申请/专利权人：中国科学技术大学

申请日：2019-06-05

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN110111635B

主分类号：G09B9/00

分类号：G09B9/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2019.09.03#实质审查的生效;2019.08.09#公开

摘要：本发明公开了一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，包括隧道单元、列车单元、轨道单元、火源模拟单元、纵向通风单元、火灾参数测量单元。其中：隧道单元采用弧形顶棚结构，坐落于地面；列车单元放置在隧道单元内，由地面的轨道单元控制其移动；火源模拟单元放置在列车单元内，用于产生实验需要的火羽流；纵向通风单元放置在隧道单元一端，用于提供纵向通风；火灾参数测量单元用于采集实验中的各项参数。本发明克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟不够精确的缺点，可开展地铁隧道内发生列车火灾时的火羽流卷吸特征及烟气输运行为等一系列基础理论的研究，对该火灾场景下的火灾探测、烟气控制和人员疏散具有实际的指导意义。

主权项：1.一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：包括隧道单元、列车单元、轨道单元、火源模拟单元、纵向通风单元和火灾参数测量单元；其中：所述实验平台为缩尺寸模型，与实际尺寸的相似比为1:3；所述隧道单元（1）坐落于地面，由多节相同的子隧道拼接而成，包括隧道框架、弧形顶棚、两侧侧壁以及一侧的平开门；隧道单元（1）与地面之间的缝隙用防火胶进行密封处理；防火板与隧道框架密封拼接，防火玻璃密封嵌入隧道框架内；所述列车单元（2）放置在隧道单元（1）内，由多节相同的子车厢拼接而成，包括列车框架、支架、顶棚、底板、两端和两侧的侧壁、一侧的滑动窗；所述轨道单元（3）包括金属导轨、金属吊环以及电动牵引机，金属导轨放置在隧道单元（1）的纵向中心线上；所述火源模拟单元（4）放置在列车单元（2）内，包括正庚烷油池火源和丙烷气体火源；所述纵向通风单元（5）放置在隧道单元（1）一端，包括变频风机以及连接变频风机与隧道的整流段；所述火灾参数测量单元（6）包括温度测试系统、风速测试系统、烟气流场监测系统、以及图像记录系统；所述隧道单元（1）的各节子隧道之间均采用法兰连接，隧道框架由角钢和顶部的折弯板搭建；弧形顶棚与一侧侧壁由防火板构成，其中顶棚的防火板为可弯曲板，侧壁的防火板为平板；另一侧侧壁与平开门由钢化玻璃构成，方便人员实验前后布置实验和实验过程中观察实验现象；所述列车单元（2）的各节子车厢之间均采用法兰连接，列车框架由角钢搭建，支架由方管搭建，支架底部装有滑轮便于移动；顶棚、底板、两端以及一侧的侧壁由防火板构成，防火板均为平板；另一侧侧壁与滑动窗由钢化玻璃构成，除了方便观察实验现象外，还可研究不同列车车门状态下的火灾场景；所述轨道单元（3）中的金属吊环固定在列车两端，由电动牵引机通过钢丝绳与金属吊环连接来控制列车在金属导轨上进行移动；电动牵引机位于隧道两端，隧道右端的电动牵引机（22-1）上的钢丝绳与列车单元右端的金属吊环（23-1）连接，通过电动牵引机（22-1）控制列车向右移动，电动牵引机（22-2）上的钢丝绳可通过开启隧道左端的一扇平开门（11）引入隧道与列车左端的金属吊环（23-2）连接，通过电动牵引机（22-2）控制列车向左移动。

全文数据：一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台技术领域本发明涉及火灾安全技术领域，具体涉及一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台。背景技术随着中国城市化进程的不断推进，城市人口规模不断增大，伴随而来的是严重的路面交通拥堵。而地铁由于具有乘客运输量大、运营空间主要在地下的特点，对于缓解日趋紧张的城市路面交通压力具有重要的意义。然而，地铁在给人们生活带来便利的同时，也给火灾防治带来了新的挑战。统计结果表明，火灾中85％的人员死亡都是由于人体吸入毒性气体导致的，并且积聚的高温烟气可能导致隧道结构的破损甚至坍塌等二次灾害。尽管根据相关规范的要求，地铁列车在区间隧道内发生火灾后要减速行驶到下一个车站，然后进行相关的人员疏散逃生和救援灭火工作。但是在实际情况中，部分地铁列车着火后会失去动力而停留在区间隧道中，无法行驶到下一个车站，此时的列车在隧道空间内形成了具有较大阻塞比的障碍物，与隧道共同构成了一种特殊的双狭长空间。因此，研究不同边界条件下的地铁隧道列车车厢双狭长空间内的火羽流卷吸特征及烟气输运行为具有重要意义。由于全尺寸火灾实验需要耗费大量的人力和财力，实验条件难以控制，难以获得大量且可靠的实验数据。相反，开展满足相似性理论的缩尺寸实验具有成本低、可重复性强、结果可信度高的优点。因此，缩尺寸实验在火灾研究中得到了广泛的应用。目前国内学者对于地铁隧道火灾已开展了大量研究，张和平等设计了一种小尺寸多功能地铁隧道火灾实验平台来研究不同隧道类型和结构下火灾的燃烧行为和烟气控制，陈潇等设计了一种采用非直轴线射流风机机械排烟的地铁隧道火灾实验平台对非直轴线射流风机的排烟效果进行了研究。然而，现有的缩尺寸地铁隧道火灾实验平台在结构上和功能上都具有一定的局限性，其中：结构上，实验平台的横截面大都是矩形结构，而实际的地铁隧道大都是弧形结构，二者具有较大的差异；功能上，实验平台只能模拟地铁隧道内没有列车的火灾场景，无法模拟列车车厢发生火灾时因动力故障停留在隧道内的情况。发明内容本发明的目的是为了解决现有缩尺寸地铁隧道火灾实验平台结构与功能上的缺陷，提供一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台来解决上述问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，包括隧道单元、列车单元、轨道单元、火源模拟单元、纵向通风单元和火灾参数测量单元；其中：所述实验平台为缩尺寸模型，与实际尺寸的相似比为1:3；所述隧道单元坐落于地面，由多节相同的子隧道拼接而成，包括隧道框架、弧形顶棚、两侧侧壁以及一侧的平开门；所述列车单元放置在隧道单元内，由多节相同的子车厢拼接而成，包括列车框架、支架、顶棚、底板、两端以及两侧的侧壁、一侧的滑动窗；所述轨道单元包括金属导轨、金属吊环以及电动牵引机，金属导轨放置在隧道单元的纵向中心线上；所述火源模拟单元放置在列车单元内，包括正庚烷油池火源和丙烷气体火源；所述纵向通风单元放置在隧道单元一端，包括变频风机以及连接变频风机与隧道单元的整流段；所述火灾参数测量单元包括温度测试系统、风速测试系统、烟气流场监测系统、以及图像记录系统。其中，所述各节子隧道之间采用法兰连接，隧道框架由角钢和顶部的折弯板搭建；弧形顶棚和一侧侧壁由防火板构成，其中顶棚的防火板为可弯曲板，侧壁的防火板为平板；另一侧侧壁与平开门由钢化玻璃构成，方便人员实验前后布置实验和实验过程中观察实验现象。其中，所述各节子车厢之间采用法兰连接，列车框架采用角钢结构搭建，支架采用方管结构搭建，底部装有滑轮便于移动；顶棚、底板、两端以及一侧侧壁由防火板构成，防火板均为平板；另一侧侧壁与滑动窗由钢化玻璃构成，除了方便观察实验现象外，还可研究不同列车车门状态下的火灾场景。其中，所述轨道单元中的金属吊环固定在列车两端，由电动牵引机通过钢丝绳与金属吊环连接来控制列车在金属导轨上进行移动。其中，所述火源模拟单元中的火源类型可根据实验要求来选择正庚烷油池火源或丙烷气体火源；正庚烷油池火源由方形油池、“工”字型金属托盘以及电子天平组成；丙烷气体火源由多孔气体燃烧器、转子流量计、丙烷气瓶以及供气管组成。其中，所述纵向通风单元中的整流段按照送风方向依次包括整流管、阻尼网和蜂窝式整流器，该组合方式能同时整定气流的法向和切向速度，大大提高流场的均匀度，保障了实验的精确度。其中，所述火灾参数测量单元中的温度测试系统包括热电偶和数据采集模块，热电偶分别布置在隧道单元和列车单元顶棚下2cm处的纵向中心线上以及每扇滑动窗的竖向中心线上；风速测试系统为多通道风速仪，布置在距隧道单元进风口3m、地面0.5m处的纵向中心线上；流场监测系统为激光片光源，布置在隧道单元的出风口一端；图像记录系统为数码像机，布置在隧道单元钢化玻璃面的一侧。通过采用上面技术方案所产生的有益效果在于：本发明的一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，与现有的地铁隧道实验台相比结构更加符合实际，功能更加齐全，具体体现在：1隧道顶棚采用与实际相符的弧形结构。隧道横截面为马蹄形，顶棚的弧度为150°，尺寸与实际的地铁隧道尺寸相比满足等效水力直径和等效高度的相似性条件。水力直径和高度是隧道火灾中影响烟气温度分布的两个重要参数：水力直径越大，烟气蔓延过程中的热量损失越多；高度越低，顶棚对火羽流的限制作用越强。2隧道的尺寸较大，与实际地铁隧道尺寸的相似比为1:3，方便人员进入隧道内部进行实验的布置。3实际上，地铁隧道中的火灾大都发生在列车车厢内。火势较大时，部分列车会失去动力停靠在隧道内，此时的列车在隧道空间内形成了具有较大阻塞比的障碍物，与隧道共同构成了一种双狭长空间。本实验平台可以对这种场景下的火灾进行模拟研究。除此之外，还可以将列车放置在隧道外，分别对隧道火灾和列车火灾进行基础性研究。4金属导轨与电动牵引机的使用便于改变列车的位置，并且不会使列车偏离隧道的中心线而造成实验上的误差。5通过控制列车滑动窗的开启或关闭，可研究不同列车车门状态下的火灾场景。附图说明图1是一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台的总体结构示意图。图2是图1中所示一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台的隧道单元。图3是图1中所示一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台的列车单元。图4是图1中所示一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台的轨道单元。图5是图1中所示一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台的火源模拟单元，其中，图5a为正庚烷油池火源，图5b为丙烷气体火源。图6是图1中所示一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台的纵向通风单元。具体实施方式下面结合附图，通过根据本发明的实施例对本发明进行详细描述。为了描述清楚，引入的“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。如图1所示，缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台包括隧道单元1、列车单元2、轨道单元3、火源模拟单元4、纵向通风单元5、火灾参数测量单元6。如图2所示，为了节省施工成本和方便拍摄实验现象，在满足等效水力直径和等效高度的基础上对实际隧道的横截面形状进行了近似处理，隧道被调整为两侧垂直、顶棚为150°圆弧的马蹄形。隧道单元1由多节相同的子隧道7通过法兰连接的方式拼接在一起，子隧道7的尺寸为3m长1.6m宽×1.6m高，宽度和高度均为横截面的最大值，与实际地铁隧道尺寸的相似比为1:3，方便人员进入隧道内部布置实验，隧道的总长度可根据实验要求进行调整。考虑到承重的问题，故将隧道直接坐落于地面，底部不设置底板，与地面之间的缝隙用防火胶进行密封处理。隧道框架由角钢和顶部的折弯板搭建，弧形顶棚8由可弯曲防火板构成，后方的侧壁9由防火平板构成，前方的侧壁10和平开门11均由钢化玻璃构成，防火板与隧道框架密封拼接，防火玻璃密封嵌入隧道框架内，防火板和钢化玻璃的厚度均为10mm。布置实验时，人员可打开安装在角钢上的紧固锁12来开启平开门11进入隧道内部。如图3所示，列车单元2由多节相同的子车厢13通过法兰连接的方式拼接在一起，子车厢13的尺寸为1.65m长×0.93m宽×0.7m高，列车的总长度可根据实验要求进行调整。列车框架由角钢搭建，列车顶棚14、底板15、左右两端的侧壁16以及后方的侧壁17均由防火平板构成，前方的侧壁18和滑动窗19均由钢化玻璃构成，防火板与列车框架密封拼接，防火玻璃密封嵌入隧道框架内，防火板和钢化玻璃的厚度均为10mm。列车支架20由方管搭建，高0.4m，底部装有滑轮，方便移动列车。实验时可分别在支架四周放置防火板来模拟实际列车底部的电气系统所占据的空间。其中，左右两端的防火板宽度与列车的宽度保持一致，前后侧的防火板长度与列车的长度保持一致，高度均为0.4m，用防火胶与列车框架粘结密封。如图4所示，轨道单元3由布置在隧道中心线上的金属导轨21和隧道两端的电动牵引机22构成。隧道右端的电动牵引机22-1上的钢丝绳与列车单元右端的金属吊环23-1连接，通过电动牵引机22-1控制列车向右移动。电动牵引机22-2上的钢丝绳可通过开启隧道左端的一扇平开门11引入隧道与列车左端的金属吊环23-2连接，通过电动牵引机22-2控制列车向左移动。如图4所示，火源模拟单元4中的正庚烷油池火源由方形金属油池24、“工”字型金属托盘25、电子天平26组成，通过选用不同尺寸的方形金属油池24实现不同的火源功率。电子天平26放置在地面，金属托盘25的底座放置在电子天平26上，底座套筒27内部为螺纹结构，通过在列车底板15上钻孔将上方的托盘和配套的螺纹杆28插入底座套筒27，并通过紧固螺丝29来调节托盘的高度，之后将正方形金属油池24放置在托盘25上，倒入正庚烷，用点火器引燃。丙烷气体火源由多孔气体燃烧器30、转子流量计31、丙烷气瓶32以及供气管33组成。丙烷气瓶32通过供气管33-1连接转子流量计31，再通过另一个供气管33-2连接至多孔气体燃烧器30底部下的圆孔，多孔气体燃烧器30通过在列车底板15开口进入列车内。打开气瓶阀门，调节减压阀控制气体压力至稳定值后，通过转子流量计31控制气体流量，丙烷气体分别通过丙烷气瓶32、供气管33-1、转子流量计31、供气管33-2，最后进入多孔气体燃烧器30，用点火器引燃。多孔气体燃烧器30的支架结构与金属托盘25类似，故不在此重复说明。如图5所示，纵向通风单元5中的变频风机34的风量为45000m3h，可以满足日常实验所需的风速要求，可以通过调节频率大小来改变纵向通风速率。整流段35的截面形状与隧道单元1的马蹄形截面保持一致，框架由方管搭建，并用封板密封上、下、前、后四个面。整流段35内部按照通风方向依次包括整流管36、阻尼网37、蜂窝式整流器38。整流管36的长度L1不小于1m，完全填充于整流段截面；阻尼网37的数量不少于三张，目数范围为18目-30目，阻尼网37之间的间距L2不小于0.4m；蜂窝式整流器38与阻尼网37之间的间距L3与L2相同，蜂窝式整流器38的宽度为0.2m，正六边形的整流通孔的内切圆半径为2cm。该组合方式能同时整定气流的法向和切向速度，大大提高流场的均匀度，保障了实验的精确度。整流段35与变频风机34通过风机连接板39焊接在一起。如图1所示，热电偶40分别布置在隧道单元1和列车单元2顶棚下2cm处的纵向中心线上以及每扇滑动窗的竖向中心线上，由热电偶架固定，分别用于测量顶棚下和从车厢内溢流出来的烟气温度。热电偶40之间的间距可根据实验要求进行调整，测量结果通过数据采集模块传输到电脑上。多通道风速仪41的探针布置在距隧道单元进风口3m、地面0.5m处的纵向中心线上，用于测量隧道内的纵向风速。激光片光源42放置在隧道单元1的右端，通过打出的绿光，可以更加清晰地观测烟气层的运动轨迹，如烟气层的蔓延距离，蔓延速度和沉降速度等。数码像机43放置在隧道单元1的前侧，用于记录实验过程中火焰的形态。

权利要求：1.一种缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：包括隧道单元、列车单元、轨道单元、火源模拟单元、纵向通风单元和火灾参数测量单元；其中：所述实验平台为缩尺寸模型，与实际尺寸的相似比为1:3；所述隧道单元1坐落于地面，由多节相同的子隧道拼接而成，包括隧道框架、弧形顶棚、两侧侧壁以及一侧的平开门；所述列车单元2放置在隧道单元1内，由多节相同的子车厢拼接而成，包括列车框架、支架、顶棚、底板、两端和两侧的侧壁、一侧的滑动窗；所述轨道单元3包括金属导轨、金属吊环以及电动牵引机，金属导轨放置在隧道单元1的纵向中心线上；所述火源模拟单元4放置在列车单元2内，包括正庚烷油池火源和丙烷气体火源；所述纵向通风单元5放置在隧道单元1一端，包括变频风机以及连接变频风机与隧道的整流段；所述火灾参数测量单元6包括温度测试系统、风速测试系统、烟气流场监测系统、以及图像记录系统。2.根据权利要求1所述的缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：所述隧道单元1的各节子隧道之间均采用法兰连接，隧道框架由角钢和顶部的折弯板搭建；弧形顶棚与一侧侧壁由防火板构成，其中顶棚的防火板为可弯曲板，侧壁的防火板为平板；另一侧侧壁与平开门由钢化玻璃构成，方便人员实验前后布置实验和实验过程中观察实验现象。3.根据权利要求1所述的缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：所述列车单元2的各节子车厢之间均采用法兰连接，列车框架由角钢搭建，支架由方管搭建，支架底部装有滑轮便于移动；顶棚、底板、两端以及一侧的侧壁由防火板构成，防火板均为平板；另一侧侧壁与滑动窗由钢化玻璃构成，除了方便观察实验现象外，还可研究不同列车车门状态下的火灾场景。4.根据权利要求1所述的缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：所述轨道单元3中的金属吊环固定在列车两端，由电动牵引机通过钢丝绳与金属吊环连接来控制列车在金属导轨上进行移动。5.根据权利要求1所述的缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：所述火源模拟单元4中的火源类型可根据实验要求来选择正庚烷油池火源或丙烷气体火源；正庚烷油池火源由方形油池、“工”字型金属托盘以及电子天平组成；丙烷气体火源由多孔气体燃烧器、转子流量计、丙烷气瓶以及供气管组成。6.根据权利要求1所述的缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：所述纵向通风单元5中的整流段按照送风方向依次包括整流管、阻尼网和蜂窝式整流器，该组合方式能同时整定气流的法向和切向速度，大大提高流场的均匀度，保障了实验的精确度。7.根据权利要求1所述的缩尺寸地铁隧道列车车厢双狭长空间火灾实验平台，其特征在于：所述火灾参数测量单元6中的温度测试系统包括热电偶和数据采集模块，热电偶分别布置在隧道单元1和列车单元2顶棚下2cm处的纵向中心线上以及每扇滑动窗的竖向中心线上；风速测试系统为多通道风速仪，布置在距隧道单元1进风口3m、地面0.5m处的纵向中心线上；流场监测系统为激光片光源，布置在隧道单元1的出风口一端；图像记录系统为数码像机，布置在隧道单元1钢化玻璃面的一侧。

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