一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法，所述试验装置包括：支撑架和隧道模型，隧道模型为两端部敞开的长方体，隧道模型的底板固定在支撑架的上面板上，隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且横梁沿隧道模型的纵向方向均匀布置；火源设置在隧道模型的底板中部；在横梁之间设置多个顶棚热电偶。本发明专利技术提供的隧道火灾试验装置，可用于研究含顶部横梁隧道火灾烟气扩散规律，同时通过试验装置和试验方法，研究得到的含顶部横梁隧道火灾烟气扩散的相关模型和方法，将为优化隧道火灾现场救援策略提供技术支持；可对隧道顶部的横梁、管道，内支撑框架，风门等一系列构筑物的位置和尺寸设计提供技术性指导。

A tunnel fire test device with a cross beam at the top and its test method

The present invention provides a tunnel fire test device with a top beam with a top and a test method. The test device includes a support frame and a tunnel model, the tunnel model is a long cube open at both ends, the floor of the tunnel model is fixed on the upper plate of the support frame, and the roof of the tunnel model has a number of highly adjustable beams on the top of the model. The transverse beam is uniformly arranged along the longitudinal direction of the tunnel model; the fire source is arranged in the middle of the bottom plate of the tunnel model, and a plurality of ceiling thermocouples are arranged between the crossbeams. The tunnel fire test device provided by this invention can be used to study the law of smoke diffusion with top beam tunnel fire. At the same time, the related models and methods of fire smoke diffusion with top beam tunnel are studied by test device and test method, which will provide technical support for optimizing the rescue strategy of tunnel fire. It provides technical guidance for the location and size design of the beams, pipes, internal bracing frames, air doors and other structures at the top of the tunnel.

【技术实现步骤摘要】
一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法
本专利技术涉及火灾试验
，更具体地，涉及一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法。
技术介绍
横梁指的是在上部结构中，沿建筑物横向设置并支承于主要承重构件上的梁。水平支撑梁、横隔梁、框架梁、连系梁都属于横梁的范畴。横梁广泛存在于公路隧道、地铁换乘隧道、建筑物走廊隧道等狭长隧道内。隧道结构为狭长受限空间，外部由岩石、混凝土或土层包围，仅有两端两个出口。在火灾情况下，隧道火灾产生的有毒有害高温烟气在火羽流以及浮力的作用下迅速向隧道顶部扩散，高温烟气与隧道顶部对流换热后使得隧道结构的温度迅速上升，高温将对隧道结构的稳定性和完整性构成严重的威胁。热烟气由于受到空间限制在烟气到达隧道顶部之后迅速沿隧道纵向方向蔓延，并迅速填充整个隧道空间，造成隧道空间内能见度降低，有毒有害气体浓度增高，对于人员疏散和消防救援极为不利。隧道火灾情况下，多采用纵向通风排烟、射流风机通风排烟、顶部排烟三种机械通风模式，通风量及风速对于能否有效的控制火灾烟气扩散、提高火场能见度、降低有毒有害气体浓度具有重要意义。基于上述特点，众多学者针对火源大小、隧道尺寸、隧道坡度、车辆阻塞比、通风模式、通风风速等特性参数，通过模型实验、数值模拟和全尺寸实验对隧道火灾顶棚最高温度、顶棚温度衰减规律、烟气蔓延规律、临界风速、烟气逆流长度等问题进行了大量研究。但是，现有的隧道火灾试验装置及方法，未考虑隧道顶部结构对于火灾烟气扩散特性如最高顶棚温度、顶棚温度衰减规律、烟气层高度、临界风速、逆流长度等的影响；以及，现有的隧道火灾试验装置及方法无法对隧道顶部横梁、管道，内支撑框架，风门等一系列构筑物的位置和尺寸设计提供指导。
技术实现思路
针对上述的技术问题，本专利技术提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置及试验方法。第一方面，本专利技术提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置，包括：支撑架和隧道模型，所述隧道模型为两端部敞开的长方体；所述隧道模型的底板固定在所述支撑架的上面板上，所述隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且所述横梁沿所述隧道模型的横向方向均匀布置；火源设置在所述隧道模型的底板的中部；在所述横梁之间设置多个顶棚热电偶。其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：在所述隧道模型的端部敞口处设有纵向排烟风机；在所述隧道模型的顶板上设置至少一个射流风机；或者，在所述隧道模型的顶板上设置至少一个顶部排烟风机。其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：在所述隧道模型的顶板与底板之间设置多个热电偶束，且所述热电偶束沿所述隧道模型的横向方向均匀布置；所述热电偶束包括多个热电偶，且所述热电偶均匀布置在所述热电偶束所在的截面上。其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的顶板下方的多个烟气分析仪，且所述烟气分析仪位于所述火源的下风向。其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的底板上的多个热流计，且所述热流计位于所述火源的下风向。其中，所述的隧道火灾试验装置，还包括：设置在所述隧道模型的顶板与底板之间的多个风速仪组，且所述风速仪组沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述风速仪组包括多根风速仪，且所述风速仪均匀布置在所述风速仪组所在的截面上。第二方面，本专利技术提供一种顶部含横梁的隧道火灾试验方法，包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型的第一顶棚温度和第二顶棚温度；基于所述第一顶棚温度，建立第一最高拱顶温度模型；以及，基于所述第二顶棚温度，建立第二最高拱顶温度模型；基于所述第一最高拱顶温度模型和所述第二最高拱顶温度模型，优化隧道模型的顶部结构和通风模式。其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：基于所述第一顶棚温度建立第一顶棚温度衰减模型，以及基于所述第二顶棚温度建立第二顶棚温度衰减模型；基于所述第一最高拱顶温度模型、所述第二最高拱顶温度模型、所述第一顶棚温度衰减模型和所述第二顶棚温度衰减模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取烟气分析仪在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型内的第一烟气特性参数和第二烟气特性参数；基于所述第一顶棚温度和所述第一烟气特性参数，建立第一烟气蔓延速率模型；以及，基于所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二烟气蔓延速率模型；基于所述第一烟气蔓延速率模型和所述第二烟气蔓延速率模型，优化隧道模型的通风模式。其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：所述第二通风模式为纵向通风模式时，在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取风速仪在所述纵向通风模式下，对应测得隧道模型内的第二断面风速；基于所述第二断面风速、所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二临界风速模型和第二逆流长度模型；基于所述第二临界风速模型和所述第二逆流长度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。其中，所述的隧道火灾试验方法，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第三顶棚温度和第四顶棚温度；获取热电偶束在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型的第二竖直方向温度、第三竖直方向温度和第四竖直方向温度；获取烟气分析仪在第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第三烟气特性参数和第四烟气特性参数；获取热流计在第二通风模式、第三通风模式和第四通风模式下，对应测得隧道模型内的第二烟气热反馈数据、第三烟气热反馈数据和第四烟气热反馈数据；分析比较所述第二顶棚温度、所述第三顶棚温度和所述第四顶棚温度；分析比较所述第二竖直方向温度、所述第三竖直方向温度和所述第四竖直方向温度；分析比较所述第二烟气特性参数、所述第三烟气特性参数和所述第四烟气特性参数；以及，分析比较所述第二烟气热反馈数据、所述第三烟气热反馈数据和所述第四烟气热反馈数据，优化顶部含横梁隧道发生火灾时的通风模式。其中，所述第一通风模式为自然通风模式时，所述第一最高拱顶温度模型如下，所述第一顶棚温度衰减模型如下，其中，ΔTmax为最高拱顶温升，K；dB为横梁的间隔，m；hB为横梁的高度，m；H为隧道模型的高度，m；Q为热释放速率，KW；ΔTx为距火源x处的拱顶温升，K；x为测量处与火源的距离，m；A，B，A1，A2为待定参数。其中，所述第二临界风速模型如下，V′c＝f(Hb)·a2[b2]-1/3[Q′]1/3，Q′≤c2；V′c＝a2，Q′＞c2所述第二烟气逆流长度模型如下，其中，V′c为无量纲临界风速；Q′为无量纲热释放速率；l′为无量逆流长度；hB为横梁高度；V′为无量纲风速；Ri为改进后的理查德森数；c2为常数；c4为常数；a2，b2，a4，b5为待定参数。本专利技术提供的一种含顶部横梁的隧道火灾试验装置及试验方法，通过建立顶部含横梁的隧道火灾试验装置，在隧道环境中，火灾烟气沿隧道顶部纵向扩散，且由于隧道顶部横梁对于火灾烟气纵向蔓延具有显著的阻隔作用，有效降低火灾烟气纵向蔓延的速度；同时由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置，其特征在于，包括：支撑架和隧道模型，所述隧道模型为两端部敞开的长方体；所述隧道模型的底板固定在所述支撑架的上面板上，所述隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且所述横梁沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；火源设置在所述隧道模型的底板的中部；在所述横梁之间设置多个顶棚热电偶。

【技术特征摘要】
1.一种顶部含横梁的隧道火灾试验装置，其特征在于，包括：支撑架和隧道模型，所述隧道模型为两端部敞开的长方体；所述隧道模型的底板固定在所述支撑架的上面板上，所述隧道模型的顶板上设有多个高度可调的横梁，且所述横梁沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；火源设置在所述隧道模型的底板的中部；在所述横梁之间设置多个顶棚热电偶。2.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：在所述隧道模型的端部敞口处设有纵向排烟风机；在所述隧道模型的顶板上设置至少一个射流风机；或者，在所述隧道模型的顶板上设置至少一个顶部排烟风机。3.根据权利要求1或2所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：在所述隧道模型的顶板与底板之间设置多个热电偶束，且所述热电偶束沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述热电偶束包括多个热电偶，且所述热电偶均匀布置在所述热电偶束所在的截面上。4.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述隧道模型的顶板下方的多个烟气分析仪，且所述烟气分析仪位于所述火源的下风向。5.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述隧道模型的底板上的多个热流计，且所述热流计位于所述火源的下风向。6.根据权利要求1所述的隧道火灾试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述隧道模型的顶板与底板之间的多个风速仪组，且所述风速仪组沿所述隧道模型的纵向方向均匀布置；所述风速仪组包括多根风速仪，且所述风速仪均匀布置在所述风速仪组所在的截面上。7.一种顶部含横梁的隧道火灾试验方法，其特征在于，包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取顶棚热电偶在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型的第一顶棚温度和第二顶棚温度；基于所述第一顶棚温度，建立第一最高拱顶温度模型；以及，基于所述第二顶棚温度，建立第二最高拱顶温度模型；基于所述第一最高拱顶温度模型和所述第二最高拱顶温度模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。8.根据权利要求7所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：基于所述第一顶棚温度建立第一顶棚温度衰减模型，以及基于所述第二顶棚温度建立第二顶棚温度衰减模型；基于所述第一最高拱顶温度模型、所述第二最高拱顶温度模型、所述第一顶棚温度衰减模型和所述第二顶棚温度衰减模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。9.根据权利要求7所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：在不同的横梁高度、不同的横梁间隔以及不同的火源大小条件下进行正交试验，获取烟气分析仪在第一通风模式和第二通风模式下，对应测得隧道模型内的第一烟气特性参数和第二烟气特性参数；基于所述第一顶棚温度和所述第一烟气特性参数，建立第一烟气蔓延速率模型；以及，基于所述第二顶棚温度和所述第二烟气特性参数，建立第二烟气蔓延速率模型；基于所述第一烟气蔓延速率模型和所述第二烟气蔓延速率模型，优化隧道模型的顶部结构设计和通风模式。10.根据权利要求9所述的隧道火灾试验方法，其特征在于，还包括：所述第二通风模式为纵向通风模式时，在不同的横梁高度、不同的横梁间...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟茂华，田向亮，刘畅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11