一种模块化纵向排烟地铁隧道运动体火灾实验系统的制作方法

本发明涉及长大地铁隧道多运动体火灾缩尺寸实验系统，特别涉及一种模块化纵向排烟地铁隧道运动体火灾实验系统。

背景技术：

近年来，随着我国高铁地铁等技术的日渐成熟，在建及新投入使用的隧道规模也逐年增加，据统计，隧道火灾频率约为2次/108·车·千米，长大隧道一旦发生火灾造成的影响及对人员隧道结构安全的威胁是巨大的。随着地铁隧道的长大化，火灾发生后列车往往会被迫减速直至停车，最后滞留在隧道内进行紧急疏散，这是由于以下三种情况造成的：1)火灾发生时通常会切断行车系统供电使列车失去动力；2)驱动电机故障也会使列车失去动力；3)乘客启动紧急制动系统或人为破坏致使列车迫停。列车发生火灾时往往处于高速行驶状态，从高速行驶到逐渐减速停车的动态过程，隧道内的活塞风会随着列车运动状态的变化而变化。而活塞风会驱使隧道内烟气的流向。在列车停车前，隧道内的烟气一直处于列车的后方，当列车制动停车后，车尾的烟气在活塞风的驱使下，会继续运动，蔓延整列列车。

长度小于2km的地铁或铁路隧道通常采用由射流风机组织的纵向排烟模式，而长度在2km～4km的地铁或铁路隧道，通常在隧道中间设置排烟竖井，采用排烟竖井与射流风机相结合的纵向排烟方案。纵向排烟方案是否适用于隧道运动体火灾是一个亟待解决的问题。因此有必要研究纵向排烟模式下，列车发生火灾后，减速停车整个动态过程的塞风规律、火灾燃烧特性、烟气蔓延特性、临界抑制风速、热释放速率等相关机理。

现有的隧道火灾缩尺寸实验系统大都只适用于研究地铁或铁路隧道列车停止状态的火灾特性研究，不能反映列车从发生火灾到减速停车的动态过程。此外，现有的缩尺寸实验大都采用在隧道模型端部设置大型轴流风机，并利用送风均流格栅在隧道模型内组织均匀的纵向风速。这种实验装置一般包括缩尺寸隧道模型，列车模型，燃烧器，通风系统，均流格栅，测温系统，风速测试系统及数据采集系统等几部分。

可见，目前的隧道火灾模拟实验系统只能进行火源静止火源火灾模拟实验，不能模拟火源运动状态下的火灾特性。迫切需要建立能够用于运动体火灾燃烧特性和烟气扩散特性的实验系统。此外，这种实验系统也不能真实反映实际地铁隧道纵向通风排烟系统的排烟能力。这是因为，真实的隧道内，射流风机的截面积只占隧道断面的3％～5％，隧道断面的实际纵向风速分布是不均匀的，而实验系统通过送风均流格栅，在模型隧道断面内组织了均匀的纵向风速。而且如何将实验系统设计模块化，从而在一个实验系统上模拟研究不同长度的地铁隧道火灾情形也是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种模块化纵向排烟地铁隧道运动体火灾实验系统，克服现有技术中不能在一个实验系统上模拟研究不同长度的地铁隧道火灾情形的问题。

本发明采用的技术方案是：一种模块式地铁隧道运动体火灾缩尺寸实验系统，包括隧道主体，设置于隧道主体上的压力测试系统、温度测试系统、烟气分析系统和活塞风速测试系统，列车模型以及设置于列车模型中的燃烧器，所述隧道主体和列车模型由多段缩尺寸模型实验标准段拼装组成，列车模型车头和车尾与分别与列车模型运动主动系统和列车模型运动从动系统通过链条连接，隧道主体标准段外部顶上设有射流风机风阀、缩尺寸射流风机、排烟竖井轴流风机和排烟竖井风阀。

所述隧道主体包括耐高温隧道主体标准段、耐高温火焰观察窗、传动链条托辊支架、传动链条托辊，所述标准段之间采用法兰连接，连接好的隧道主体放置在隧道主体支架上。

所述射流风机风阀、缩尺寸射流风机，通过缩尺寸弯头将模型隧道内的空气抽吸进设置在模型隧道外的风机内，风机的尺寸不受缩尺寸相似比的限制，再通过缩尺寸弯头输送到模型隧道内，缩尺寸射流风机模块的风量通过调节射流风机风阀的开度来控制。

所述列车模型前后分别设置有车头前的链条拉紧器和车尾链条拉紧器，链条的端头利用钢圈与链条拉紧器连接。

列车模型顶部设置有燃烧器槽位和燃烧器盖板，位于列车模型的车头，车尾和车中位置。

所述燃烧器包括燃烧盘，燃烧盘的尺寸与列车模型的燃烧器槽位的尺寸对应，燃烧盘内分隔成多个小格。

列车模型采用具有轮缘的车轮结构，车轮位于工字型轨道上，将车轮轮缘卡在工字轨道内侧，轨道与隧道主体直接采用螺丝固定。

所述列车模型运动主动系统包括速度控制电机、齿轮盘、与隧道主体连接的法兰盘，速度控制电机与齿轮盘利用联轴器连接，速度控制电机通过联轴器将动力传递给齿轮盘，齿轮盘转动再带动链条运动，链条牵引模型列车按照指定运动规律进行运动。

所述列车模型运动从动系统包括齿轮盘和与隧道主体连接的法兰盘，从动系统、主动系统、链条、列车模型一起形成一个闭环连接。

所述隧道耐高温火焰观察窗外，设置有两至多台高清数码摄像机。

本发明的有益效果是：本发明提出一种新的可拼接式的采用射流风机与排烟竖井相结合的纵向排烟方案的地铁或铁路隧道运动体火灾缩尺寸实验系统。该系统通过调整隧道主体标准段的数量来调节模型隧道的长度，通过调整射流风机模块与竖井轴流风机模块的开启组合方式，来研究纵向排烟方案的地铁或铁路隧道的运动体火灾特性、烟气扩散特性及活塞风规律。实验研究的纵向通风方案包括三种：只开启射流风机模块、只开启竖井轴流风机模块、同时开启射流风机模块和竖井轴流风机模块。本发明为运动体隧道火灾的实验研究提供平台支撑，同时也为地铁或铁路隧道防灾减灾提供解决方案。。实验系统包括模型列车驱动系统，燃烧器，测温系统，测风压系统，通风排烟系统及风速测量系统等几部分。本专利可直接应用于采用纵向通风排烟方案的地铁或铁路隧道运动体火灾实验研究，具有良好的社会效益。

附图说明

图1地铁隧道运动体火灾实验系统图；

图2隧道主体拼装示意图；图2(a)是隧道主体拼装示意图，图2(b)是隧道截面连接法兰处断面图；

图3射流风机缩尺寸模拟模块图；

图4列车模型图；

图5链条拉紧器与链条连接示意图；

图6模型隧道断面及模型列车轨道断面图；图6(a)是隧道主体截面图；图6(b)是列车模型截面图；图6(c)是列车车轮与轨道相对位置关系图；

图7燃烧盘侧视图及俯视图；图7(a)是燃烧盘侧视图，图7(b)是燃烧盘俯视图；

图8列车运动主动系统侧视图；图8(a)是列车运动主动系统沿隧道方向的侧视图，图8(b)是列车运动主动系统垂直于隧道方向的侧视图；

图9列车运动从动系统侧视图；图9(a)是列车运动从动系统沿隧道方向的侧视图，图9(b)是列车运动从动系统垂直于隧道方向的侧视图；

图10高速摄像机布置位置图；

其中：1.隧道主体；2.压力测试系统；3.温度测试系统；4.烟气分析系统；5.活塞风速测试系统；6.列车模型运动主动系统；7.列车模型运动从动系统；8.链条；9.列车模型；10.传动链条拉紧器；11.排烟竖井风阀；12.链条托辊；13.燃烧器；14.速度控制电机；15.缩尺寸射流风机；16.行程开关；17.隧道主体支架；18.排烟竖井轴流排烟风机；19.轨道；20.高清数码摄像机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，地铁隧道运动体火灾实验系统包括隧道主体1、压力测试系统2、温度测试系统3、烟气分析系统4、活塞风速测试系统5、列车模型运动主动系统6、列车模型运动从动系统7、链条传动系统8、列车模型9、传动链条拉紧器10、排烟竖井风阀11、链条托辊12、燃烧器13、速度控制电机14、缩尺寸射流风机15、行程开关16、隧道主体支架17，排烟竖井轴流排烟风机18。

如图2所示，隧道主体有多段缩尺寸模型实验标准段拼装组成，包括耐高温隧道主体标准段1-1、耐高温火焰观察窗1-2、传动链条托辊支架12-1、传动链条托辊12-2。标准段之间采用法兰连接，连接好的隧道主体放置在隧道主体支架17上。隧道主体标准段设有射流风机风阀15-1、缩尺寸射流风机15-2、排烟竖井轴流风机18和排烟竖井风阀11。通过调整带排烟模块的标准段所处的位置，调整缩尺寸射流风机15-2和排烟竖井轴流风机18在整个隧道模型的位置。

图3展示了射流风机的缩尺寸模拟模块设计，包括射流风机风阀15-1、缩尺寸射流风机15-2。由于实际隧道内的射流风机尺寸如果按照相似比进行缩尺寸设计，则缩尺寸模型会非常小，此时很难找到尺寸合适且风量合适的小型风机。本发明提出了射流风机缩尺寸设计的解决方案。通过缩尺寸弯头15-3将模型隧道内的空气抽吸进设置在模型隧道外的风机15-2内，风机15-2的尺寸不受缩尺寸相似比的限制。再通过缩尺寸弯头15-3输送到模型隧道内。缩尺寸射流风机模块的风量通过调节射流风机风阀15-1的开度来控制。

如图4所示，实验列车模型也采用标准段拼接组合的方式连接。有利于研究列车长度对活塞风的影响，及其对烟气扩散、火灾特性等的影响。列车模型包括车头前的链条拉紧器10-1和车尾链条拉紧器10-2。链条8的端头利用钢圈与链条拉紧器10-1、10-2连接，通过旋转拉紧器，逐渐使链条呈紧绷状态，如图5所示。列车顶部设置有燃烧器槽位13-1和燃烧器盖板13-2。燃烧器可以放置在模型列车的车头，车尾和车中位置，适用于研究列车不同位置发生火灾时的烟气扩散特性。

图6分别展示了隧道模型断面图和列车模型断面图，其中，列车模型9采用具有轮缘的车轮结构，车轮位于工字型轨道19上，将车轮轮缘卡在工字轨道19内侧，起到限定列车运动的作用，保证列车高速直线运动状态下不倾倒。轨道19与隧道主体1直接采用螺丝固定。模型列车的燃烧系统包括燃烧器槽位13-1和燃烧器盖板13-2。

图7分别展示了燃烧盘侧视图和俯视图。燃烧盘的尺寸与列车模型的燃烧器槽位13-1的尺寸对应。实验时，将燃烧盘放置于燃烧器槽位13-1中。同时，燃烧盘内分隔成多个小格。适用于研究不同强度的火灾的运动体火灾特性及烟气扩散特性。

图8展示了列车运动主动系统的侧视图。主动系统包括速度控制电机14、齿轮盘6-1、与隧道主体1连接的法兰盘6-2、速度控制电机14与齿轮盘6-1利用联轴器6-3连接。速度控制电机14通过联轴器6-3将动力传递给齿轮盘6-1，齿轮盘6-1转动再带动链条8运动，链条8牵引模型列车9按照指定运动规律进行运动。得益于模型列车9的前后都与链条8连接，形成一个闭环连接。所以链条8既可以控制模型列车9加速运动，又可以控制模型列车9减速制动。

图9展示了列车运动从动系统的侧视图，从动系统包括齿轮盘7-1和与隧道主体1连接的法兰盘7-2。从动系统7、主动系统6、链条8、列车模型9一起形成一个闭环连接，整个运动系统可实现对模型列车的加速、减速、匀速控制。

图10展示了实验图像采集系统与隧道主体1的相对位置关系，从图10可以看出，隧道主体1之间都是利用法兰连接。摄像系统20采用分段采集的办法，每台摄像机负责一个模型隧道标准段的图像采集工作，相邻的两台摄像机的图像采集会有小范围的重叠。图中虚线表示的是每台摄像机的图像采集范围。图像采集结束后，利用专业软件将各台摄像机20-1、20-2、20-3的图像拼接成一个图像整体。

数据采集系统包括压力测试系统2、温度测试系统3、烟气分析系统4、活塞风速测试系统5。可以实时测量并记录隧道内的压力、温度、风速及烟气成分、浓度等参数。此外，图像采集系统20布置在隧道耐高温火焰观察窗1-2外，包括多台高清数码摄像机20-1、20-2、20-3，负责采集运动体火灾特性的相关图像资料。

模型列车的驱动系统主要包括主动系统6及从动系统7两部分。通过链条控制列车的加速、匀速及制动。列车模型的采用带轮缘的车轮，车轮被置于轨道19上，保证列车模型高速直线行驶状态下不倾倒。此外，行程开关16被用来控制列车运动的区间，防止模型列车超出预定的运动区域，从而保证模型实验的安全性。

本发明的工作过程如下：

1)将高速摄像机(2～3台)置于耐高温火焰观察窗1-2外侧，摄像机距离观察窗约1.5m，摄像机的位置在整个实验中固定不动，然后在实验开始前统一各摄像机的系统时间(误差在±1s内)，并调整其处于拍摄状态，拍摄过程由实验人员操作。

2)检查各测试系统(2～5)的工作状态。启动数据采集系统，并检查各通道数据采集是否正常。经确认无问题后，开始各数据采集仪记录功能。

3)按照热烟实验规范中指定的燃料重量，为燃料称重，并注入到列车模型的燃烧盘中。

4)启动缩尺寸射流风机15和竖井排烟风机18，并根据速度测试系统5的测试数据，调整缩尺寸射流风机15和竖井排烟风机18的转速，使隧道内的机械通风风速达到实验设定的风速。在无风工况下，缩尺寸射流风机15及竖井排烟风机18应关闭。

5)使用长柄火把点燃列车模型中的燃烧盘。

6)启动驱动系统的主动系统6中的控制电机14，通过链条8带动列车模型9以设定的速度在隧道内运行。

7)重复实验及调整参数实验。上述过程为实验的完整过程，列车运行完行程后，利用燃烧盘盖板13-2熄灭燃烧盘，并称重。待实验系统冷却至初始状态后，准备下轮实验，重复过程1～7。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。