本發(fā)明涉及地鐵隧道通風排煙技術領域，具體是一種多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺。

背景技術：

隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進，城市人口密度越來越多，地面道路擁堵不堪，各大城市均在修建自己的地鐵交通系統(tǒng)，改善道路交通環(huán)境。然而地鐵火災是一個不可回避的問題，尤其是當?shù)罔F列車發(fā)生火災失去動力?？吭趨^(qū)間隧道中時，由于隧道是狹長的受限空間，極易造成有毒煙氣的中毒事故。因此，在發(fā)生火災時，如果能夠對火災現(xiàn)場進行有效的通風排煙，對火災煙氣實現(xiàn)有效的控制，為人員疏散提供安全無煙的環(huán)境，對于減少地鐵火災的人員傷亡具有重要意義。這就需要對隧道火災中的煙氣輸運特性進行相應的研究。

現(xiàn)階段對隧道火災煙氣輸運特性的研究主要是通過全尺寸隧道實驗研究、小尺寸模型實驗研究以及數(shù)值模擬研究這三種方法進行的。其中，全尺寸實驗研究的準備周期長、可重復性差、資金消耗量大，而數(shù)值模擬研究又往往需要實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，因此，可重復性好、實驗周期短、可信度高的小尺寸模型實驗研究就成為隧道火災研究人員的必選。根據(jù)調查研究可知，國內一些科研院所已經(jīng)建立了一些隧道模型實驗臺，比如中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室擁有一座長度72m、高度1.30m、寬度1.50m的矩形截面隧道模型實驗臺，主要用來研究特長公路隧道的縱向通風排煙模式的排煙效果；中南大學建立的馬蹄形截面的隧道模型實驗臺的長度雖然達到52.5m，但是該實驗臺的截面積只有0.65m²，弧頂最大高度為0.70m，模型路面寬度為1.10m，主要用來研究特長公路隧道主體縱向通風排煙模式和重點通風排煙模式的有效性；西南交通大學的機械學院建立了一座比例為1:15、長度為15m、高度為0.32m、寬度為0.70m的矩形公路隧道主體模型，采用氣體火源，主要用來研究公路隧道豎井排煙模式的有效性；武漢大學建立了一座1:20的小尺寸弧頂隧道模型試驗臺，該隧道模型路面寬度為0.465m，弧頂高度為0.322m，總長度只有13m。另外，韓國的jaeseongroh等人也建立了一座1:20的弧頂隧道模型實驗臺，該試驗臺的高度和寬度均為0.40m，長度只有10m，隧道的一端安裝有變頻軸流風機，只能用來模擬研究隧道縱向通風排煙模式的效果。

通過上述調研可知，現(xiàn)階段的小尺寸模型實驗研究平臺還存在一些需要改進的地方：

(1)通風排煙模式單一

現(xiàn)有的隧道火災模擬平臺大部分只能實現(xiàn)一種通風排煙方式的模擬研究，要么單純的自然通風排煙，要么單純的縱向通風排煙，很少有能夠將多種通風排煙模式集成到一體的研究平臺。

(2)隧道模型尺寸偏小

現(xiàn)階段國內外大多數(shù)的隧道模型由于受到實驗場地的限制，長度基本上都在10m左右的范圍內。實際上，隧道模型的尺寸對于模擬結果具有重要的影響。尺寸過小的隧道模型難以滿足一些重要的相似準則，橫截面積過小會影響煙氣的湍流結構，改變煙氣運動的流場特征；長度過小則無法模擬研究距離火源較遠位置處的煙氣運動情況。

(3)火源燃燒模擬方式單一

現(xiàn)有的隧道火災模擬平臺多采用油盤模擬火源的燃燒。但是油盤火源的熱釋放功率主要由燃料種類和油盤的面積決定，無法實現(xiàn)火源功率的連續(xù)調節(jié)，實驗中需要多次更換火源油盤。

(4)通風風速調控精度低

大多數(shù)的隧道火災模擬平臺由于長度比較短，通常不設置整流管段或者設置的整流管段長度不足，使得施加的縱向通風速率不穩(wěn)定，分布不均勻，從而影響通風排煙效果的模擬研究結果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，彌補現(xiàn)階段隧道火災模擬研究平臺的不足，實現(xiàn)不同種類的通風排煙模式的模擬研究，操作簡單，安全可靠，可重復性好，效果明顯。

本發(fā)明的技術方案為：

一種多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，包括隧道模型主體、縱向通風排煙系統(tǒng)、全橫向通風排煙系統(tǒng)、半橫向通風排煙系統(tǒng)、火源燃燒模擬系統(tǒng)和測量記錄系統(tǒng)；

所述縱向通風排煙系統(tǒng)主要由變頻軸流風機和整流管段構成；所述變頻軸流風機的出風口與整流管段的一端連通，所述整流管段的另一端通過可拆卸接口與隧道模型主體連通；

所述全橫向通風排煙系統(tǒng)主要由排煙管道、變頻軸流排煙風機、電動排煙閥、送風管道、變頻軸流送風風機和電動送風閥構成；所述排煙管道由設置在隧道模型主體內上部的頂棚與隧道模型主體頂部之間的空隙構成；所述變頻軸流排煙風機有兩臺，分別安裝在排煙管道的兩端出口處；所述電動排煙閥有若干個，分別安裝在頂棚上等間距開設的各個排煙口處；所述送風管道由設置在隧道模型主體內下部的底板與隧道模型主體底部之間的空隙構成；所述變頻軸流送風風機有兩臺，分別安裝在送風管道的兩端進口處；所述電動送風閥有若干個，分別安裝在底板上等間距開設的各個送風口處；

所述半橫向通風排煙系統(tǒng)主要由排煙管道、變頻軸流排煙風機和電動排煙閥構成；所述排煙管道、變頻軸流排煙風機和電動排煙閥為全橫向通風排煙系統(tǒng)和半橫向通風排煙系統(tǒng)所共用，即所述半橫向通風排煙系統(tǒng)是全橫向通風排煙系統(tǒng)的一部分；

所述火源燃燒模擬系統(tǒng)包括液體火源燃燒模擬系統(tǒng)和氣體火源燃燒模擬系統(tǒng)；

所述測量記錄系統(tǒng)包括風速測量記錄系統(tǒng)、煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)、煙氣成分濃度分析系統(tǒng)和視頻記錄系統(tǒng)。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述隧道模型主體由若干節(jié)可拆卸的圓形截面腔室單元連接構成，每一節(jié)腔室單元的前側面均安裝有一個曲面鋼化玻璃窗，所述曲面鋼化玻璃窗從上往下向外打開。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述變頻軸流風機的橫截面積大于隧道模型主體的橫截面積，所述變頻軸流風機通過漸縮管與整流管段連通，所述整流管段的長度大于3m。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述液體火源燃燒模擬系統(tǒng)主要由用于放置油盤的油盤托架、用于實時測量記錄液體燃料質量的電子天平和電腦構成，所述油盤托架的一端放置在電子天平上，另一端伸入隧道模型主體內部，所述電子天平的輸出端與電腦的輸入端連接。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述氣體火源燃燒模擬系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體內部的多孔燃燒器以及設置在隧道模型主體外部的氣體流量計、減壓閥和燃料儲氣瓶構成，所述氣體流量計與多孔燃燒器連接，所述燃料儲氣瓶通過減壓閥與氣體流量計連接。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述風速測量記錄系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體內部且靠近整流管段的可移動風速探針樹以及設置在隧道模型主體外部的風速采集儀和電腦構成，所述可移動風速探針樹的輸出端通過風速采集儀與電腦的輸入端連接。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體內部的可移動熱電偶樹、沿頂棚下側縱向分布的熱電偶線陣以及設置在隧道模型主體外部的溫度采集儀和電腦構成，所述可移動熱電偶樹和熱電偶線陣的輸出端通過溫度采集儀與電腦的輸入端連接。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述煙氣成分濃度分析系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體內部的可移動煙氣采集桿以及設置在隧道模型主體外部的煙氣分析儀和電腦構成，所述可移動煙氣采集桿的輸出端通過煙氣分析儀與電腦的輸入端連接。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述視頻記錄系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體外部的激光片光源和視頻記錄儀構成，所述激光片光源用于向隧道模型主體內部發(fā)射片狀激光以清晰顯示通風排煙過程中煙氣運動的流場特征，所述視頻記錄儀用于實時記錄火災模擬實驗的狀態(tài)以及通風排煙過程中煙氣運動的流場特征。

所述的多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，所述隧道模型主體的長度為30m以上。

本發(fā)明的有益效果為：

由上述技術方案可知，本發(fā)明模塊化程度高，操作簡單，功能齊全，彌補了以往隧道火災模擬研究平臺通風排煙模式單一的不足，可以實現(xiàn)自然通風排煙、縱向通風排煙、全橫向通風排煙、半橫向通風排煙、重點通風排煙等多種地鐵區(qū)間隧道內火災通風排煙模式的模擬研究；與此同時，本發(fā)明的隧道模型主體的橫截面積足夠大，長度足夠長，完全可以實現(xiàn)火災時通風排煙的正確模擬，而且隧道模型主體的前側面全部采用耐高溫的鋼化玻璃，可視性好，非常方便觀察記錄火災煙氣的運動特征以及流場結構，方便測量記錄煙氣溫度、成分和濃度，便于比較各種通風排煙模式的排煙效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的隧道模型主體示意圖；

圖3是本發(fā)明的火源燃燒模擬系統(tǒng)示意圖，其中，圖3(a)為液體火源燃燒模擬系統(tǒng)示意圖，圖3(b)為氣體火源燃燒模擬系統(tǒng)示意圖；

圖4是本發(fā)明的風速測量記錄系統(tǒng)示意圖；

圖5是本發(fā)明的煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)示意圖；

圖6是本發(fā)明的煙氣成分濃度分析系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明。

如圖1～圖6所示，一種多功能地鐵區(qū)間隧道火災通風排煙模式模擬研究平臺，包括隧道模型主體1、縱向通風排煙系統(tǒng)、全橫向通風排煙系統(tǒng)、半橫向通風排煙系統(tǒng)、火源燃燒模擬系統(tǒng)和測量記錄系統(tǒng)。

隧道模型主體1固定在試驗臺支架0上，由若干節(jié)可拆卸的圓形截面腔室單元連接構成，每一節(jié)腔室單元的前側面均安裝有一個耐高溫的曲面鋼化玻璃窗1-1，方便觀察煙氣運動的流場特征，易于記錄通風排煙的效果，并且該曲面鋼化玻璃窗1-1可以從上往下向外打開，方便布置或更換隧道模型主體1內部的一些探測儀器和設備。每一節(jié)腔室單元的上、下側面和后側面均采用防火板材制成，所有縫隙處進行相應的密封處理，防止隧道模型主體1漏風漏煙。每一節(jié)腔室單元的長度為5m，10節(jié)腔室單元可以組成50m的隧道模型主體，按照1:5的比例，可以模擬250m長度的地鐵區(qū)間隧道。

縱向通風排煙系統(tǒng)主要由變頻軸流風機2-1、漸縮管2-2和整流管段2-3構成，變頻軸流風機2-1的橫截面積大于隧道模型主體1的橫截面積，變頻軸流風機2-1的出風口通過漸縮管2-2與整流管段2-3的一端連通，整流管段2-3的另一端通過可拆卸接口與隧道模型主體1連通。整流管段2-3的長度至少要有3m，變頻軸流風機2-1通過改變葉輪的轉速來改變出風口風速的大小，經(jīng)過漸縮管2-2和整流管段2-3的整流處理以后，向隧道模型主體1中提供均勻穩(wěn)定的縱向通風。

全橫向通風排煙系統(tǒng)主要由排煙管道3-1、變頻軸流排煙風機3-2、電動排煙閥3-3、送風管道3-4、變頻軸流送風風機3-5和電動送風閥3-6構成。排煙管道3-1由設置在隧道模型主體1內上部的頂棚與隧道模型主體1頂部之間的空隙構成。變頻軸流排煙風機3-2有兩臺，分別安裝在排煙管道3-1的兩端出口處。電動排煙閥3-3有若干個，分別安裝在頂棚上等間距開設的各個排煙口處。送風管道3-4由設置在隧道模型主體1內下部的底板與隧道模型主體1底部之間的空隙構成。變頻軸流送風風機3-5有兩臺，分別安裝在送風管道3-4的兩端進口處。電動送風閥3-6有若干個，分別安裝在底板上等間距開設的各個送風口處。電動排煙閥3-3和電動送風閥3-6均可實現(xiàn)電動控制自動打開或關閉。

半橫向通風排煙系統(tǒng)主要由排煙管道3-1、變頻軸流排煙風機3-2和電動排煙閥3-3構成。排煙管道3-1、變頻軸流排煙風機3-2和電動排煙閥3-3為全橫向通風排煙系統(tǒng)和半橫向通風排煙系統(tǒng)所共用，即半橫向通風排煙系統(tǒng)是全橫向通風排煙系統(tǒng)的一部分。

火源燃燒模擬系統(tǒng)分為兩類：液體火源燃燒模擬系統(tǒng)和氣體火源燃燒模擬系統(tǒng)。其中，液體火源燃燒模擬系統(tǒng)主要由用于放置油盤的油盤托架4-1、用于實時測量記錄液體燃料質量的電子天平4-2和電腦10構成，油盤托架4-1的一端放置在電子天平4-2上，另一端伸入隧道模型主體1內部，電子天平4-2的輸出端與電腦10的輸入端連接，通過更換不同尺寸的油盤以及液體燃料，可以實現(xiàn)不同火源功率條件下的模擬燃燒，并能實時測量記錄火源燃燒時的質量損失；氣體火源燃燒模擬系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體1內部的多孔燃燒器5-1以及設置在隧道模型主體1外部的氣體流量計5-2、減壓閥5-3和燃料儲氣瓶5-4構成，氣體流量計5-2與多孔燃燒器5-1連接，燃料儲氣瓶5-4通過減壓閥5-3與氣體流量計5-2連接，通過調節(jié)氣體流量計5-2可以調節(jié)供給燃料氣體的速率，實現(xiàn)不同火源功率條件下的模擬燃燒，并可以實現(xiàn)火源功率在一定范圍內的連續(xù)調節(jié)。

風速測量記錄系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體1內部且靠近整流管段2-3的可移動風速探針樹6-1以及設置在隧道模型主體1外部的風速采集儀6-2和電腦10構成。可移動風速探針樹6-1的輸出端通過風速采集儀6-2與電腦10的輸入端連接，可以實現(xiàn)隧道模型主體1內部縱向通風的實時測量記錄?？梢苿语L速探針樹6-1呈“米”型，可以實現(xiàn)隧道模型主體1橫截面上的縱向通風風速的準確測量。

煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體1內部的可移動熱電偶樹7-1、沿頂棚下側縱向分布的熱電偶線陣7-2以及設置在隧道模型主體外部的溫度采集儀7-3和電腦10構成?？梢苿訜犭娕紭?-1的輸出端和熱電偶線陣7-2的輸出端通過溫度采集儀7-3與電腦10的輸入端連接，溫度采集儀7-3選用7018溫度采集模塊，可以實現(xiàn)隧道模型主體1空間豎向煙氣溫度和頂棚煙氣溫度的實時測量記錄?？梢苿訜犭娕紭?-1中熱電偶的豎向間距一般不大于10cm，可以在隧道模型主體1內部放置多個可移動熱電偶樹7-1。頂棚下側的熱電偶線陣7-2距離頂棚的距離為5cm，熱電偶線陣7-2中相鄰兩個熱電偶之間的間距不超過25cm。

煙氣成分濃度分析系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體1內部的可移動煙氣采集桿8-1以及設置在隧道模型主體1外部的煙氣分析儀8-2和電腦10構成。可移動煙氣采集桿8-1的輸出端通過煙氣分析儀8-2與電腦10的輸入端連接，可以實現(xiàn)隧道模型主體1內部多點位置的火災煙氣成分的分析和濃度的測量，并實時記錄相應的數(shù)據(jù)。

視頻記錄系統(tǒng)主要由設置在隧道模型主體1外部的激光片光源9-2和視頻記錄儀9-3構成。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固定在試驗臺支架0上。激光片光源9-2可以向隧道模型主體1內部發(fā)射片狀激光以清晰顯示通風排煙過程中煙氣運動的流場特征。視頻記錄儀9-3可以實時記錄火災模擬實驗的狀態(tài)以及通風排煙過程中煙氣運動的流場特征。

本發(fā)明的工作原理；

(一)縱向通風排煙模式模擬研究的工作過程如下：

首先打開視頻記錄儀9-3，記錄整個實驗過程中的現(xiàn)象。實驗中使用氣體火源燃燒模擬隧道火災，打開燃料儲氣瓶5-4的閥門，調節(jié)減壓閥5-3和氣體流量計5-2，點燃多孔燃燒器5-1開始模擬燃燒。調節(jié)變頻軸流風機2-1的轉速，向隧道模型主體1中提供均勻穩(wěn)定的縱向通風。然后打開風速測量記錄系統(tǒng)測量記錄縱向通風的風速，打開煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)測量記錄煙氣的溫度，打開煙氣成分濃度分析系統(tǒng)分析記錄熱煙氣的成分以及濃度值。等熱煙氣的流場穩(wěn)定以后，觀察縱向通風的排煙效果，記錄熱煙氣向火源上游蔓延逆流的長度。調節(jié)氣體流量計5-2改變火源功率的大小，調節(jié)變頻軸流風機2-1的轉速改變縱向通風的速率，模擬研究不同火源功率條件下縱向通風排煙模式的排煙效果。

(二)全橫向通風排煙模式模擬研究的工作過程如下：

全橫向通風排煙模式模擬研究中需要將縱向通風排煙系統(tǒng)從隧道模型主體1的左端拆卸下來，左端形成一個自然開口。首先打開視頻記錄儀9-3，記錄整個實驗過程中的現(xiàn)象。然后電動控制打開全部電動排煙閥3-3和電動送風閥3-6。實驗中使用液體火源燃燒模擬隧道火災，在油盤托架4-1上放置油盤，油盤中添加液體燃料，點燃油盤開始模擬燃燒。調節(jié)變頻軸流送風風機3-5的轉速，通過送風管道3-4向隧道模型主體1中送風。調節(jié)變頻軸流排煙風機3-2的轉速，通過排煙管道3-1從隧道模型主體1中排煙。打開煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)測量記錄煙氣的溫度。等熱煙氣的流場穩(wěn)定以后，觀察全橫向通風的排煙效果，記錄熱煙氣蔓延擴散的范圍。更換不同尺寸的油盤以及液體燃料改變火源功率的大小，調節(jié)變頻軸流送風風機3-5和變頻軸流排煙風機3-2的轉速改變全橫向通風排煙的速率，模擬研究不同火源功率條件下全橫向通風排煙模式的排煙效果。

(三)半橫向通風排煙模式模擬研究的工作過程如下：

半橫向通風排煙模式模擬研究中需要將縱向通風排煙系統(tǒng)從隧道模型主體1的左端拆卸下來，左端形成一個自然開口。首先打開視頻記錄儀9-3，記錄整個實驗過程中的現(xiàn)象。然后電動控制打開全部電動排煙閥3-3。實驗中使用液體火源燃燒模擬隧道火災，在油盤托架4-1上放置油盤，油盤中添加液體燃料，點燃油盤開始模擬燃燒。調節(jié)變頻軸流排煙風機3-2的轉速，通過排煙管道3-1從隧道模型主體1中排煙，兩端開口形成自然補風。打開煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)測量記錄煙氣的溫度。等熱煙氣的流場穩(wěn)定以后，觀察半橫向通風的排煙效果，記錄熱煙氣蔓延擴散的范圍。更換不同尺寸的油盤以及液體燃料改變火源功率的大小，調節(jié)變頻軸流排煙風機3-2的轉速改變半橫向通風排煙的速率，模擬研究不同火源功率條件下半橫向通風排煙模式的排煙效果。

(四)重點通風排煙模式模擬研究的工作過程如下：

重點通風排煙模式模擬研究中需要將縱向通風排煙系統(tǒng)從隧道模型主體1的左端拆卸下來，左端形成一個自然開口。首先打開視頻記錄儀9-3，記錄整個實驗過程中的現(xiàn)象。然后電動控制打開位于火源上方的部分電動排煙閥3-3。實驗中使用液體火源燃燒模擬隧道火災，在油盤托架4-1上放置油盤，油盤中添加液體燃料，點燃油盤開始模擬燃燒。調節(jié)變頻軸流排煙風機3-2的轉速，通過排煙管道3-1從隧道模型主體1中排煙，兩端開口形成自然補風。打開煙氣溫度測量記錄系統(tǒng)測量記錄煙氣的溫度。等熱煙氣的流場穩(wěn)定以后，觀察重點通風排煙的效果，記錄熱煙氣蔓延擴散的范圍。更換不同尺寸的油盤以及液體燃料改變火源功率的大小，調節(jié)變頻軸流排煙風機3-2的轉速改變重點通風排煙的速率，改變電動排煙閥3-3開啟的數(shù)量，模擬研究不同火源功率條件下重點通風排煙模式的排煙效果。

以上所述實施方式僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的權利要求書確定的保護范圍內。