一种公路隧道通风系统的仿真平台构建方法及仿真平台的制作方法

一种公路隧道通风系统的仿真平台构建方法及仿真平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种公路隧道通风系统的仿真平台构建方法，该方法的步骤包括基于流动相似性原理，确定隧道原型p与仿真模型m的几何相似比、运动相似比和动力相似比S1、基于仿真目标，设定隧道原型通风系统的初始条件S2、基于步骤S1和步骤S2，建立仿真平台的相似性边界条件S3和基于临界雷诺数对仿真平台和隧道原型的进行分析，构建仿真平台S4。本发明进一步公开了一种公路隧道通风系统的仿真平台。本发明所述技术方案解决了当前公路隧道通风物理模型平台不具有普适性和通用性的问题，同时可扩展功能能够有效开展上述通风方式下的公路隧道火灾物理模型试验。
【专利说明】
一种公路隧道通风系统的仿真平台构建方法及仿真平台
技术领域
[0001] 本发明涉及公路隧道仿真应用，特别是涉及一种大断面特长公路隧道单斜井送排 式通风系统的仿真平台构建方法及仿真平台。
【背景技术】
[0002] 张涿高速公路分水岭隧道为分离式双向六车道特长山岭公路隧道，隧道右线粧号 K46+618~K53+416，全长6798米，隧道左线粧号ZK46+539 · 29~ZK53+430，全长6890 · 71 米。 左、右线纵断面线形均设计为左线坡度/坡长为-3.12%/30.71m、1.5%/6890.71m，右线坡 度/坡长为_1.5%/6789m。该隧道左线利用施工斜井作为通风井，采用通风井送排式纵向通 风;右线米用纯射流风机纵向通风，如图7 _1至7_3所不。
[0003] 由于分水岭隧道左右线均接近7000m，隧道里程长，交通工况前后期差异大，加之 我国特长公路隧道运营通风方面的经验不多，尤其在多单元送排式纵向通风方面的研究还 缺少实验、实测数据，因此围绕该工程开展运营通风及消防系统的模型试验研究工作是十 分必要的。对张涿高速公路分水岭隧道运营通风技术及通风消防进行模型试验研究，通过 研究不同位置、不同风速的通风情况，隧道内流场流速以及烟气温度扩散范围，同时模拟不 同的火灾位置，不同风速下隧道内的温度场、烟气流浓度分布及其蔓延范围，提出分水岭隧 道合理通风配置方案。
[0004] 相对于公路隧道通风与消防的数值计算与仿真，隧道通风消防物理模型试验研究 则较少，已有隧道通风消防物理模型试验大多针对某一具体工程进行，不具有普适性和通 用性。数值计算和仿真虽已取得了长足进步，但仍不足以代替物理模型试验，另外数值计算 和仿真仍需要物理模型试验和现场测试提供基本计算参数、同时对其分析结果进行验证 等。
[0005] 因此，需要提供一种更加通用性强，仿真效果更佳的大断面特长公路隧道单斜井 送排式通风系统的仿真平台构建方法及仿真平台。

【发明内容】

[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种大断面特长公路隧道单斜井送排式通风系 统的仿真平台构建方法及仿真平台，以解决现有技术中对于公路隧道模拟仿真不具有普适 性和通用性，无法准确的对实际公路隧道的情况进行模拟仿真的问题。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[0008] -种公路隧道通风系统的仿真平台构建方法，该方法的步骤包括
[0009] 步骤Sl、基于流动相似性原理，确定隧道原型p与仿真模型m的几何相似比、运动相 似比和动力相似比；
[0010] 步骤S2、基于仿真目标，设定隧道原型通风系统的初始条件；
[0011] 步骤S3、基于步骤Sl和步骤S2,建立仿真平台的相似性边界条件；
[0012] 步骤S4、基于临界雷诺数对仿真平台和隧道原型的进行分析，构建仿真平台。
[0013] 优选的，所述步骤SI包括
[0014] S11、将隧道原型p与仿真模型m对应无量的比例表示为Cq，即比例尺
[0015] S12、建立隧道原型p与仿真模型m的几何相似性比例尺，几何相似性比例尺包括长 度1比例尺
断面面积A比例尺，体积V比例尺
，其 中，1为隧道原型中某一线性长度；

[0016] S13、建立隧道原型p与仿真模型m的运动相似性比例尺，运动相似桦屮仿Ilf?钮栝坛 动像素u比例，
时间t比例戶
-，加速度a比例尺
[0017] S14、建立隧道原型p与仿真模型m的对应点的同名力F的比例尺，同时满足隧道原 型P与仿真模型m的对应点的同一物理性质的力的比例尺均相同。
[0018]优选的，所述同名力F包括重力Fg、粘性力F1^压力FP、弹性力Fe、表面张力Ft，
[0019]
[0020] 优选的，所步骤S2中初始条件包括
[0021] 1)流体不可压缩；
[0022] 2)流体为等温流动，流体密度和粘性为定值；
[0023] 3)流体流动为稳定流，即流体流动过程中，任何一点的压力和流速不随时间而变 化，即压力和流速只是点坐标的函数；
[0024] 4)流体为连续介质；
[0025] 5)流体流动遵守能量守恒定律。
[0026]优选的，在仿真过程中，保证隧道原型与仿真平台处于同一自模区。
[0027] -种公路隧道通风系统的仿真平台，该仿真平台包括与实际隧道成比例的可分体 拆卸/拼接的竖井送风段、竖井排风段、燃烧段、标准段和射流段；
[0028] 所述竖井送风段、竖井排风段、燃烧段和标准段均为内部空间下半部分的3.19% 的空间填筑有水泥砂浆的有机玻璃管道；
[0029] 所述竖井送风段和竖井排风段上分别开设有送风井和排风井，所述进风井和排风 井形成气流通道的送排风体系；
[0030] 沿所述竖井送风段、竖井排风段和标准段均轴向方向的内壁上每隔1米布置胶带； 所述燃烧段在水泥砂浆未填筑的管道内壁上依次敷贴有柔性石棉板和薄铁皮；
[0031 ]所述燃烧段、竖井送风段和竖井排风段长均为0.5米;所述标准段分别包括0.5m、 Im和2m三种长度的标准段；
[0032]所述射流段的长度为2m，其上设置有风机并置于该仿真平台两端。
[0033]优选的，在按模拟工况搭接好的仿真平台的非燃烧段处设有24个用于测量仿真平 台内部仿真环境参数的断面;所述仿真环境参数包括流体流速、压力、CO浓度和温度。
[0034] 优选的，该平台的总长度为15m，横向断面几何比为1:50,轴向几何比1:100;
[0035] 所述胶带沿轴向每隔Im环向黏贴在所述有机玻璃管道非水泥砂浆填筑的内壁一 周，所述胶带宽度为3_6cm〇
[0036] 优选的，所述24个测量断面包括
[0037] 5个测速和测压断面，该断面设置有全压计3;
[0038] 2个CO浓度测量断面，该断面设置有CO气体检测报警仪；
[0039] 17个温度测量断面，在17个断面中设置32个温度测量点，其中，17个测量点设置于 火源上、下游的有机玻璃管道1道的拱顶处，15个测量点固定于火源上、下游的隧道正中位 置的不同高度处。
[0040] 优选的，所述15个测量点利用3个热电偶树固定于所述17个温度测量断面中的3个 中。
[0041] 本发明的有益效果如下：
[0042]本发明所述技术方案采用先进的组合式设计理念开发的通用型试验平台，该平台 通过对竖井送风段、竖井排风段、标准段和射流段的组合可开展纯射流、集中送入、竖井压 入、竖井吸出及竖井送排等多种纵向通风方式的隧道通风模型试验，另外通过在模型隧道 中设置的可移动燃烧段可开展不同位置、不同热释放率的隧道火灾试验，解决了当前公路 隧道通风物理模型平台不具有普适性和通用性的问题，同时可扩展功能能够有效开展上述 通风方式下的公路隧道火灾物理模型试验。
【附图说明】
[0043]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明；
[0044] 图1示出本发明所述仿真平台建构方法的示意图；
[0045] 图2示出本发明所述仿真平台的整体结构原理示意图；
[0046] 图3示出本发明所述仿真平台的外观简图；
[0047] 图4示出本发明所述仿真平台的剖面简图；
[0048] 图5示出本发明所述仿真平台的轴向剖面简图
[0049] 图6示出本发明所述热电偶树的布置示意图；
[0050] 图7示出张涿高速公路分水岭隧道的示意图；
[0051]图8示出本发明所述仿真平台的一种搭接实例。
[0052]
[0053] 1、有机玻璃管道，2、水泥砂浆填筑，3、全压计，4、送风井，5、排风井，6、送风井，7、 燃烧段，8、水泥砂浆填筑与有机玻璃管道交线，9、C0传感器吸管及热电偶树，10、柔性石棉 板+薄铁皮防护层，11、火源，12、热电偶树、13、竖井送风段，14、竖井排风段，15、标准段，16、 射流段。
【具体实施方式】
[0054] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体 描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0055] 如图1所示，本发明公开了一种大断面特长公路隧道单斜井送排式通风系统的仿 真平台构建方法，该方法利用流动相似性原理，得知两个流动对应点上同名物理量，例如线 性长度、速度、压强、各种压力等，应具各自的比例关系，满足两个流动的几何相似、运动相 似和动力相似及初始条件和边界条件的相似。该方法的步骤包括
[0056] 步骤Sl、基于流动相似性原理，确定隧道原型p与仿真模型m的几何相似比、运动相 似比和动力相似比；所述步骤Sl包括
[0057] S11、将隧道原型p与仿真模型m对应无量的比例表示为Cq，即比例尺
[0058] S12、建立隧道原型p与仿真模型m的几何相似性比例尺，几何相似性比例尺包括长 度1比例/
断面面积A比例戶
，体积V比例尺，其 中，1为隧道原型中某一线性长度；
[0059] S13、建立隧道原型p与仿真模型m的运动相似性比例尺，运动相似性比例尺包括运 动像素u比例尺
，时间t比例/
加速度a比例尺
[0060] S14、建立隧道原型P与仿真模型m的对应点的同名力F的比例尺，同时满足隧道原 型P与仿真模型m的对应点的同一物理性质的力的比例尺均相同。
[0061 ]优选的，所述同名力F包括重力Fg、粘性力F1^压力Fp、弹性力Fe、表面张力Ft，
[0062]
[0063]步骤S2、基于仿真目标，设定隧道原型通风系统的初始条件;所步骤S2中初始条件 包括
[0064] 1)流体不可压缩；
[0065] 2)流体为等温流动，流体密度和粘性为定值；
[0066] 3)流体流动为稳定流，即流体流动过程中，任何一点的压力和流速不随时间而变 化，即压力和流速只是点坐标的函数；
[0067] 4)流体为连续介质；
[0068] 5)流体流动遵守能量守恒定律。
[0069] 5、根据权利要求1所述的仿真平台构建方法，其特征在于，在仿真过程中，保证隧 道原型与仿真平台处于同一自模区。
[0070] 步骤S3、基于步骤Sl和步骤S2,建立仿真平台的相似性边界条件；
[0071] 步骤S4、基于临界雷诺数对仿真平台和隧道原型的进行分析，构建仿真平台。
[0072] 具体分析如下：
[0073] 1、流动相似性
[0074] 宙弄示原型与模型对应物理量(!的比例，称为比例尺，即：
[0075]
⑴
[0076] 1)、几何相似
[0077] 两个流动的线性变量间存在固定的比例关系，即原型和模型对应的线性长度比值 相等，则这两个流动为几何相似。
[0078] 以表示某一线性长度，则有长度比例尺：
[0079]
(2)
[0080] 由此可推得隧道原型和模型隧道断面面积的比例尺和体积比例尺，分别为：
[0081 ] (3)
[0082] (4；
[0083]当选定几何相似比后，根据隧道原型的断面面积，即可确定模型隧道的断面面积 和体积。
[0084] 2)、运动相似
[0085] 运动像素是指流体(风流和烟气流)的速度相似。即指两个流动各对应点大小为固 定比例Cu。
[0086]
(5.)
[0087]流动是位移对时间t的微商dl/dt，时间比尺为：
[0088]
(6)
[0089] 同理在运动相似的条件下，风流场中对应处流体质点的加速度比例尺为：
[0090]
(7)
[0091] 3)、动力相似
[0092] 两流动对应点处流体质点受同名力F的方向相同，其大小之比均成固定比尺&，则 称这两个流动是动力相似。同名力是指具有同一物理性质的力。主要有重力Fc、粘性力Fh压 力F P、弹性力Fe、表面张力Ft、惯性力Fi等。
[0093] 如果作用在流体质点上的合力不等于零，根据牛顿第二定律，流体质点产生速度， 根据理论力学中的达朗贝尔定理，引进流体质点惯性力，则惯性力与质点所受诸力平衡，形 式上构成封闭力多边形，这样，动力相似又可表征为两相似流动对应质点的封闭力多边形 相似。假定两流动具有流动相似，作用在流体上任意质点的力有重力Fc、粘性力Fh压力F P、 弹性力Fe、表面张力FT、惯性力？〗等，那么两流动动力相似就要求下式成立：
[0094]
^B)
[0095] 式中下标p、m分别表示原型和模型。
[0096]如果两流动相似，则两个流动对应点上同名物理量(如线性长度、速度、压强、各种 力等)应具比例关系，应满足两个流动的几何相似、运动相似和动力相似以及初始条件和边 界条件相似。几何相似是运动相似和动力相似的前提和依据，动力相似是决定两流动相似 的主导因素，运动相似是几何相似和动力相似的表现。因此，在几何相似前提下，要保证流 动相似，主要看动力相似。
[0097] 2、隧道原型通风系统初始条件
[0098] 在仿真模型试验设计中，需根据所研究现象的本质，抓住对全局有决定意义的影 响因素，将居于次要地位、不影响全局的因素只作为相似的保证或忽略不计，使模型设计结 果不产生较大误差。对于公路隧道通风仿真模型试验，大多数相似条件可以不作为主要因 素，因此作如下假定：
[0099] (1)流体不可压缩
[0100] (2)流体为等温流动，流体密度和粘性为定值。
[0101] (3)流体流动为稳定流
[0102] 流体流动过程中，任何一点的压力和流速不随时间而变化，即压力和流速只是点 坐标的函数。
[0103] (4)流体为连续介质
[0104] (5)流体流动遵守能量守恒定律
[0105] 不可压缩稳定流流体在管道内作渐变流动时，其压力与速度沿流程各断面的变化 (包括摩阻损失)服从能量守恒定律，称为伯努利定理，以方程式表示即为伯努利方程。
[0106] 3、相似准则选取，相似性边界条件
[0107]通过以上假设，公路隧道通风可以理想化为粘性不变的不可压缩流体在重力场中 有压管流运动。两个流动系统的动力相似条件可有无量纲形式的纳维叶-斯托克斯方程导 出，见下式：
[0109]上式并未引出附加的相似条件。
[0110]如果两个几何相似系统的无量纲系数具有相同值，则式(9)就会对两个系统给出 相同解，因此不可压缩粘性流体在重力场中作动力相似运动时普遍要求两个系统具有相同 的佛汝德数(Fr)和雷诺数(Re)。
[0111] 在运动方程中，压强改变是加速度、粘性和重力产生动力效应的综合结果。对于封 闭系统中的等密度流体，重力作用只是引起超静压分布，叠加在由其它作用力引起的可变 压强之上。封闭系统的定义为:流体全部被固定边界包围着的系统或者是流畅范围可认为 是无限大的系统。前者可能是一封闭管道，后者可以是浸没于气体中的物体的低速运动。公 路隧道通风属于浸没与气体中的低速运动。对于封闭系统中的流动，如果运动突然转为静 止，压强应按流体静力学规律分布。此时，可以把压强表示为两部分之和：
[0112] p = pa+ps (10)
[0113 ]其中，Ps由流体静力学(Ps+Yh) =常量确定，而Pd是体现"动力效应"的部分。常数 值则仅与基准面选择有关。将公式（10)代入纳维叶-斯托克斯方程，消去重力项，并把压力 项转换为I/P· /&，则式(9)可改写成：
[0115] 上式表明，要使两个几何相似的封闭系统中不可压缩流体动力相似，仅需该两个 系统的雷诺数相同，故表示内摩擦力相似关系的雷诺准则(Reynolds criterion)是公路隧 道原型与模型内气流相似的唯一定型准则。
[0116] 几何相似的封闭系统中不可压缩流体，只需两个系统雷诺数相同就能满足所有相 似条件。对于公路隧道通风仿真模型试验，两系统的流体介质均为空气，两系统温差较小， 对试验结果影响极小，所以忽略两系统的温度差异，认为两系统温度相等，即：
[0117]
[0118]
[0119]
[0120] (14).
[0121]
[0122]
[0123] (16)
[0124] 式中的下标p、m分别表示原型和模型。
[0125] 由式（16)得，如使模型与原型的雷诺系数相等，则模型与原型速度比尺是模型原 型长度比尺的倒数。当模型比原型缩小η倍时，则模型内风速为原型风速的η倍。原型中雷诺 系数较大时，模型中做到相同的雷诺系数很困难。在高雷诺数情况下，模型流速就达到非常 客观的数值，实验室的风机难以实现这种流速，即使加大风机功率满足了流速要求，此时流 体压缩性可能已经达到了不可忽略的程度。为使原型、模型相似模拟得意进行，通常采用近 似模化的方法。根据1933年尼古拉兹对管内壁上涂有不同砂粒的人工管(六种相对粗糙度） 进行的流体流动试验的研究结果表明，粘性流体具有自模性，当雷诺数Re大到一定程度 时，原型的雷诺数Re处于自模区以内，阻力相似并不要求雷诺数Re相等，则模型雷诺数Re就 不必与原型雷诺数Re相等，即雷诺数Re与无关，这种流动特性称为"自模化状态"。在此区域 中，由于阻力系数不受雷诺数Re大小影响，模型雷诺数Re不必与雷诺数Re相等，只要与原型 处于同一自模区就能自动保证流动相似。
[0126] 对于粘性流体流动，按其临界雷诺数Re的数值分为第一自模区和第二自模区。粘 性流体流动时，雷诺数Re大于第一临界值时的范围称作第一自模区。粘性流体流动时，雷诺 数Re大于第二临界值时，流体流速分布、流动状态不再发生变化，且彼此相似，与雷诺数Re 无关，称为第二自模区。试验时当原型的雷诺数Re处于自模区内，只要保证模型和原型处于 同一自模区，就不必要求模型和原型的雷诺数Re相等，这样可以大大减小风机功率，降低模 型造价且满足相似要求，为公路隧道通风仿真模型试验研究带来方便。
[0127] 如图2所示，本发明进一步公开了一种大断面特长公路隧道单斜井送排式通风系 统的仿真平台，该仿真平台包括与实际隧道成比例的可分体拆卸/拼接的竖井送风段13、竖 井排风段14、燃烧段7、标准段15和射流段16;所述竖井送风段13、竖井排风段14、燃烧段7和 标准段15均为内部空间下部分的3.19%的空间填筑有水泥砂浆的有机玻璃管道1。所述竖 井送风段13和竖井排风段14上分别开设有送风井4和排风井5,所述标准段15对称设置于具 有送风井4的竖井送风段13和具有排风井5的竖井排风段14的短道段中心，即整个模型对称 于短道中心，其中，短道中心是送风井4和排风井5间的隧道段落的中心;所述进风井4和排 风井5形成气流通道的送排风体系。所述射流段16布置于模型两端，其上安装风机。沿所述 竖井送风段13、竖井排风段14和标准段7均在轴向方向的内壁上每隔1米布置胶带，并黏贴 在所述有机玻璃管道非水泥砂浆填筑的内壁一周，所述胶带宽度为3_6cm，该胶带的粘性面 面对有机玻璃管道的送风道，背离有机玻璃管道内壁，设置该胶带的目的是对隧道表面进 行加糙处理，使得模型沿程阻力系数增至0.025,和隧道原型沿程阻力系数一致;本方案中 优选的胶带宽度为4cm。所述燃烧段7在水泥砂浆未填筑的有机玻璃玻璃管道的内壁上依次 敷贴有柔性石棉板和薄铁皮，以避免燃烧段7有机玻璃玻璃高温变形。本方案中，所述燃烧 段7内壁不需要贴胶带，柔性石棉板和薄铁皮均沿燃烧段轴向全长布置，石棉板在上，薄铁 皮在下。所述燃烧段7、竖井送风段13和竖井排风段14长均为0.5米；所述标准段15包括 0.5m、Im和2m三个不同长度的可拼接段;所述射流段16的长度为2m，其上设置有风机并置 于该仿真平台两端以满足隧道模型的拼接，形成送风源。本方案中根据仿真平台与实际隧 道的比率定出竖井送风段13和竖井排风段14在模型平台中的位置，按照与实际隧道尺寸的 比率在竖井送风段13和竖井排风段14上加工设计相应的送风井4和排风井5,该有机玻璃管 道1长度为15m，横向断面几何比为1:50,轴向几何比为1:100。如图8所示，本方案中，可根据 要模仿的实际火灾工况，将燃烧段7灵活的与竖井送风段13、竖井排风段14和标准段15组装 成要求的位置处形成新的火灾工况，在不需要模仿火灾工况的时候可利用标准段15替换燃 烧段7的位置，使有该仿真平台形成正常通风状态时隧道的仿真平台。本发明采用圆形油盘 作为试验火源，每次试验通过增减93#汽油控制火灾规模。图中黑色圆点为热电偶测试点， 图中长方形方格为CO测试点并布置CO传感器。
[0128] 本发明所述仿真平台的非燃烧段的有机玻璃管道1上沿纵向的非水泥砂浆填筑处 布置了 24个量测断面，其中，5个断面是利用全压计3测速、测压，这些全压计3分别位于火源 下游0.5m、3.0m、5.5m和上游2.5m、5m隧道正中位置处，距隧道底板高度为5cm;两个CO浓度 监测点，分别布置于火源下游15cm和30cm处隧道正中位置，距隧道底板高度为3.6cm;32个 温度监测点分布在17个量测断面上，其中17个布置于火源上、下游的拱顶，即沿拱顶的17个 量测断面，15个布置于火源上、下游的隧道正中位置不同高度处，分三个电偶树布置，3个量 测断面属于17个量测断面之内。
[0129]本发明选用上海雷诺仪表科技有限公司生产的JCYB-2000A全压计3(智能压力风 速风量仪)配皮托管测试试验台有机玻璃管道1内部流场风速及压力，设计十分精巧，在物 理模型内部布置时对物理相似试验系统内部流场产生的影响可以忽略不计，且该测试仪器 在高温800摄氏度以下环境中能正常使用，从而保证了在火灾工况试验时也能够正常读数； 火灾工况下，选用深圳市科尔诺电子科技有限公司生产的GT901系列智能气体检测报警仪 (CO)测试有机玻璃管道1内部烟气流CO浓度;在试验台关键位置处(火源上游Im至下游2m间 隔内）等间距设置刻度尺测量烟气层高度，设专人每隔30s采用摄像机对火灾烟气扩散进行 记录;选取左(右)线模型隧道内火源上游一个断面，下游两个断面，专门制作3根热电偶树 测量热烟气层温度的竖直分布，每根热电偶树上设置有不同数量的热电偶探头，探头之间 的间距为0.03m或0.05m，每根热电偶除探头位置均用耐高温的锡纸胶带粘结固定于直径为 2mm的测量杆上，测量杆穿过事先预制在拱顶的小孔垂直固定于模型隧道仰拱上，热电偶直 径
[0130] 2mm，长度为15mm，采用耐高温400摄氏度的特制导线;在模型隧道拱顶距离火源一 定距离处布置了一定数量的热电偶用以测量温度，如图6所示，每个热电偶的端口与16路温 度巡检采集仪联接，通过巡检采集仪采集各点温度。
[0131] 本仿真模型试验台在斜井送风井4、排风井5以及隧道的进口和出口的射流段16各 布置有一台风机，并为每台风机配备功率相同的南京欧陆电气传动有限公司生产的EV500 磁通矢量变频器以实现四台风机风量和风压的精确控制，达到模型与原型动力与运动的高 度相似。
[0132] 下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：
[0133] 以分水岭特长公路隧道通风系统及消防作为本实施例场景选用比率如表1所示：
[0134] 表1隧道仿真模型试验系统各物理量的相似比
[0136] 该仿真平台沿纵向共布置了 24个量测断面，其中，5个断面是利用全压计3测速、测 压(分别位于火源下游〇. 5m、3.0m、5.5m和上游2.5m、5m隧道正中位置处，距隧道底板高度为 5cm)，两个CO浓度监测点（分别布置于火源下游15cm和30cm处隧道正中位置，距隧道底板高 度为3.6cm)，32个温度监测点分布在17个量测断面上，其中17个布置于火源上、下游的拱顶 (即沿拱顶的17个量测断面），15个布置于火源上、下游的隧道正中位置不同高度处(分三个 电偶树布置，3个量测断面属于17个量测断面之内）。另外，为了确保物理仿真平台沿程阻力 损失系数与原型相同，沿隧道纵向采用胶带按1米的等间距对有机玻璃管道1内表面进行加 糙处理。原型与仿真平台的隧道主体尺寸如表2所示。
[0137] 表2分水岭隧道原型与仿真平台的主要几何尺寸
[0139] 测试仪器系统主要由JCYB-2000A全压计3(智能压力风速风量仪）、GT901系列智能 气体检测报警仪(一氧化碳）、热电偶及XMD-100型温度监控巡检仪等组成，均为开展隧道通 风及消防仿真平台研究的适用测试仪器。
[0140] (1)JCYB-2000A 全压计 3
[0141] 隧道通风物理及消防物理仿真平台内部流场风速及压力测试仪器选用上海雷诺 仪表科技有限公司生产的JCYB-2000A全压计3(智能压力风速风量仪），该仪器是一种高稳 定多功能的测量仪器，适用于气体的风速风量正压、负压和差压的测量，是各环境监测站、 实验室、医药卫生、建筑空调供暖、通风、无尘室测试或标定压力的理想仪器，配上皮托管可 直读测量气体流速和风量。需要特别强调的是，该公司生产的JCYB-2000A全压计3配套皮托 管直径只有6mm，十分小巧，在仿真平台内部布置时对物理相似试验系统内部流场产生的影 响可以忽略不计，且该测试仪器在高温800摄氏度以下环境中能正常使用，从而保证了在火 灾工况试验时也能够正常度数。
[0142] (2)GT901系列智能气体检测报警仪(一氧化碳CO)
[0143] 物理仿真平台内部烟气流一氧化碳浓度选用深圳市科尔诺电子科技有
[0144] 限公司生产的GT901系列智能气体检测报警仪(一氧化碳)测试，该报警仪是一款 连续检测周围空气中一氧化碳浓度的本质安全型设备，仪器采用进口世界著名传感器厂商 的一氧化碳传感器和微控制器技术，响应速度快，测量精度高，稳定性和重复性好，整机性 能居内领先水平，各项参数用户可自定义设置，操作简单。内部采用大容量镍氢可充锂电 池，超长待机;贴片化封装，可靠美观;数字LCD背光液晶屏幕显示，清晰直观;具有二级声光 报警功能，对预设报警浓度能够及时、准确、直观的报警提示;仪器外观采用特殊高强度 ABS工程塑料，时尚外形设计，美观、手感好、耐用。仪器具有恢复出厂默认设置功能，使用和 维护方便，极大地满足了工业现场及室内实验安全监测对设备高可靠性的要求。GT901系列 智能气体检测报警仪(CO)内置可开启与关闭的强力吸气栗，且外配连接软管、探头以及冷 凝管（用于测量高温气体）。
[0145] (3)火灾烟气扩散速度和烟气层厚度测量
[0146] 烟气层高度测量，在关键或关心位置处设置刻度尺，火灾发生后，用摄像机对火灾 烟气扩散进行记录，同时再设专人每隔30s根据所设定的标记进行目测记录，记录隧道火灾 烟气扩散情况。
[0147] (4)温度测试系统
[0148] 在火灾试验中，为测量热烟气层温度的竖直分布试验中专门制作了3根热电偶树， 也即选取隧道内三个断面进行测量，在火源上游设置一个断面，下游设置
[0149] 两个断面。因为此次试验的火灾规模较小，影响隧道内的范围有限，因此在试验中 主要研究火源周围温度场的变化，所选取的三个测量断面都是靠近火源附近。每根热电偶 树上设置有不同数量的热电偶探头，根据断面距离火源的位置探头之间的间距为〇.〇3m或 者0.05m，每根热电偶除探头位置均用耐高温的锡纸胶带粘结固定于直径为2mm的铁条上， 铁条穿过事先预制在隧道拱顶的小孔垂直固定于隧道仰拱上。试验中所有热电偶均为厂家 特制加工，热电偶直径2mm，长度为15mm，另外为防止试验过程中高温对热电偶导线造成不 利影响，进而影响温度数据采集，采用耐高温400摄氏度的特制导线。为了研究火灾工况时 温度沿隧道纵向的分布规律，在隧道拱顶距离火源一定距离处布置了一定数量的热电偶用 以测量温度，以研究温度的分布规律。在试验中，每个热电偶的端口与16路巡检采集仪联 接，通过巡检采集仪采集各点温度。
[0150] (5)动力系统
[0151] 物理模拟试验系统中共设置4台风机，分别布置竖井送风井4、竖井排风井5以及隧 道模型出口和入口处用作为轴流送风机、排风机和射流风机使用。试验系统中采用两台布 置于隧道仿真平台两端的主风机模拟集中布置于隧道出、入口的射流风机的升压效果。此 两台风机经过变频改造后可实现调速，因而可实现对同射流风机启动组数的模拟。另外为 研究不同工况下隧道仿真平台内风压、风速、温度场以及烟气流场的分布规律、短道段的流 场情形，也有必要对模拟竖井送排风的风机进行变频改造。为精确控制四台风机的风量和 风压，为其各配备相同功率的南京欧陆电气传动有限公司生产的EV500磁通矢量变频器， 该变频器频率调节可精确到小数点两位数字。
[0152] (6)燃烧段7及火源设置
[0153] 本试验平台采用组合拼装的设计思想，即模拟隧道内火源的燃烧段7可以在整个 仿真平台中任何位置安放形成一种新的工况。根据前期试验火源释放的热量可使有机玻璃 管道1段顶部发生热变形，因此试验时需对燃烧段7进行防护处理，防护层经过数次探索性 试验后选用柔性石棉板和薄铁皮。采用圆形油盘作为试验火源，每次试验时加注6毫升的 93#汽油。
[0154] 根据分水岭特长公路隧道形状及衬砌特性的要求，建立横断面1:50缩小比尺的分 水岭隧道仿真平台，该平台由不同功能的有机玻璃管道1段拼装组合而成，有机玻璃管道1 段根据功能可分为以下四类，即标准通风段、射流风机等效升压段、竖井送风功能段、竖井 排风功能段、燃烧段7。当模拟竖井和射流风机联合作用时隧道正常运营通风及火灾工况 时，利用上述三种功能的有机玻璃管道1段组合成隧道通风及消防仿真平台，当模拟左线时 竖井送排风功能同时启用，当模拟右线时，则不启用竖井送排风功能段。为便于观察烟气蔓 延情况，隧道仿真平台主采用有机玻璃管道1段模拟，管道内部通过铺设垫层，近似接近实 际隧道的断面形状，隧道内部风量通过布置在竖井送风口、竖井排风口以及隧道出口和入 口处的四台可变频风机提供，这样可实现研究供风位置及供风量对隧道内流场、温度场和 烟气流场的影响。在管段内部不同位置设置热电偶、气体检测仪和全压计3,分火灾工况和 非火灾工况两种情况进行物理模拟。将隧道通风物理仿真平台中短道段中一长为〇.5m的标 准通风段置换为燃烧段7或将燃烧段7置于其他位置即可组成不同工况下的分水岭隧道火 灾仿真平台。
[0155] 分水岭特长公路隧道通风及消防物理仿真平台组装完毕后，为检验物理仿真平台 在实际工况条件下整体试验系统的稳定性和可靠性，根据公路隧道通风仿真平台试验要 求，特开展了物理仿真平台的基本性能测试试验，包括全压计3测试风速稳定试验、沿程阻 力损失系数试验、射流风机等效作用试验、动力系统试验等。
[0156] (1)全压计3测试风速稳定时间试验
[0157] 为了避免风速测试仪器对隧道仿真平台内风流场的扰动，保证准确测量风速，本 试验特选用配套微型皮托管的JCYB-2000A型全压计3来测量仿真平台内特定点的风速。在 竖井送排风机、隧道两端射流风机按预定功率工作时在不同时间测量了 1号点，即隧道入 口端距离短道中心模型距离为2m和5号点的风速，即隧道出口端距离短道中心模型距离为 2.5m。通过测试15秒后全压计3的读数已基本稳定，本次试验待风机变频调节后一般30s后 读取全压计3所测风速，此时隧道仿真平台内部的气流场已充分发展，能准确的反映动力系 统的变化，故本试验全压计3读数时间的选取是合理的。
[0158] (2)仿真平台沿程摩阻系数试验
[0159]分水岭隧道仿真平台壁面沿程摩阻系数在0.025左右小幅波动，在仿真平台中选 取的1、2号测点间沿程摩阻系数测试结果为0.02538,4、5号测点间沿程摩阻系数测试结果 为0.02497。据上述试验结果，分水岭特长公路隧道通风及消防仿真平台沿程阻力系数相差 不大，不用再调整，说明隧道仿真平台的沿程阻力已经达到阻力相似要求，隧道仿真平台与 原型流动相似可保证。
[0160] (3)射流风机等效作用试验
[0161] 考虑到隧道进出口端配置数量几乎相等的射流风机群的实际情况，自然风压和交 通活塞风压引起的风速在隧道仿真平台中通过两端同轴风机一定转速在仿真平台内产生 的风量来体现，隧道仿真平台两端同轴风机各承担1.4m/s的升压作用。试验中仿真平台出 口端风机频率为50Hz满转速运行、仿真平台进口段同轴风机及送排管道风机全部关停时， 测点的断面风速为5.262m/s，此风速与该段26台射流风机升压力、自然风压和交通活塞风 压叠加作用引起的隧道洞内风速5.28m/s较为接近，因此可以认为仿真平台出口端同轴风 机能较真实的模拟隧道原型的情况。仿真平台进口段同轴风机通过变频控制亦能实现24台 射流风机升压力、自然风压和交通活塞风压的叠加作用。
[0162] (4)动力系统试验
[0163] 从风机出口到隧道仿真平台吊顶送风道6经过两级异径通缩颈加上风管沿程摩阻 作用，隧道仿真平台送风同轴管道风机满转速运行时送风道6出口风速经测试只有19.Sm/ s，后经橡皮泥填充处理外贴光滑单面胶带以降低异径通出局部阻力，送风道6出口风速增 加至23.7m/s，此速度值接近隧道原型送风道6出口速度，选用YWR2E-200型同轴管道风机模 拟隧道送风斜井轴流风机能满足隧道通风仿真平台试验的要求。隧道仿真平台送风同轴管 道风机满转速运行时排风口风速经测试为9.56m/s，后模拟排风用的同轴管道风机经变频 调节后排风口风速降至6.53m/s，故选用YWR2E-160型同轴管道风机配套变频器模拟隧道排 风斜井轴流风机能满足隧道通风仿真平台试验的要求。为精确控制仿真平台试验系统中四 台风机的风量，对两台管道风机(模拟隧道两端射流风机群）、两台同轴管道风机(模拟斜 井送排轴流风机)分别采用相应功率的变频器控制，基本性质试验和后续通风仿真平台试 验表明该变频器能使风机风速在Om/s和最大风速之间变化，且能使风速、风量稳定在任意 点，所以四台变频器均能满足隧道通风仿仿真平台试验要求。
[0164]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对 本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发 明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【主权项】
1. 一种公路隧道通风系统的仿真平台构建方法，其特征在于，该方法的步骤包括 步骤S1、基于流动相似性原理，确定隧道原型P与仿真模型m的几何相似比、运动相似比 和动力相似比； 步骤S2、基于仿真目标，设定隧道原型通风系统的初始条件； 步骤S3、基于步骤S1和步骤S2,建立仿真平台的相似性边界条件； 步骤S4、基于临界雷诺数对仿真平台和隧道原型的进行分析，构建仿真平台。2. 根据权利要求1所述的仿真平台构建方法，其特征在于，所述步骤S1包括 511、 将隧道原型P与仿真模型m对应无量的比例表示为Cq，即比例尺 512、 建立隧道原型P与仿真模型m的几何相似性比例尺，几何相似性比例尺包括长度1 比例尺?中，1 为隧道原型中某一线性长度； 513、 建立隧道原型Ρ与仿真模型m的运动相似性比例尺，运动相似性比例尺包括运动像 素 U比例尺：514、 建立隧道原型P与仿真模型m的对应点的同名力F的比例尺，同时满足隧道原型P与 仿真模型m的对应点的同一物理性质的力的比例尺均相同。3. 根据权利要求2所述的仿真平台构建方法，其特征在于，所述同名力F包括重力Fc、粘 性力Ρμ、压力Fp、弹性力Fe、表面张力Ft，4. 根据权利要求1所述的仿真平台构建方法，其特征在于，所步骤S2中初始条件包括 1) 流体不可压缩； 2) 流体为等溫流动，流体密度和粘性为定值； 3) 流体流动为稳定流，即流体流动过程中，任何一点的压力和流速不随时间而变化，即 压力和流速只是点坐标的函数； 4) 流体为连续介质； 5) 流体流动遵守能量守恒定律。5. 根据权利要求1所述的仿真平台构建方法，其特征在于，在仿真过程中，保证隧道原 型与仿真平台处于同一自模区。6. -种公路隧道通风系统的仿真平台，其特征在于，该仿真平台包括与实际隧道成比 例的可分体拆卸/拼接的竖井送风段、竖井排风段、燃烧段、标准段和射流段； 所述竖井送风段、竖井排风段、燃烧段和标准段均为内部空间下半部分的3.19%的空 间填筑有水泥砂浆的有机玻璃管道； 所述竖井送风段和竖井排风段上分别开设有送风井和排风井，所述进风井和排风井形 成气流通道的送排风体系； 沿所述竖井送风段、竖井排风段和标准段均轴向方向的内壁上每隔1米布置胶带;所述 燃烧段在水泥砂浆未填筑的管道内壁上依次敷贴有柔性石棉板和薄铁皮； 所述燃烧段、竖井送风段和竖井排风段长均为0.5米;所述标准段分别包括0.5m、Im和 2πιΞ种长度的标准段； 所述射流段的长度为2m，其上设置有风机并置于该仿真平台两端。7. 根据权利要求6所述的仿真平台，其特征在于，在按模拟工况搭接好的仿真平台的非 燃烧段处设有24个用于测量仿真平台内部仿真环境参数的断面;所述仿真环境参数包括流 体流速、压力、C0浓度和溫度。8. 根据权利要求7所述的仿真平台，其特征在于， 该平台的总长度为15m，横向断面几何比为1:50,轴向几何比1:100; 所述胶带沿轴向每隔Im环向黏贴在所述有机玻璃管道非水泥砂浆填筑的内壁一周，所 述胶带宽度为3-6cm。9. 根据权利要求7所述的仿真平台，其特征在于，所述24个测量断面包括 5个测速和测压断面，该断面设置有全压计3; 2个CO浓度测量断面，该断面设置有CO气体检测报警仪； 17个溫度测量断面，在17个断面中设置32个溫度测量点，其中，17个测量点设置于火源 上、下游的有机玻璃管道1道的拱顶处，15个测量点固定于火源上、下游的隧道正中位置的 不同高度处。10. 根据权利要求9所述的仿真平台，其特征在于，所述15个测量点利用3个热电偶树固 定于所述17个溫度测量断面中的3个中。
【文档编号】G09B25/04GK105845018SQ201510779370
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年11月13日
【发明人】刘开云, 王宏义, 张国彬, 刘保国, 安东朝, 安天明, 郭佳奇, 张欣
【申请人】北京交通大学, 河北省高速公路张涿张家口管理处