多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置的制作方法

專利名稱：多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置的制作方法
技術領域：
本發明設計一種火災實驗裝置，尤其是涉及坡度可調、長度可調整、具有多出入口、以及采用水噴淋系統進行滅火的隧道火災模型實驗裝置。
背景技術：
隨著城市建設規模的日益增加，城市交通隧道作為立體交通能有效地緩解交通擁堵問題，因而得到廣泛應用。在北京，國內首例超大規模中關村西區地下綜合管廊及城市交通隧道綜合開發利用系統投入試運行，使中關村地區實現了立體交通；與非城市地區的交通隧道相比，在隧道本體方面城市交通隧道具有以下特征1)交通量大；幻埋深大，城市地下交通隧道，往往埋深較大，造成隧道的出入口坡度大；；3)在隧道出入口設置方面，城市交通隧道(如城市地下快速路、城市地下交通聯系隧道)多與地下停車場及地面主干道相連， 出入口多，空氣(煙氣)流動受此影響，使通風排煙效果難以控制。城市交通隧道火災是城市交通災害中最具危害的一部分。由于隧道環境的封閉性和逃生救援的困難性，使得隧道一旦發生火災，往往造成嚴重的人員傷亡和巨大的社會影響和經濟損失。研究城市交通隧道火災主要有火災模擬實驗、數值模擬和理論分析三大類。 盡管研究費用昂貴和試驗時間長，但實驗方法是研究火災直接、有效的手段。對于城市交通隧道的火災煙氣擴散研究，目前主要是停留在理論研究和數值模擬研究階段，其中，關于隧道坡度對抑制火災煙氣的臨界風速影響的研究主要采用理論分析階段和數值模擬研究階段。OkaY，Atkinson GT等人(1996)、Ballesteros-Tajadur等人在 2006年研究隧道坡度對火災通工況下臨界風速影響，提出考慮坡度因素的臨界風速修正公式。國內中國科技大學火災科學國家重點實驗室李博等(2007)、陳海峰等0009)，山東建筑大學徐琳等(2009)、中南大學趙望達Q009)以及北京工業大學李炎鋒等O011)分別采用數值模擬手段研究隧道坡度對火災煙氣擴散以及抑制煙氣的臨界風速的影響。目前，針對受限空間火災進行的模擬實驗研究主要有三種方式(1)鹽水實驗； (2)現場試驗(全尺寸試驗)研究及大尺寸比例模型實驗；(3)小尺寸比例模型實驗研究。對于城市交通隧道而言，主要是現場實驗研究及大尺寸比例模型實驗、小尺寸比例模型實驗研究手段。主要原因是鹽水實驗模擬是一種用湍浮鹽水在清水中的運動和擴散來模擬受限空間火災煙氣在空氣中的蔓延和熱量傳遞的研究方法。雖然Thomas早在1963 年用鹽水模擬技術來顯示頂棚和側壁的排煙向大房間排煙效果。許多學者采用該手段模擬中庭類建筑、頂棚射流等火災煙氣規律，但鹽水模擬實驗方法忽略了化學反映以及壁面傳熱，模擬煙氣層較實體燃燒實驗低。存在定量研究誤差大，而且難以模擬隧道坡度和出入口設置對火災煙氣擴散的影響。因而在城市交通隧道模擬中沒有得到應用。現場實驗及大尺寸比例模型實驗結果是對數值模擬、理論研究以及小尺寸比例模型實驗研究結果進行驗證的重要數據。在隧道現場火災試驗方面，國外進行了大量研究，但由于受到試驗條件限制，基本是在廢棄的隧道內進行。如Ofenegg在1965年進行的隧道火災試驗，Zwerberg于1974及1975年、Heselden等人在1976年在廢棄的隧道中進行的火災試驗，歐洲的EUREKA 499計劃在1993-1995年間在挪威Itepparford隧道中進行5次火災試驗，1993-1995年，美國MTFVTP項目在西維吉尼亞Memorial公路隧道中92次火災測驗， 2001年，日本在New Tomei高速公路^imizu 3號隧道開展的大斷面公路隧道足尺寸火災試驗；歐洲UPTUN項目2003年在挪威廢棄的兩車道Runehamar隧道內進行的4次現場火災試驗。國內中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室胡隆華等在云南省昆明一石林高速公路陽宗隧道內進行了全尺寸火災模擬試驗。西南交通大學楊其新教授等人則借助大比例火災模型試驗，研究了火災時隧道內溫度隨時間的變化，最高溫度與通風風速、火災規模等的關系。由于實際火災的復雜性和隨機性，全尺寸火災實驗往往又是無法完全實現模擬火災工況。而且受到現場試驗費用以及現場條件、隧道的使用情況限制很難進行大量火災工況研究。與此相對應，以相似理論為依據建立的小尺寸模型試驗具有真實再現火災現象的特點，在節約時間、縮短空間以及節省人力、物力、財力等方面具有獨特的優越性，因而在針對隧道火災的研究方法中被廣泛應用。在方面，小尺寸比例模型實驗研究隧道火災方面，主要是建立模型實驗臺研究隧道火災防止煙氣回流的臨界風速研究。Lee在1979年在長13. 7m、橫截面積為0. 27m2的小尺寸試驗臺上進行了臨界縱向風速研究。Vantelon等人(1990年)、Kwack等人(1990 年)、Xue 等人(1993 年)和 Oka 等人(1996 年)，J. S. Choi，等人(2005)，Jae Seong Roh 等人(2007年)建立了比例大小不一的小尺寸試驗臺進行了臨界風速的研究。研究主要側重1)抑制隧道火災產生煙氣逆流所需的最小臨界縱向送風風速；幻近火源區域的羽流特征；3)模型隧道是單出口、單入口。沒有考慮隧道縱坡度對煙氣流動的影響和對臨界縱向通風風速的影響，以及著火車輛位置和運行速度的不同對煙氣運動的影響，沒有考慮出入口因素對隧道火災煙氣擴散的影響。關于城市交通隧道火災實驗研究，中建筑科學研究建筑防火研究所、北京工業大學華高英等0010)進行CBD在城市地下交通聯系隧道進行火災煙氣控制研究。研究主要側重城市聯系隧道的送排風系統的優化運行方案確定，但沒有考慮坡度因素對隧道防排煙的影響。綜合目前已經公布的研究成果，開展城市交通的火災煙氣擴散的小尺寸比例模型實驗研究，除了坡度問題受到一定重視外，在考慮城市交通多出入口特性對于城市交通隧道的火災煙氣擴散影響方面缺乏考慮。另外，城市交通隧道采用水噴淋系統來控制火勢蔓延和保護隧道結構免受破壞。雖然目前對是隧道中否采用水噴淋系統進行滅火還存在爭議，主要原因是水噴淋系統啟動后影響煙氣層的擴散。但是由于城市交通隧道的出入口多， 可以在發現火災一定時間后(預留出安全疏散時間)啟動水噴淋系統來滅火或者控制火災發展，從而保護隧道結構安全。目前，我國的少數隧道采用了水噴淋。如被稱為“萬里長江第一隧”的武漢長江隧道消防系統就采用水噴淋系統。但是，水噴淋是否適用于隧道中，至今在世界上仍存在很大爭議。因此，針對是否應該在隧道火災中應用水噴淋系統，需要進行大量的實驗研究
發明內容
本發明提供了一種方便靈活的隧道火災煙氣運動模型，克服了現有隧道模型難易觀察煙氣運動、隧道坡度無法多角度改變、水噴淋難以實現、難以描述多出入口及特長型隧道模型結構復雜的缺陷，提供了綜合一體、方便靈活的小尺寸城市交通隧道比例實驗模型， 能夠研究隧道坡度、多出入口、水噴淋系統對隧道火災影響的研究。另外，隧道系統采用分段模式組建，段與段之間進行連接，可以根據研究隧道的長度進行調整，非常方便模擬不同長度的隧道火災工況。為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征在于包括變頻風機1，盲板 2，隧道轉動鉸鏈3，防火玻璃窗4，拱形主隧道5，排煙煙道6，支撐桿7，底座8，分支隧道預留口 9，主隧道連接口 10，千斤頂11，鋼架結構12，拱形主隧道底板13，滑道14，小車15，螺桿16，變頻水泵17，水管18，水噴頭19，分支隧道連接口 20，電偶布設口 21，噴淋系統噴頭布設口 22，分支隧道23 ；拱形主隧道5至少有兩段，變頻風機1通過盲板2與第一段拱形主隧道5的前端相連，排煙煙道6與最后一段拱形主隧道5的后端相連，各個拱形主隧道5之間通過主隧道連接口 10連接；第一段拱形主隧道5通過隧道轉動鉸鏈3固定在支撐桿7的上端，支撐桿7下端固定在底座8上；最后一段拱形主隧道5通過鋼架結構12連接于千斤頂11的頂部；拱形主隧道5頂部設有熱電偶布置口 21和水噴淋噴頭布置口 22 ；水噴頭19 至于水噴淋噴頭布置口 22中，水噴頭19通過水管18與變頻水泵17相連；拱形主隧道5兩側設有防火玻璃窗4 ；拱形主隧道底板13由底板框架M和底板25組成，底板框架M和底板25活動鏈接，底板框架M與拱形主隧道5底部固定連接，底板框架M上沿主隧道方向固定連接兩條平行的滑道14 ；小車15設有燃燒床和油盤；螺桿16安裝于小車15的底部； 分支隧道預留口 9位于拱形主隧道5的側面，分支隧道23通過分支隧道連接口 20與拱形主隧道5側面的分支隧道預留口 9相連。設置了能夠提供隧道內縱向風速范圍在0 5m/s的變頻風機1。所述的拱形主隧道5每個側面各設有η個防火玻璃窗4，η彡3。設置了能夠為隧道提供0 15°坡度的千斤頂。設置了可提供0 0. IMP壓力的變頻水泵17。所述的分支隧道23個數為k，k彡2。本發明一是采用了可調節風量的變頻風機，可為縱向通風模式提供0 5m/s的風速；二是水噴淋的應用，實驗時可將設在隧道頂部的水噴淋的噴頭通過塑料管與變頻水泵相連，通過變頻水泵來調節水流量，從而實現對不同火源功率下火勢控制及滅火所需水流量的控制；三是坡度的調節，支撐桿的一端通過轉動鉸鏈固定在拱形主隧道上，另一端固定在底座上，而隧道的坡度靠調節另一端的千斤頂來實現，其上端的螺桿與拱形主隧道另一端的鋼架橫梁上的螺扣相連，可實現在0 15°之間的任意調節；四是火源位置的設置， 在做實驗時，可將拱形主隧道底部打開，將螺桿擰在小車底盤的螺扣上，通過滑道滑到所需的位置，后將螺桿取下，將隧道底部關閉，這樣可方便靈活布置火源位置；五是多出入口隧道火災的實現，實驗時，可將分支隧道利用法蘭連接與主隧道相連，既靈活有方便；六是特長隧道的實現，實驗時，可利用法蘭連接對拱形主隧道進行加長；七是拱形隧道模型的圍護結構拱形主隧道由內外層鋼板構成，內外層鋼板之間，鋪設有龍骨，選擇高強度及高性能保溫材料作為填充材料。為便于觀測和拍攝實驗臺內的煙氣流動情況，隧道側面設有耐高溫鋼化玻璃窗。在這樣的情況下，可以將圍護結構的熱模擬作簡化處理——視其為絕熱。與現有技術比較，本實驗裝置具有以下優點1、本裝置能夠真實再現多出入口城市交通隧道及特長隧道火災場景下的煙氣流動情況，可為復雜隧道火災的研究提供實驗平臺；2、本裝置可通過千斤頂來調節坡度，從而可模擬不同坡度隧道發生火災時的煙氣運動。同時，模型隧道坡度調節操作簡單，且安裝費用不高；3、本裝置實驗范圍大。可對不同通風風速下的火災場景，不同隧道坡度下的火災場景以及不同火源功率下的火災場景進行互相的組合研究。另外，由于隧道模型內部可實現水噴淋，因此，可對水噴淋系統是否適用于隧道火災控制以及控制效果進行有效的實驗研究；4、本裝置結構簡單，操作靈活方便，可以外接數據測量系統、監測系統和控制系統。通過數據測量系統對煙氣流動中的煙氣溫度場、濃度場等煙氣流動規律進行高精度測量；通過監測系統對火災進行全程監測；通過控制系統對測量數據進行分析。


圖1多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置結構示意2拱形主隧道底板結構圖3小車位置示意4坡度調節示意5千斤頂支撐的鋼架結構圖6水噴淋結構7主隧道連接口橫斷面示意8分支隧道連接口橫斷面示意9溫度測試熱電偶及水噴淋縱斷面布置示意10隧道頂部熱電偶及水噴淋布置口示意11多出入口隧道結構示意中1、變頻風機，2、盲板，3、隧道轉動鉸鏈，4、防火玻璃窗，5、拱形主隧道，6、排煙煙道，7、支撐桿，8、底座，9、分支隧道預留口，10、主隧道連接口，11、千斤頂，12、鋼架結構，13、主隧道底，14、滑道，15、小車，16、螺桿，17、變頻水泵，18、水管，19、水噴頭，20、分支隧道連接口，21、熱電偶布設口，22、水噴淋噴頭布置口，23、分支隧道，M、底板框架，25、底板L、測溫熱電偶軸向間距，h、隧道高度，W、隧道寬度。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明如圖1所示，為本發明的示意圖。本實驗裝置包括變頻風機1、盲板2、隧道轉動鉸鏈3、防火玻璃窗4、拱形主隧道5、排煙煙道6、支撐桿7、底座8、支隧道預留口 9、主隧道連接口 10、千斤頂11、鋼架結構12。變頻風機1通過盲板2與拱形主隧道5前端相連，排煙煙道6與隧道5末端相連，隧道5可繞著隧道轉動鉸鏈3轉動，其坡度靠千斤頂11調節。變頻風機1可提供的縱向風速為0 5m/s。模型隧道由兩段拱形主隧道5組成，中間通過主隧道連接口 10進行連接，主隧道連接口 10如圖7所示。拱形主隧道內外層鋼板之間，鋪設有龍骨，選擇高強度及高性能保溫材料作為填充材料，整個隧道模型實驗臺全長3. 7m，有效段長3m，截面尺寸0. 25m(高)X0. 3m(寬)，近似實際隧道的斷面形狀，拱形主隧道5的水平角可在0 15°范圍內調節。實驗時小車15放置在滑道14上移動如圖3所示，在拱形主隧道5兩邊都設有防火鋼化玻璃4，用于觀察火災發生時隧道內煙氣流動狀態和煙氣厚度。測溫熱電偶設置在電偶布設口 21內，熱電偶和智能式數字溫度巡檢儀相連，用以采集煙氣溫度。如圖2所示，為主隧道底板13的結構，拱形主隧道底板13由底板框架M和底板 25組成，底板框架M和底板25活動鏈接，底板框架M與拱形主隧道5底部固定連接，底板框架M上沿主隧道方向固定連接兩條平行的滑道14 ；做實驗時，可打底板25將螺桿16 擰在小車15(如圖3)底部螺扣上，通過撥動螺桿16讓小車15在滑道14上滑動，滑到做實驗時所需位置，點燃燃料后將底板25封閉。如圖4所示，為坡度調節裝置，做隧道火災實驗時，將支撐桿7 —端通過隧道轉動鉸鏈3與拱形主隧道5相連，另一端與底座8相連，而千斤頂11上端螺桿與鋼架結構12 下端的螺扣相連，通過調節千斤頂11的高度來調節拱形主隧道5的坡度，坡度范圍是0 15°，如圖5所示。如圖6所示，為本裝置的水噴淋結構圖，變頻水泵17與水噴頭19通過水管18連接，水被水泵17加壓后將水打到水噴頭19處，水泵所提供的水頭壓力為0 0. IMP,可實現對不同火源功率進行滅火模擬。如圖9、圖10所示，分別為溫度測試熱電偶及水噴淋縱斷面布置示意圖和隧道頂部熱電偶及水噴淋布置口示意圖。本實施例設置有6個溫度測試面，每個斷面間隔0. 5m，縱向溫度分布的測點沿隧道拱頂下方水平布置，橫向溫度分布的測點則分布在隧道頂部和兩側。如圖11所示，當進行多出入口隧道火災實驗時，將事先準備好的分支隧道23通過分支隧道連接口 20與拱形主隧道5側面的分支隧道預留口 9相連；當進行特長隧道火災實驗時，可通過主隧道連接口 20將拱形主隧道5加長。實施例1-模擬坡度對火災的煙氣運動以及臨界風速的影響前期準備，檢查火災模型系統各部件是否運行正常。調節模型隧道系統達到設定好的火災場景，模擬單出口交通隧道火災工況。火災規模設定為小火災規模，做隧道火災實驗時，將支撐桿7 —端通過隧道轉動鉸鏈3與拱形主隧道5相連，另一端與底座8相連，而千斤頂11上端螺桿與鋼架結構12下端的螺扣相連，通過調節千斤頂11的高度來調節隧道的坡度。分別調節隧道坡度為0°、3°、5°、10°、15°工況。采用變頻風機改變隧道縱向通風的風速。實驗中將固定火源置于隧道中部。按操作規范啟動各測試系統，啟動計算機開始溫度數據采集，油盤中加入配好的燃料，擺放到小車內，待測試系統運行穩定開始點火。實驗人員記錄好整個燃燒過程的各類實驗數據。火熄滅，保存所得到的實驗數據，將風門開至最大，將隧道內殘留的煙氣排出，整理實驗場地和實驗設施，將隧道內工礦恢復到初始狀態，再進行下一組實驗。按上述分別進行幾組實驗，將所得的實驗數據比較分析隧道坡度對煙氣運動以及抑制煙氣回流的隧道臨界風速。
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實施例2-模擬多出入口對隧道火災煙氣運動的影響前期實驗準備工作完成后，為模擬多出入口隧道火災實驗時，將事先準備好的分支隧道23與主隧道5通過分支隧道連接口 20進行法蘭連接。本次實驗模擬不同火源位置的煙氣運動，設定火災規模為小火災規模，隧道坡度為0°，通風風速為Om/s。第一組火源放置于隧道中間部位，位于兩個支隧道口中間。第二組火源位于隧道進口和第一個支隧道口之間中間位置。第三組火源位于隧道出口和第二個支隧道口的中間位置。將所得的實驗數據比較分析出入口的設置對隧道火災煙氣運動的影響。實施例3-模擬水噴淋系統對隧道火災煙氣擴散以及火災控制的影響按照案例一所述的做好實驗前的準備，在水噴頭19接入到水噴淋噴頭布置口 22 并調試好水噴淋裝置。水噴淋系統的出水量由水泵所提供的水頭壓力進行調節。水泵的水頭壓力為O 0. 1MP，可實現對不同火源功率進行滅火模擬。本次實驗模擬水噴淋系統對火災煙氣運動和火勢控制的影響。隧道采用單出入口隧道，通風風速為Om/s。水噴淋啟動時間滯后于火源穩定時間10s，該時間由實驗觀察確定。共分三組工況，第一組工況，水噴淋系統的噴頭位于火源的正下方；第二組工況，移動小車位置，水噴淋噴頭位于火源下游 0. 5m處；第三組水噴淋的噴頭位于火源上游0. 5m處；觀察水噴淋系統啟動后火源的發展情況以及煙氣擴散的變化情況，將所得的實驗數據比較分析水噴淋系統的設置對隧道火災煙氣運動的影響。
權利要求
1.多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征在于包括變頻風機1，盲板2， 隧道轉動鉸鏈3，防火玻璃窗4，拱形主隧道5，排煙煙道6，支撐桿7，底座8，分支隧道預留口 9，主隧道連接口 10，千斤頂11，鋼架結構12，拱形主隧道底板13，滑道14，小車15，螺桿 16，變頻水泵17，水管18，水噴頭19，分支隧道連接口 20，電偶布設口 21，噴淋系統噴頭布設口 22，分支隧道23，底板框架對，底板25 ；拱形主隧道5至少有兩段，變頻風機1通過盲板2與第一段拱形主隧道5的前端相連，排煙煙道6與最后一段拱形主隧道5的后端相連， 各個拱形主隧道5之間通過主隧道連接口 10連接；第一段拱形主隧道5通過隧道轉動鉸鏈 3固定在支撐桿7的上端，支撐桿7下端固定在底座8上；最后一段拱形主隧道5通過鋼架結構12連接于千斤頂11的頂部；拱形主隧道5頂部設有熱電偶布置口 21和水噴淋噴頭布置口 22 ；水噴頭19至于水噴淋噴頭布置口 22中，水噴頭19通過水管18與變頻水泵17相連；拱形主隧道5兩側設有防火玻璃窗4 ；拱形主隧道底板13由底板框架M和底板25組成，底板框架M和底板25活動鏈接，底板框架M與拱形主隧道5底部固定連接，底板框架 24上沿主隧道方向固定連接兩條平行的滑道14 ；小車15設有燃燒床和油盤；螺桿16安裝于小車15的底部；分支隧道預留口 9位于拱形主隧道5的側面，分支隧道23通過分支隧道連接口 20與拱形主隧道5側面的分支隧道預留口 9相連。
2.根據權利要求1所述的多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征在于 設置了能夠提供隧道內縱向風速范圍在0 5m/s的變頻風機1。
3.根據權利要求1所述的多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征在于 所述的拱形主隧道5每個側面各設有η個防火玻璃窗4，η > 3。
4.根據權利要求1所述的多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征在于 設置了能夠為隧道提供0 15°坡度的千斤頂。
5.根據權利要求1所述的多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征在于 設置了可提供O 0. IMP壓力的變頻水泵17。
6.根據權利要求1所述的多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型裝置，其特征還在于所述的分支隧道23個數為k，k彡2。
全文摘要
本發明是一種多功能城市交通隧道火災煙氣擴散模型實驗裝置。本裝置由變頻風機、拱形主隧道、分支隧道、排煙煙道、火源移動小車、坡度調節裝置及水噴淋系統組成。變頻風機通過盲板與拱形主隧道的前端相連，排煙煙道與拱形主隧道的后端相連。主隧道的一端固定在支撐架上，另一端由千斤頂支撐，可調節其坡度。裝有燃燒池的移動小車可在隧道內滑行，從而改變火源的位置。通過對水噴淋的控制可為不同火源功率的火災提供相應的噴水量。當進行多出入口隧道火災實驗時，可將分支隧道與主隧道連接；當進行特長隧道火災實驗時，可將拱形主隧道加長。本裝置不僅可對不同坡度、火源功率、縱向通風風速及水噴淋對隧道煙氣運動的影響進行模擬，也可對多出入口及特長隧道火災進行模擬，適用廣泛，而且裝置結構簡單，方便操作。
文檔編號E21F1/02GK102505955SQ20111029777
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者劉曉陽, 孫曉龍, 李俊梅, 李炎鋒, 林欣欣, 趙明星 申請人:北京工業大學