一种内外温度可控的隧道火灾烟气层化特性实验系统及方法
本发明涉及隧道火灾试验研究领域，具体涉及一种内外温度可控的隧道火灾烟气层化特性实验系统及方法。
背景技术：
1、近年来，隧道火灾事故频发。受到隧道狭长半封闭结构的影响，一旦发生火灾，高温、剧毒烟气难以及时排出，极易造成隧道结构破坏和人员伤亡，并导致重大经济损失，引发恶劣的社会舆论反响。统计数据表明，85％以上的人员伤亡与隧道火灾产生的高温剧毒烟气有关。因此合理的防排烟措施是降低隧道火灾危害的关键。
2、自然排烟作为隧道火灾时的一种重要排烟形式，因其具有维护成本低、可靠性高、节能环保等优势，得到了业界的广泛关注。因此，大量学者通过开展比尺模型实验、数值模拟、全尺寸试验等方式，对自然排烟隧道火灾烟气热、动力学特征展开了研究，包括烟气层厚度、烟气沉降距离等。
3、一方面，现有隧道火灾实验装置往往默认隧道内部温度和外部环境温度保持一致，这与实际情况并不相符。对于夏季高温天气，隧道外部温度可达到40摄氏度以上，而隧道内部温度往往在10摄氏度以下，隧道内温度远低于外部环境温度；对于冬季低温天气，隧道外部温度低于0摄氏度，隧道内温度往往远高于外部环境温度。但火灾烟气运动特征(如层化特性)受热浮力驱动主导，隧道内外温差会对此产生显著影响，而且目前缺乏相应的试验装置和平台，可以实现控制内外温差并分析烟气层化特性。
4、另一方面，现有的隧道模型为了观察火焰形态、烟气运动特征等指标，通常将模型在模型一侧设置透明防火玻璃，这会导致壁面换热性能发生突变，对烟气运动过程和层化特性产生影响。
5、现有的隧道火灾试验往往忽略了内外环境温度存在的差异，因此实验装置也未针对内外环境温度控制做相应的设计。同时，现有实验装置也缺乏对于壁面换热性能不一致的考虑，未解决火场特征观察与边界换热突变(因设置透明侧壁所致)之间的矛盾。
6、此外，通过专利调研可以发现，目前缺乏可靠的控制隧道内外温差的实验装置，该技术方法存在空缺。
7、综上所述，现有方法存在的不足包括：
8、现有的隧道火灾实验装置缺乏对于内外温差的考虑，无法根据实际情况调控隧道模型内外温度；同时，现有隧道模型侧壁未采用导热性能一致的材料，以减少壁面换热条件变化对烟气运动特性的影响。因此为加深对隧道火灾烟气热、动力学行为的理解，需要创新隧道内外温度控制和烟气运动观察方法，并发明相应的试验装置平台。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种内外温度可控的隧道火灾烟气层化特性实验系统及方法，分析火源功率、内外温差、隧道长度对隧道火灾烟气运动特征(层化特性)的影响，并测量烟气层厚度、烟气沉降的临界长度，为实际自然排烟隧道设计提供指导。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
3、本发明首先提供了一种内外温度可控的隧道火灾烟气层化特性实验系统，包括密闭室、隧道模型主体、火源模拟装置、温度控制装置、测温装置、录像装置以及流场可视化装置；
4、所述密闭室用于提供一个模拟的隧道外部环境，密闭室上设置有用于调节密闭室温度的空调模块；所述隧道模型主体设置在所述密闭室中，隧道模型主体包括火源段和温度控制段，所述火源段用于模拟隧道火灾燃烧区域，所述温度控制段用于模拟烟气的一维蔓延区域，温度控制段上均匀间隔开设有多个观察孔；
5、所述火源模拟装置用于模拟火源，火源模拟装置设置在火源段内；火源模拟装置包括油盆、火源支架、质量记录装置、燃料以及点火装置；所述油盆用于盛放燃料，油盆设置在火源支架上，火源支架穿过火源段底部并架设在位于火源段外侧的质量记录装置上；质量记录装置用于实时记录火盆中燃料的燃烧量；点火装置用于引燃油盆中的燃料；
6、所述温度控制装置设置在温度控制段外部，用于调节温度控制段的温度；录像装置的数量与温度控制段上观察孔的数量相等，每个录像装置与一个观察孔对应并通过观察孔监测隧道模型主体内烟气运动及分层情况；所述流场可视化装置用于提供观察隧道模型主体内部情况所需的光源，所述光源从温度控制段与外界连通的一端射入。
7、作为本发明的优选方案，所述温度控制装置包括半导体制冷片、散热鳍片、风扇、温控单元、贴片热电偶；半导体制冷片的一侧与温度控制段的外壁面紧贴，半导体制冷片的另一侧与散热鳍片紧贴，半导体制冷片与温度控制段以及散热鳍片之间均涂抹有导热硅脂；所述贴片热电偶设置在温度控制段底部内侧，用于检测温度控制段底部的温度；半导体制冷片、散热鳍片、风扇以及贴片热电偶均通过导线与温控单元连接；所述温控单元设置在隧道模型主体外侧，用于将贴片热电偶测得的温度与设定温度进行比较，根据比较结果控制半导体制冷片开关来调节温度控制段内部的温度。
8、作为本发明的优选方案，所述测温装置包括热电偶树和温度采集仪；所述热电偶树由多个热电偶在竖向捆绑制成，测点竖向间距可更具实际需求调整；多个热电偶树沿隧道模型主体的长度方向间隔设置在隧道模型主体内部中轴线上；热电偶树用于测量隧道模型主体内的温度分布，并将相应的信号传输给温度采集仪，从而分析隧道纵向烟气层化情况。
9、本发明还提供了一种应用上所述隧道火灾烟气层化特性实验系统进行实验的方法，包括以下步骤：
10、1)确定待测火灾场景的火源功率、隧道长度以及隧道内外温度；
11、2)根据待测火灾场景选定油盆大小和燃料类型，通过火源装置操作孔移动油盆，使其紧贴左侧封闭面并置于火源支架上方，开启质量记录装置记录油盆质量变化；
12、3)开启测温装置实时反馈隧道模型主体内温度分布情况，并通过温度控制装置调节温度控制段的温度；
13、4)通过密闭室的空调系统调节隧道模型主体外温度，使隧道模型主体内外温差达到目标温差；
14、5)待隧道模型主体内外温差达到稳定后，开启流场可视化装置和录像装置，确认隧道模型主体内影像能够在录像装置上实时展示；
15、6)向火源模拟装置发送点火指令，油盆燃烧并产生烟和热；隧道火灾烟气层化特性实验系统的各装置实时记录实验数据，待火焰熄灭后，关闭各实验装置并停止实验数据记录，待隧道火灾烟气层化特性实验系统散热回到初始状态后进行下一组实验。
16、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
17、针对现有的隧道火灾试验装置，本发明克服了其未考虑隧道内外温差的技术缺陷，基于硬件平台和半导体制冷(制热)方法构建闭环控制逻辑，可以实现隧道内外温度的自动控制。首先设定内外温度目标值，通过硬件平台控制半导体制冷启闭的方式，实现隧道模型内外温度的控制。此外，通过调整半导体制冷片的正负接线情况，可以模拟夏季和冬季的隧道内外温度差异情况。
18、针对封闭的隧道火灾实验装置无法观测烟气运动行为的问题，基于短焦广角摄像头、无线视频传输并结合python脚本，可以实现隧道内烟气运动(烟气分层情况)视频的实时传输，且保证隧道侧壁换热条件的稳定。
技术特征：
1.一种内外温度可控的隧道火灾烟气层化特性实验系统，其特征在于，包括密闭室、隧道模型主体、火源模拟装置、温度控制装置、测温装置、录像装置以及流场可视化装置；
2.根据权利要求1所述的隧道火灾烟气层化特性实验系统，其特征在于，所述火源段的一端封闭，火源段另一端与温度控制段的一端连通；火源段顶部的内侧面和封闭一端的内侧面均设置有防火板；火源段还开设有能够封闭的火源装置操作孔；所述温度控制段的另一端与外界连通；温度控制段包括多段连通的温度控制单元；温度控制段的每个温度控制单元均设置有一个温度控制装置。
3.根据权利要求1所述的隧道火灾烟气层化特性实验系统，其特征在于，所述密闭室上还设置有观察窗和温度计；所述观察窗用于观察模型实验情况；所述温度计用于测量密闭室内温度。
4.根据权利要求1所述的隧道火灾烟气层化特性实验系统，其特征在于，所述温度控制装置包括半导体制冷片、散热鳍片、风扇、温控单元、贴片热电偶；半导体制冷片的一侧与温度控制段的外壁面紧贴，半导体制冷片的另一侧与散热鳍片紧贴，半导体制冷片与温度控制段以及散热鳍片之间均涂抹有导热硅脂；所述贴片热电偶设置在温度控制段底部内侧，用于检测温度控制段底部的温度；半导体制冷片、散热鳍片、风扇以及贴片热电偶均通过导线与温控单元连接；所述温控单元设置在隧道模型主体外侧，用于将贴片热电偶测得的温度与设定温度进行比较，根据比较结果控制半导体制冷片开关来调节温度控制段内部的温度。
5.根据权利要求1所述的隧道火灾烟气层化特性实验系统，其特征在于，所述测温装置包括热电偶树和温度采集仪；所述热电偶树由多个热电偶在竖向捆绑制成，测点竖向间距可更具实际需求调整；多个热电偶树沿隧道模型主体的长度方向间隔设置在隧道模型主体内部中轴线上；热电偶树用于测量隧道模型主体内的温度分布，并将相应的信号传输给温度采集仪，从而分析隧道纵向烟气层化情况。
6.根据权利要求1所述的隧道火灾烟气层化特性实验系统，其特征在于，所述流场可视化装置包括光源和光源支架；所述光源设置在光源支架上，光源支架与隧道主体的中心等高。
7.一种应用权利要求1所述隧道火灾烟气层化特性实验系统进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种内外温度可控的隧道火灾烟气层化特性实验系统及方法。所述隧道火灾烟气层化特性实验系统包括密闭室、隧道模型主体、火源模拟装置、温度控制装置、测温装置、录像装置以及流场可视化装置；通过温度控制单元控制隧道模型主体内温度和隧道模型主体内外温差；还通过流场可视化装置显示隧道内的烟气层化情况；通过录像装置实时合成和传输隧道内烟气运动行为；通过测温装置记录隧道中轴线平面内的温度变化。
技术研发人员：吴珂,李江栋,朱凯,陈玉远,刘健,万鹏,张天航
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23