烟效率的判断方法和铁路道顶部最大温度分析方法。

背景技术

近些年，随着经济水平的提高，交通压力也越来越大。公铁两用隧道的建立能够在节约成本的同时缓解通行压力，极大地提高了通行或运载效率(其结构如图1所示)。但同时地铁火灾事故频发，极易造成严重的经济损失或人员伤亡。例如：在2015年1月12日，美国华盛顿市中心兰芳广场站(L’Enfant Plaza Station)某地铁车厢突然起火并冒出浓烟，事件导致一名女性丧生，60多人受伤，带来了严重不良的社会影响。2016年1月26日，日本东京地铁银座车站内失火，烟雾弥漫整个车站，约6.8万人的出行受到了影响。因此，需要对地铁火灾致灾过程进行探索，探究运动列车火灾演化发展的内在机理，从而提升地铁火灾的预防能力，降低轨道交通火灾事故的危害性。

针对隧道内车辆火灾的复杂性，国内已有专家在实验室建立了不同规模的隧道火灾模拟实验平台。通过调研发现，申请公布号为CN111508326A的中国专利公开了一种隧道火灾模拟系统，涉及隧道火灾模拟技术领域，包括台面，所述台面的上端放置有模拟隧道，且模拟隧道的进口端和出口端上部均固定有连接板，所述连接板的下端安装有风机筒，所述台面的上端两端还摆放有两条轨道，且台面的上端还镶嵌有火源流动机构，所述模拟隧道的内顶部固定有灭火机构。本发明中，利用轨道可以将仿真汽车放置到模拟隧道内进行跑动，这样在火源喷发时，可以模拟出有车辆情况下火势的蔓延速度，使其模拟效果更加接近真实火灾的现场，从而更好根据该现象来做出防火对策，当模拟隧道前后方的收卷轴同向转动时，就可以拉动火源桶在模拟隧道内来回移动，这样就可以模拟火源在隧道中移动的场景。

该实验平台虽然在一定程度上实现了汽车火灾的模拟过程，并可根据实际环境选择试验场地，但汽车不同与列车，汽车着火时一般会失去动力，无法继续运行。而轨道交通多采用动力分散式列车，着火时列车一般不会完全失去动力，通常会继续运动至便于救援或安全路段；2、上述发明采用了单管隧道，而本发明考虑了公铁双层隧道情景，补充增加了上层公路交通运载对下层隧道的影响，增加了研究的普适性，即，能够包括单管隧道的研究内容；3、上述发明未研究通风排烟等关键隧道救援参数；4、未从物理角度分析关键参数的影响效果，进而对消防救援的帮助比较有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型，其技术方案如下：

本发明的一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型，所述火灾试验模型包括：铁路道、公路道和排烟道，所述铁路道和所述排烟道并排布置在下方，所述公路道位于所述铁路道和所述排烟道的上方，所述公路道的底板为所述铁路道和所述排烟道的顶板。

所述火灾试验模型还包括：设置在所述铁路道内的列车模型、传动模块、视频记录模块和风机模块，所述列车模型可沿列车轨道运动地设置在所述铁路道内，所述传动模块布置在所述列车模型与试验模型隧道底板之间并可操控地驱动所述列车模型沿列车轨道运动，所述视频记录模块设置在所述铁路道的侧壁上用于记录所述列车模型移动情况和所述铁路道内火灾发展情况，所述风机模块设置在所述铁路道的尾端；以及设置在所述公路道内的动荷载模块和设置在所述排烟道内的排烟模块，所述动荷载模块的荷载量和速度均可调节，所述排烟模块与所述铁路道相连通并适配设置。其中，视频记录模块为摄像机，用于实时记录隧道模型内的列车火灾发展情况；列车模型以及传动模块中，列车道隧道底板上布置若干轨道枕木，列车轨道搭接固定在轨道枕木上，列车可沿列车轨道运动，轨道长度可根据实际长度需求来调整；在可变频发动机侧设置橡胶垫，用于为列车减震，测点固定网焊接在列车段隧道底板上，用于实时记录列车段隧道内的风速以及温度变化情况。风机模块为可变频轴流风机，用于为隧道内的列车提供不同速度纵向风，整流段为若干根细管，用于将轴流风机提供的纵向风均匀处理，风机固定框用于固定可变频轴流风机以及整流段，并将其与列车段隧道整体结构模块连接。

进一步地，所述列车模型区分为驾驶室、载客区和列车动力区，所述列车动力区设置在所述载客区下方，在所述驾驶室内放置有丙烷气瓶和质量流量计，所述载客区内设置有多孔燃烧器，所述丙烷气瓶与所述质量流量计以及所述质量流量计与所述多孔燃烧器通过耐高温气管相连接。此外，载客区内可根据长度设置若干窗口，用于气体火源溢出车厢，并在载客区内设置若干热电偶束，用于记录列车在运动时车厢内温度的实时变化。列车动力区包括两个车轮固定架，车轮固定架与车厢焊接，每个车轮固定架连接两枚铁制车轮，车轮上设置若干能够与传动链条咬合的车轮齿，通过传动模块的传动链条为车厢模块的运动提供动力。

还包括排烟模块，在列车道隧道后侧板顶部焊接动荷载支架，在列车道隧道后侧板后侧焊接排烟道，排烟道两侧设置抽风机组件，抽风机组件包括抽风机、固定法兰以及抽风机支架，其中抽风机通过固定法兰与排烟道固定，抽风机为可调频率风机，即能够改变风量大小。若干细水雾喷头设置在动荷载支架下方，用于研究列车火灾发生时，细水雾的灭火效果；烟气控制板能够嵌套在列车段隧道后侧板顶部的控制板固定槽内，为了保障排烟时排烟道内的气密性，延期控制板底部为凸起设置，能够插入列车段后侧板的密闭凹槽中，以增加相应的气密性。在烟气控制板上开若干排烟口，排烟口滑块可嵌套在滑块固定槽内，同时结合排烟口内的高度固定钮，以研究不同排烟口尺寸对排烟效果的影响。

进一步地，所述传动模块包括第一传动链条、第一传动齿轮、第一支撑杆和第一可变频发动机，所述第一可变频发动机安装在列车轨道端部一侧，所述第一支撑杆与所述第一可变频发动机对称地安装在列车轨道端部另一侧，所述第一可变频发动机的转动轴延长并穿过两个所述第一传动齿轮后通过轴承搭接在所述第一支撑杆上端，两个所述第一传动齿轮与所述第一可变频发动机的转动轴焊接固定，两条所述第一传动链条分别绕设在两个所述第一传动齿轮上，两条所述第一传动链条分别与所述列车模型的车轮相啮合，所述传动模块可操控地驱动所述列车模型沿列车轨道运动。

进一步地，所述动荷载模块包括滚轮、第二传动链条、第二传动齿轮、第二支撑杆和第二可变频发动机，所述第二可变频发动机以及三根所述第二支撑杆对称地设置在所述公路道底板上，所述第二可变频发动机的转动轴延长并穿过第一个所述第二传动齿轮后通过轴承搭接在与其横向相对称的所述第二支撑杆上端，第二个所述第二传动齿轮通过连接杆件架设在所述公路道底板尾端的两根所述第二支撑杆上，所述第二传动链条绕设在第一个所述第二传动齿轮与第二个所述第二传动齿轮之间，两个所述滚轮通过连接杆件与第三个所述第二传动齿轮固定相连，第三个所述第二传动齿轮与所述第二传动链条相互啮合，所述第二可变频发动机通过所述第二传动链条和所述第二传动齿轮可操控地驱动两个所述滚轮在所述公路道底板上运动。其中，第二可变频发动机的转动频率可以调节，用于实现滚轮在公路道底板上反复不同滚动速度的模拟；通过第二传动链条为滚轮提供动力；滚轮具有不同的重量，用于模拟不同强度的荷载，两个滚轮之间的第二传动齿轮与滚轮的中部焊接，在列车道隧道顶板上设置两条模拟路面，即公路道底板的左右两边模拟道，用于模拟列车隧道上方的公路路面，在两条模拟路面的中部设置若干位移计，用于测量列车道隧道顶板的形变情况。列车道隧道顶板的所有布置均设置于动荷载支撑板上，当列车道隧道顶板在实验中开裂时，需更换以研究不同强度荷载对列车道隧道结构顶板的影响。

进一步地，在所述公路道底板上的两个所述滚轮经过的板面上设置有若干位移计，所述位移计用于测量所述滚轮运动经过处的路面并行情况。

进一步地，所述火灾试验模型还包括细水雾系统，所述细水雾系统包括喷雾头、水箱、安全阀、压力信号器、启动瓶和氮气瓶，多个所述喷雾头安装在所述铁路道顶板上，多个所述喷雾头通过水管与所述水箱相连接，所述水箱、所述氮气瓶以及所述启动瓶依次通过高压气管串联设置，所述安全阀安装在所述启动瓶上，在所述喷雾头的总阀与所述安全阀设置有所述压力信号器。

本发明的一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型中纵向风对排烟效率的判断方法，包括以下步骤：

步骤S1，引燃列车内的燃烧器，待火源稳定后，打开风机和排烟道，记录各个温度测量点的温度数据，通过固定网两侧布置的某列热电偶束获得该列各点的温度值，绘制温度曲线p(y)；

步骤S2，建立温度双值函数φ(y,H)：

其中，H为烟气层高度，p

步骤S3，根据温度曲线p(y)，计算φ(y,H)的偏差δ

当δ

将所有列的热电偶束测得的烟气层高度值进行平均，最终的烟气层高度H

本发明的一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型中铁路道顶部最大温度分析方法，包括以下步骤：

步骤S1，引燃列车内的燃烧器，待火源稳定后，记录各个温度测量点的温度数据，列车开始匀速运动，列车匀速运动中获得的测点固定网顶部中心线的最大温度将被进一步计算并用于最大温度的预测，方法如下：

计算从车厢中溢出的火源功率

其中，

步骤S2，对溢出火源功率无量纲化处理

其中，T

步骤S3，列车在隧道中运动会产生运动风，其会对火羽流造成一个推力，通常引入弗洛德数来量化这种效果：

Fr＝U

其中，U为列车的运动风，当纵向风机未开启时，其为列车运动速度U

步骤S4，不同列车运动速度下的最大温度可以通过以下量纲公式进行表征：

其中，△T

步骤S5，铁路道顶部最大温升预测模型可通过下式获得：

本发明提供的有益效果是：

通过设置公铁双层隧道情景，创造性的研究了下层隧道火灾事故与上层交通动荷载共同对上层公路道结构的影响；设置了风机模块以及排烟模块，能够深入研究通风排烟等关键隧道救援参数；此外，从物理模型的角度提出一种用于纵向风对排烟效率影响的判断方法，同时提出了运动列车火灾诱发铁路道顶棚(公路道底部)最大温度的计算方法，以期对公铁两用隧道消防救援节结构损伤鉴定提供重要的试验帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明火灾试验模型的横截面结构示意图；

图2是本发明火灾试验模型的内部构件示意图；

图3是本发明火灾试验模型中列车模型的结构示意图；

图4是本发明火灾试验模型中传动模块的结构示意图；

图5是本发明火灾试验模型中动荷载模块的结构示意图；

图6是本发明火灾试验模型中细水雾系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

请结合参考图1至图6，本实施例的一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型，该火灾试验模型包括：铁路道1、公路道2和排烟道3，铁路道1和排烟道3并排布置在下方，公路道2位于铁路道1和排烟道3的上方，公路道2的底板为铁路道1和排烟道3的顶板。

该火灾试验模型还包括：

设置在铁路道1内的列车模型4、传动模块5、视频记录模块6和风机模块7，列车模型4可沿列车轨道运动地设置在铁路道1内，传动模块5布置在列车模型4与试验模型隧道底板之间并可操控地驱动列车模型4沿列车轨道运动，视频记录模块6设置在铁路道1的侧壁上用于记录列车模型4移动情况和铁路道1内火灾发展情况，风机模块7设置在铁路道1的尾端。

以及设置在公路道2内的动荷载模块8和设置在排烟道3内的排烟模块9，动荷载模块8的荷载量和速度均可调节，排烟模块9与铁路道1相连通并适配设置。

优选地，列车模型4区分为驾驶室41、载客区42和列车动力区43，列车动力区43设置在载客区42下方，在驾驶室41内放置有丙烷气瓶410和质量流量计411，载客区42内设置有多孔燃烧器420，丙烷气瓶410与质量流量计411以及质量流量计411与多孔燃烧器420通过耐高温气管421相连接。

优选地，传动模块5包括第一传动链条51、第一传动齿轮52、第一支撑杆53和第一可变频发动机54，第一可变频发动机54安装在列车轨道端部一侧，第一支撑杆53与第一可变频发动机54对称地安装在列车轨道端部另一侧，第一可变频发动机54的转动轴延长并穿过两个第一传动齿轮52后通过轴承搭接在第一支撑杆53上端，两个第一传动齿轮52与第一可变频发动机54的转动轴焊接固定，两条第一传动链条51分别绕设在两个第一传动齿轮52上，两条第一传动链条51分别与列车模型4的车轮相啮合，传动模块5可操控地驱动列车模型4沿列车轨道运动。

优选地，动荷载模块8包括滚轮81、第二传动链条82、第二传动齿轮83、第二支撑杆84和第二可变频发动机85，第二可变频发动机85以及三根第二支撑杆84对称地设置在公路道2底板上，第二可变频发动机85的转动轴延长并穿过第一个第二传动齿轮83后通过轴承搭接在与其横向相对称的第二支撑杆84上端，第二个第二传动齿轮83通过连接杆件架设在公路道2底板尾端的两根第二支撑杆84上，第二传动链条82绕设在第一个第二传动齿轮83与第二个第二传动齿轮83之间，两个滚轮81通过连接杆件与第三个第二传动齿轮83固定相连，第三个第二传动齿轮83与第二传动链条82相互啮合，第二可变频发动机85通过第二传动链条82和第二传动齿轮83可操控地驱动两个滚轮81在公路道2底板上运动。

优选地，在公路道2底板上的两个滚轮81经过的板面上设置有若干位移计201，位移计201用于测量滚轮81运动经过处的路面并行情况。

优选地，火灾试验模型还包括细水雾系统10，细水雾系统10包括喷雾头101、水箱102、安全阀103、压力信号器104、启动瓶105和氮气瓶106，多个喷雾头101安装在铁路道1顶板上，多个喷雾头101通过水管与水箱102相连接，水箱102、氮气瓶106以及启动瓶105依次通过高压气管串联设置，安全阀103安装在启动瓶105上，在喷雾头101的总阀与安全阀103设置有压力信号器104。

实施例二

本实施例的一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型中纵向风对排烟效率的判断方法，包括以下步骤：

步骤S1，引燃列车内的燃烧器，待火源稳定后，打开风机和排烟道，记录各个温度测量点的温度数据，通过固定网两侧布置的某列热电偶束获得该列各点的温度值，绘制温度曲线p(y)；

步骤S2，建立温度双值函数φ(y,H)：

其中，H为烟气层高度，p

步骤S3，根据温度曲线p(y)，计算φ(y,H)的偏差δ

当δ

将所有列的热电偶束测得的烟气层高度值进行平均，最终的烟气层高度H

实施例三

本实施例的一种基于列车运动火源的公铁两用隧道火灾试验模型中铁路道顶部最大温度分析方法，包括以下步骤：

步骤S1，引燃列车内的燃烧器，待火源稳定后，记录各个温度测量点的温度数据，列车开始匀速运动，列车匀速运动中获得的测点固定网顶部中心线的最大温度将被进一步计算并用于最大温度的预测，方法如下：

计算从车厢中溢出的火源功率

其中，

步骤S2，对溢出火源功率无量纲化处理

其中，T

步骤S3，列车在隧道中运动会产生运动风，其会对火羽流造成一个推力，通常引入弗洛德数来量化这种效果：

Fr＝U

其中，U为列车的运动风，当纵向风机未开启时，其为列车运动速度U

步骤S4，不同列车运动速度下的最大温度可以通过以下量纲公式进行表征：

其中，△T

步骤S5，铁路道顶部最大温升预测模型可通过下式获得：

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。