一种可切换全横向和半横向排烟隧道运动体火灾实验系统的制作方法

本实用新型涉及长大地铁隧道多运动体火灾缩尺寸实验系统，特别涉及一种可切换全横向和半横向排烟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。

长度大于4km的地铁或铁路隧道通常采用由横向排烟模式或半横向排烟模式。如图10 所示，(a)为全横向排烟模式，(b)和(c)为半横向排烟模式。有别于纵向排烟模式(d)，横向或半横向排烟模式设置有单独的风道。然而横向排烟或半横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。因此有必要研究横向或半横向排烟模式下，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，这种实验系统只能模拟纵向排烟模式，不能用来研究全横向或半横向排烟模式下的火灾特性及烟气流动特性，更不能在全横向排烟和半横向排烟模式下自由切换。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，本实用新型提供一种可切换全横向和半横向排烟隧道运动体火灾实验系统，克服现有技术中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，并且不能用来研究全横向或半横向排烟模式下的火灾特性及烟气流动特性的问题。

本实用新型采用的技术方案是：一种可切换全横向和半横向排烟隧道运动体火灾实验系统，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，列车模型底部设有列车运动定位轮，所述列车运动定位轮位于轨道内。隧道主体标准段设有排烟风机、排烟风阀排烟静压箱，相邻模型隧道标准段上的排烟静压箱之间通过柔性连接风管连接，隧道主体标准段下方设有送风风机、送风风阀以及送风静压箱，相邻送风静压箱之间通过柔性送风连接风管连接。

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车头前的链条拉紧器和车尾链条拉紧器连接。

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。

列车运动定位轮焊接在模型列车的车底，列车运动定位轮位于轨道内，轨道呈“C”字型，限定了列车运动定位轮只能在轨道槽内，轨道采用模块化设计，轨道之间采用分段拼接的方式的连接，轨道前段和后端设置成“子母扣”的形式，逐段插接，轨道主体与隧道主体之间通过螺孔固定。

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。

本实用新型的有益效果是：本实用新型专利提出一种适用于研究采用全横向排烟或半横向排烟系统的长大地铁或铁路隧道非稳态运动体活塞风规律、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的缩尺寸实验系统,将全横向排烟和半横向排烟系统集成在一个实验系统中，并能在两种排烟模式下自由切换。同时该实验系统具有可拼接性，可根据需要，增加或减少模型隧道和模型列车的长度。且本实验系统通过开启(关闭)相应的风机，可以由全横向排烟模式切到半横向排烟模式。本实验系统适用于研究全横向排烟模式或半横向排烟模式下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。本实用新型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，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列车模型及轨道图；图3(a)列车模型拼装示意图，图3(b)是定位轮与轨道相对位置关系图；图3(c)是轨道俯视图；

图4链条拉紧器与链条连接示意图；

图5模型隧道断面及模型列车断面图；图5(a)隧道主体断面图，图5(b)是列车模型断面图；

图6燃烧盘侧视图及俯视图；图6(a)是燃烧盘侧视图，图6(b)是燃烧盘俯视图；

图7列车运动主动系统侧视图；图7(a)是列车运动主动系统沿隧道方向的侧视图，图 7(b)是列车运动主动系统垂直于隧道方向的侧视图；

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

图9高速摄像机布置位置图；

图10几种不同模式排烟隧道；

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.列车运动定位轮；12.链条托辊；13.燃烧器；14.速度控制电机； 15.排烟风机；16.行程开关；17.隧道主体支架；18.轨道；19.排烟风机风阀、20.送风系统 21.送风静压箱、22.排烟静压箱、23.高清数码摄像机、24.模型隧道标准段。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

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、列车运动定位轮11、链条托辊12、燃烧器13、速度控制电机14、排烟风机15、行程开关16、隧道主体支架17，排烟风机风阀19、送风系统20送风静压箱21、排烟静压箱22。

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排烟风机 15、排烟风阀19排烟静压箱22。相邻模型隧道标准段24上的排烟静压箱之间通过柔性连接风管22-1连接。模型隧道标准段24下方设有送风风机20-1、送风风阀20-2以及送风静压箱 21。相邻送风静压箱之间通过柔性送风连接风管21-1连接。在全横向排烟模式下，需要同时开启排烟风机15和送风风机20-1。只开启排烟风机15或只开启送风风机20-1时，则转为半横向排烟模式。

如图3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的端头利用钢圈与车头前的链条拉紧器10-1和车尾链条拉紧器10-2连接，通过旋转拉紧器，逐渐使链条呈紧绷状态，如图4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。定位轮11焊接在列车模型9的车底，在隧道断面中部设置有定位轮轨道18。列车模型运动时，定位轮11位于轨道18内，轨道18起到限定列车运动的作用，保证列车只能直线运动。轨道18呈“C”字型，限定了定位轮11 只能在轨道槽内，从而保证高速运动状态下列车不会倾倒。轨道18也采用模块化设计，轨道之间采用分段拼接的方式的连接，轨道前段和后端设置成“子母扣”的形式，逐段插接。轨道主体18-1与隧道主体1之间通过螺孔18-2固定。

图5分别展示了隧道模型断面图和列车模型断面图，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。链条托辊由托辊支架12-1和托辊12-2组成。设置托辊的目的在于防止由于隧道过长而引起的链条8下垂现象，防止链条8与地面摩擦产生磨损。

图6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7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牵引列车模型9按照指定运动规律进行运动。得益于列车模型9的前后都与链条8连接，形成一个闭环连接。所以链条8既可以控制列车模型9加速运动，又可以控制列车模型 9减速制动。

图8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9展示了实验图像采集系统23与隧道主体1的相对位置关系，从图9件之间都是利用法兰连接。摄像系统23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23-1、23-2、23-3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23-1、23-2、 23-3，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。通过链条牵引控制列车的加速、匀速及制动。模型列车设置有定位轮11，定位轮11置于轨道18内，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。

本实用新型的工作过程如下：

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)在全横向排烟模式下，启动排烟风机15和送风风机20，并根据速度测试系统5的测试数据，调整排烟风机15和送风风机20的转速，使隧道内的机械通风风速达到实验设定的风速；在半横向排烟模式下，只开启排烟风机15或只开启送风风机20，并根据速度测试系统5的测试数据，调整排烟风机15或送风风机20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，调整排烟风机15和送风风机20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实用新型进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。