一种隧道内的可移动式侧向排烟装置的制作方法

本发明属于隧道通风排烟相关技术领域，具体是一种隧道内的可移动式侧向排烟装置。

背景技术：

1、随着国民交通需求的日益增长，公路、铁路等隧道建设也在逐渐增多，隧道火灾问题也受到越来越多的问题。公路隧道火灾造成的危害非常大，尤其对于长隧道和特长隧道，火灾发生后，隧道内的烟雾发生量大，能见度低，散热慢，温度较高。特别对于车流量大的公路隧道发生火灾时，由于隧道内能见度低，使得疏散较为困难，因此隧道火灾的防烟和排烟是通风设计的重要组成部分。

2、隧道纵向通风模式下，火灾烟气将充满整个隧道的火源下游，对下游人员的安全疏散和设施设备造成较大影响.隧道侧向集中排烟模式是通过隧道两端轴流风机在排烟道内形成的负压作用，就近将烟气经由火源附近排烟口吸入排烟道后排出.显然，侧向集中排烟模式既可将烟气控制在较小范围内，又可实现烟气层与维持人员呼吸的清洁空气层进行有效分离，与纵向通风模式相比具有更多优点。然而，现阶段对侧向集中排烟的相关研究相对较少，从已有的实例来看，在其建设以及实际使用过程中，还有许多方面及细节可以修正改善。

3、通过调研已有的研究成果，发现前人在对隧道火灾的研究中，关于隧道中有侧向集中排烟影响的情况下隧道内烟气的温度分布影响的研究涉及较少。在沉管隧道中，侧向排烟方向和安全门逃生方向在同一个平面内，容易形成烟气和人流的冲突区，影响隧道内人员应急安全逃生。

4、由于全尺寸火灾实验需要调动大量的人力物力、经济耗费大、条件难以控制、影响隧道运营，全尺寸隧道实验不易开展。开展满足相似性理论的小尺寸实验研究，揭示隧道火灾侧向排烟的烟气流动规律，是一种较好的选择。同时，小尺寸实验具有易操控性、良好的可再现性以及测量结果的可信度高等优点。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足之处，提供一种隧道内的可移动式侧向排烟装置，以期能有效解决烟气和人流同向形成的冲突区内的烟气下沉问题，并快速高效的将火灾烟雾从隧道内排出，从而能减少火灾对人身安全以及隧道交通的影响，提高救援效率，并且可供实验测试模拟所用，开展满足相似性理论的模型实验研究，揭示隧道火灾侧向排烟的烟气流动规律。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种隧道内的可移动式侧向排烟装置，所述隧道包括隧道行车道和隧道侧壁以及隧道顶棚；其特点是，所述可移动式侧向排烟装置包括：排烟口，可移动挡板、滑轮、滑轨、漏斗状排烟道、总排烟道以及分布在隧道两端通风口轴流风机；

在所述隧道侧壁的上方等间隔设置有所述漏斗状排烟道；所述漏斗状排烟道的进烟口底部及相邻两个漏斗状排烟道之间的间隔处均设置有滑轨，在所述滑轨上通过滑轮并列设置有可移动挡板；所述可移动挡板上设置有驱动电机，并在滑轮和滑轨的配合下，并列设置的可移动挡板在所述进烟口处形成遮挡结构，并在未遮挡的进烟口处形成排烟口；所述漏斗状排烟道的出烟口处与总排烟道相连通；在所述总排烟道两端的通风口处设置有轴流风机；

在驱动电机的控制下，所述可移动挡板利用滑轮从烟雾蔓延处移开并在烟雾蔓延处形成排烟口，使得隧道行车道内的烟雾在所述轴流风机的作用下，经过排烟口进入所述漏斗状排烟道再从出烟口流入总排烟道内并通向隧道外部，从而形成可移动式侧向排烟结构。

本发明所述的可移动式侧向排烟装置的特点也在于，是应用于测试模拟系统中，所述测试模拟系统还包含电源供电装置、纵向风装置、火源模拟装置、烟气温度测量装置和视频记录装置；

所述电源供电装置为所述轴流风机、可移动挡板以及变频轴流风机提供电力；

所述纵向风装置由变频轴流风机和整流管段组成，并设置于隧道一端，与隧道口连接，用于提供纵向风；在变频轴流风机的下游设置整流管段，用于对纵向风进行整流；

所述火源模拟装置包括气体燃烧器、燃气管道、气体流量计、燃料储气瓶；燃料储气瓶的出气口连接有气体流量计，并通过软管与隧道内的燃烧器相连；火源模拟装置设置于隧道模型中若干个位置，以实现单火源、双火源以及多火源的实验条件；

所述烟气温度测量装置包含布置于模拟隧道内部的热电偶串、数据传输线和采集器；所述热电偶串均匀布置在烟气蔓延范围内的隧道侧壁以及隧道顶棚上，并通过数据传输线将所采集到温度信号传递给所述采集器，用于存储温度数据；

所述视频记录装置包括：激光片光源以及dv摄像机；所述激光片光源用于向隧道内发射片状激光，以显示通风排烟过程中烟气分层以及运动蔓延特性；所述dv摄像机用于记录火灾模拟实验中火焰形态以及通风排烟过程中烟气分层以及运动蔓延特性。

在侧向排烟影响下，利用式(1)建立温升模型：

式(1)中：δt表示温升，t0表示环境的空气温度，q0表示无量纲火源功率，ρ表示顶棚烟气密度，v表示侧向排烟的风速，s表示侧向排烟口的面积，δt烟气表示侧向排烟口中心的烟气的最高温升，ρ0表示环境的空气密度，cp表示空气比热容，t0表示环境的空气温度，g表示重力加速度，h表示火源离顶棚的高度，d表示火源等效直径。

纵向与侧向排烟协调作用下的隧道火灾烟气流场形态分为三种类型：

当弗劳德数fr<0.48或理查森数ri>9.7时，所述隧道火灾烟气流场形态为稳定型；

当0.48<弗劳德数fr<0.58或6.6<理查森数ri<9.7时，所述隧道火灾烟气流场形态为临界型；

当弗劳德数fr>0.58或理查森数ri<6.6时，所述隧道火灾烟气流场形态为混乱型。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明可移动式侧向排烟装置，提供了可移动式的排烟口，优化了各排烟通道的连接方式。可在隧道内的任意位置形成侧向集中排烟口，灵活可控，可应对多种排烟需求。漏斗状排烟道可使得各排烟口连成整体，形成覆盖整个烟雾蔓延的排烟口，能够快速高效的将隧道内烟雾排除，减小了烟雾的蔓延区域，并且可完成多种类型的在侧向排烟条件下的隧道火灾实验，具有易操控性、良好的可再现性以及测量结果的可信度高等优点。

2、在火灾通风模拟实验方面，本发明测试模拟系统可以真实模拟火灾烟气在隧道内侧向排烟装置作用下流动规律。同时在此种隧道侧向排烟模式下，利用通风系统有效保证了火灾烟气控制。本发明利用合理的排烟技术措施，有效的服务于隧道侧向排烟控制需要。

3、在隧道上方最高温升方面，本发明采用设置了隧道内的可移动式侧向排烟装置测试模拟系统，可以连续调节火源大小，排烟量大小，风速大小等，增加了对隧道内火灾烟气流动的控制和掌握火灾情况下隧道结构的耐火性能，能分别模拟不同情况下的隧道最高温升。可为隧道结构安全提供测试方案；

4、在隧道内人员应急逃生方面，本发明采用可移动式侧向排烟装置可以精准控制移动排烟口的相对位置，有效解决烟气和人流同向形成的冲突区内的烟气下沉问题。同时拥有研究不同隧道内侧向排烟系统作用下烟气分层特征，用于提出隧道内侧向排烟系统作用下烟气层失稳的临界判据，以及有效地解决烟气吸穿问题。

附图说明

图1为可移动式侧向排烟装置的全貌图；

图2可移动式侧向排烟装置的全貌图局部放大图；

图3为可移动式侧向排烟装置的俯视图；

图4为俯视图的局部放大图；

图5为可移动式侧向排烟装置的正视图；

图6为正视图的局部放大图；

图7为滑轨、滑轮部分细节图；

图8为无纵向风时火灾排烟示意图；

图9为有纵向风时火灾排烟示意图；

图10为火源模拟装置示意图；

图11为侧向排烟作用下隧道火灾最大温度实验布置图；

图12为侧向排烟作用下隧道火灾最大温度实验流程图；

图13a为q＝6.72kw，n＝1，不同侧向风速下横向温度分布图；

图13b为q＝11.76kw，n＝1，不同侧向风速下横向温度分布图；

图13c为q＝16.8kw，n＝1，不同侧向风速下横向温度分布图；

图14a为q＝6.72kw，不同开口比例、不同侧向风速下最大温差图；

图14b为q＝11.76kw，不同开口比例、不同侧向风速下最大温差图；

图14c为q＝18.6kw，不同开口比例、不同侧向风速下最大温差图；

图15为侧向排烟与纵向风作用下隧道火灾烟气分层实验布置图；

图16为侧向排烟与纵向风作用下隧道火灾烟气分层实验流程图；

图17a为稳定型流场形态图；

图17b为临界型流场形态图；

图17c为混乱型流场形态图；

图中标号：1.隧道行车道2.隧道侧壁3.隧道顶棚4.排烟口5.可移动挡板6.滑轮7.漏斗状排烟道8.总排烟道9.轴流风机10.滑轨11.火灾地点12.烟雾13.气流方向14.燃料储气瓶15.气体流量计16.燃气管道17.气体燃烧器18.火源点19.烟气20.热电偶串21.变频轴流风机22.整流管段23.纵向风24.dv摄像机。

具体实施方式：

本实施例中，如图1、图2所示，一种隧道内的可移动式侧向排烟装置是应用于测试模拟系统中，该隧道包括隧道行车道1和隧道侧壁2以及隧道顶棚3；而可移动式侧向排烟装置包括：排烟口4，可移动挡板5，滑轮6，滑轨10，漏斗状排烟道7、总排烟道8以及分布在隧道两端通风口轴流风机9；

隧道主体中，隧道侧壁2的一侧装有钢化玻璃，实验时可直接观察火源燃烧情况以及烟气蔓延范围。钢化玻璃框可以以扇形方式打开，便于实验器材安置。隧道顶棚3有两种形式，平顶以及拱顶。进行实验时可以切换，装上顶隔板即为平顶隧道，撤下顶隔板形成拱顶隧道。可满足各种实验对于隧道拱顶的需求。

如图3、图4所示，排烟结构在隧道侧壁2的上方等间隔设置有漏斗状排烟道7；漏斗状排烟道7的进烟口底部及相邻两个漏斗状排烟道7之间的间隔处均设置有滑轨10，滑轨10位于排烟口底部外沿，镶嵌于墙体表面，是双轨道形式，贯穿于整个隧道排烟结构外层。在滑轨10上通过滑轮6并列设置有可移动挡板5；如图7所示，可移动挡板5是双层结构，以耐高温，耐氧化材料制成，下面是供隔板左右移动的滑轮6，与滑轨10紧密结合。可移动挡板5上设置有驱动电机，并在滑轮6和滑轨10的配合下，并列设置的可移动挡板5在进烟口处形成遮挡结构，并在未遮挡的进烟口处形成排烟口4；相邻两个漏斗状排烟道之间的非排烟口区域，也铺设了滑轨，有滑轨宽度的内凹，能让可移动挡板停留或通过。漏斗状排烟道7的出烟口处与总排烟道8相连通，总排烟道8位于排烟结构最内层，也即隧道总通风道；在总排烟道8两端的通风口处设置有轴流风机9；

具体实施中，隧道内布置有烟雾预警系统，该系统以分布式感温光纤以及烟雾传感器为核心。当隧道火灾发生时，烟雾预警系统可快速准确的定位火灾地点，随后监测烟雾的浓度并预测烟雾的蔓延的方向以及速度，将信号传输至由plc控制的驱动电机。然后驱动电机控制可移动挡板开启相应位置以及合适数量的排烟口，此过程可以自动或者人工控制。提供驱动力的驱动电机设置于可移动挡板5上沿，在驱动电机的控制下，可移动挡板4利用滑轮6从烟雾蔓延处移开并在烟雾蔓延处形成排烟口4，使得隧道行车道1内的烟雾在轴流风机8的作用下，经过排烟口4进入漏斗状排烟道7再从出烟口流入总排烟道8内并通向隧道外部，从而形成可移动式侧向排烟结构。

本实施例中，如图5、图6所示，该可移动式侧向排烟装置在作为正常通风结构时，排烟口4按规律沿隧道打开，满足通风需求。当发生火灾时，优先将烟雾12扩散区域排烟口4打开，其他安全区域排烟口暂时关闭，使得火灾烟雾蔓延区域优先通风排烟。

如图8所示，当隧道内没有纵向风时，火灾烟雾会主要集中在火灾处顶棚附近，此时打开火灾地点11处烟雾12蔓延范围的排烟口4，会较大提高排烟效率；如图9所示，当隧道内有较大纵向风时，则火灾烟雾12会蔓延至下游，此时打开火灾地点处下游排烟口4，会有比较好的排烟效果。并且当隧道内出现交通堵塞的情况时，则可将交通流瓶颈处的排烟口打开，选择最适宜的排烟口位置及数量，提供通风排烟的便利，解决烟气和人流同向形成的冲突区内的烟气下沉问题。

本实施例中，测试模拟系统还包含电源供电装置、纵向风装置、火源模拟装置、烟气温度测量装置和视频记录装置；

电源供电装置提供整个实验模拟系统的电力，包括排烟结构的轴流风机9、可移动挡板5，以及实验模拟时提供纵向风23的变频轴流风机21的电力供应。

如图15所示，纵向风装置由变频轴流风机21和整流管段22组成，并设置于隧道一端，与隧道口连接，用于实验时提供纵向风23。为了使纵向风的风速和风向保持稳定，在变频轴流风机21的下游设置整流管段22，用于对纵向风进行整流；通过整流系统的整流作用，纵向风才可满足实验要求。纵向风速通过风速仪标定。

如图10所示，火源模拟装置包括气体燃烧器17、燃气管道16、气体流量计15、燃料储气瓶14、丙烷气体。实验台所用的燃烧器为铁制，燃烧器里装有大小两种砂石。罐装丙烷气体出口连接气体流量计，气体由流量计通过软管相连到隧道内的燃烧器，通过流量计可稳定、匀速地为隧道内的燃烧器提供燃料。通过调节流量计示数，可以控制隧道内的火源燃烧的热释放速率。火源模拟装置设置于隧道模型中多个位置，可实现单火源、双火源以及多火源的实验条件。

如图11所示，烟气温度测量装置包含布置于模拟隧道内部的热电偶串20、数据传输线和采集器；热电偶串20均匀布置在烟气蔓延范围内的隧道侧壁2以及隧道顶棚3上，并通过数据传输线将所采集到温度信号传递给采集器，用于存储温度数据；

如图15所示，视频记录装置，主要包括激光片光源以及dv摄像机24。激光片光源用于向隧道内发射片状激光，清楚显示通风排烟过程中烟气分层以及运动蔓延特性。dv摄像机24用于记录火灾模拟实验中火焰形态以及通风排烟过程中烟气分层以及运动蔓延特性。

本实施例中，在侧向排烟影响下，通过实验数据的分析和拟合，耦合获得烟气最大温度通用公式，利用式(1)建立隧道顶棚温升模型：

式(1)中：δt表示温升，t0表示环境的空气温度，q0表示无量纲火源功率，ρ表示顶棚烟气密度，v表示侧向排烟的风速，s表示侧向排烟口的面积，δt烟气表示侧向排烟口中心的烟气的最高温升，ρ0表示环境的空气密度，cp表示空气比热容，t0表示环境的空气温度，g表示重力加速度，h表示火源离顶棚的高度，d表示火源等效直径。

如图11所示，侧向排烟作用下隧道火灾最大温度实验，设置三种不同火源功率，且用质量流量计控制火源功率，四种不同侧向通风开口比例n＝1、n＝2、n＝3、n＝4与六种不同的侧向风速进行试验。实验中通过布置在顶棚和竖向的热电偶收集烟气温度数据，研究不同火源功率、不同风速情况下、不同开口比例下，侧向排烟系统对于隧道火灾烟气最大温度的影响。

本实施例中，对实验后的横向温度数据进行提取与展示。图13a-图13c展示了不同的火源功率q＝6.72kw、11.76kw、16.8kw而且相同的开口比例n＝1时，不同侧向风速对横向温度分布的影响。图中，横坐标0点为火源中心点，火源中心在该点，负数表示远离火源中心并向侧向排烟口方向的距离，正数表示远离火源中心，并且远离侧向排烟口4方向的距离。

如图13a-图13c所示，为相同开口比例，不同火源功率下的横向温度分布图；可以看出，当侧向风速为0m/s时，即无侧向风的状态下，横向温度最大点在火源中心处竖直上方，同时温度往两侧减少，减少幅度从大到小，容易看出离火源中心左右大约0.3m左右时，两边温度开始趋于水平，即温度减少缓慢。当加入侧向风后，横向温度总体有一个较大的减少，说明侧向风对减少顶棚的横向温度有一定的作用，而且能明显降低顶棚的最大温度。

随着侧向风强度增大，隧道顶棚3的横向温度会有一个整体趋势的下降，同时最大温度也会相应有所减少。而且随着侧向风强度增大，最大温度的点会向侧向排烟口偏移，这是因为强度大的侧向风明显地吸收了烟气，而且对火焰的形态具有一定影响，以导致温度的偏移。

如图14a-图14c所示，为不同火源功率下不同开口比例、不同侧向风速下的最大温差图；可以看出，随着火源功率的变大，最大温差整体上也会加大，这是由于火源功率大，温度大，烟气温度也大，顶棚最大温度变大，随之即是最大温差的变大。观察可以发现，侧向开口比例为n＝1，n＝2在侧向风速较小时v＝1m/s、v＝2m/s，最大温差较小，且下降幅度比较大，而后随着侧向风速不断变大，最大温差下降幅度开始变缓，并在后面下降较小；开口比例为n＝4时，整体来看最大温差相比其他开口数量仍是较大，这可能是由于在该开口数量下，由于长宽比较大，容易产生吸穿现象，由此导致侧向排烟口吸入了一定的空气，进而使吸入烟气的比例降低，所以最大温差较大，排烟效果较差；最后，开口数量在n＝3时，随着侧向风强度不断加大，最大温差也在逐渐减少，即使时是到达了较大强度的侧向风，该侧向开口排烟能力仍有余力。

实验步骤如下，图12所示为该实验流程图。

步骤一：在模拟隧道内放置风速仪，位于火源模拟点上游2m处，用于标定隧道内的实时风速；

步骤二：布置热电偶，通过布置在顶棚和竖向的热电偶收集烟气温度数据，连接热电偶至数据采集器；

步骤三：布置火源模拟系统，通过控制气体流量计，控制火源功率；

步骤四：设定侧向风速v＝0m/s；

步骤五：设定火源功率q＝6.72kw；

步骤六：设定侧向开口比例n＝1；

步骤七：进行实验，并记录下数据采集器采集的温度数据；

步骤八：返回步骤六，调节侧向开口比例n＝2、3、4，重复步骤七；

步骤九：返回步骤五，调节火源功率q＝11.76kw、16.8kw，重复步骤六、七、八；

步骤十：返回步骤四，调节侧向风速v＝1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s，重复步骤六、七、八、九；

步骤十一：记录所有实验数据，整理并分析，进行拟合。

具体实施中，纵向与侧向排烟协调作用下的隧道火灾烟气流场形态可分为三类：

如图17a，当弗劳德数fr<0.48或理查森数ri>9.7时，浮力对烟气层稳定性的影响抑制了惯性力，使上层和下层空气呈现出清晰的分层，隧道火灾烟气流场形态为稳定型；

如图17b，当0.48<弗劳德数fr<0.58或6.6<理查森数ri<9.7时，惯性力的作用逐渐变强，但浮力仍然起着主导性作用。在烟气层和空气层的临界表面出现大量的涡流，界面变得非常模糊，烟气分层逐渐变得不稳定，隧道火灾烟气流场形态为临界型；

如图17c，当弗劳德数fr>0.58或理查森数ri<6.6时，浮力完全被惯性力抑制，烟气与空气剧烈混合，没有明显的分层现象，大量的烟气颗粒被注入下空气层，烟气层完全失去了稳定性，隧道火灾烟气流场形态为混乱型。

侧向排烟与纵向风作用下隧道火灾烟气分层实验，如图15所示，本实验火源以丙烷为燃料，所用气体燃烧器17大小为0.5m×0.25m×0.15m长×宽×高，置于隧道横截面中心位置。火源点18位于排烟口下方。用来采集烟气在竖直方向上的温度分布热电偶串20是由16个热电偶竖直方向布置而成，间隔为0.3m，隧道高度为0.8m。风速仪探针被固定在距离隧道顶0.28m和0.92m的地方，每束热电偶树上都是两个，一个探针位于烟气层内，一个探针位于冷空气内用来测量上层烟气和下层冷空气的瞬时蔓延速度。同时借助隧道内布置的竖向标尺，测量烟气层厚度。在实验中，本文设置了五种纵向风速：0m/s，0.1m/s，0.25m/s，0.4m/s，0.7m/s；6种侧向排烟速率：0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s；3种火源功率：50kw、70kw和100kw，一共75个工况。

实验步骤如下，图16所示为该实验流程图：

步骤一：在模拟隧道内放置风速仪，位于火源模拟点上游2m处，用于标定隧道内的实时风速；

步骤二：布置两束竖直热电偶串，用来采集烟气在竖直方向上的温度分布，连接热电偶至数据采集器；

步骤三：布置火源模拟系统，通过控制气体流量计，控制火源功率；

步骤四：设定纵向风速v＝0m/s；

步骤五：设定火源功率q＝50kw；

步骤六：设定侧向排烟速率v＝0m/s；

步骤七：进行实验，拍摄烟气分层视频，并记录下数据采集器采集的温度数据；

步骤八：返回步骤六，调节侧向排烟速率v＝1m/s、2m/s，3m/s、4m/s、5m/s，重复步骤七；

步骤九：返回步骤五，调节火源功率q＝70kw、100kw，重复步骤六、七、八；

步骤十：返回步骤四，调节纵向风速v＝0.1m/s、0.25m/s、0.4m/s、0.7m/s，重复步骤六、七、八、九；

步骤十一：记录所有实验数据，视频，整理并分析。