本发明属于隧道火灾烟气控制研究领域，涉及一种分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台及排烟效率计算方法。
背景技术：
1、随着我国社会经济的飞速发展，隧道建设规模呈突增式扩大。当前，中国已成为世界上隧道规模数量最大、发展最快的国家。相关统计数据表明，截至2022年底，我国隧道总里程达到48762公里，其中公路和铁路隧道里程分别占全国隧道总里程的54.93％和45.07％。
2、隧道数量及总里程的增加也进一步促进了隧道火灾事故发生概率的增长。由于隧道狭长且相对封闭，火灾产生的烟气在隧道内快速蔓延并充斥隧道空间，对被困及救援人员带来极大的生命威胁。据统计，大约有85％的人员是由于吸入有毒有害烟气窒息而亡的。因此，隧道火灾容易诱发群死群伤后果及重大经济损失，带来恶劣的社会影响。
3、为了控制隧道火灾烟气的蔓延，及时快速排出烟气，实际工程中会采取一系列的通风排烟措施。对于城市隧道及特长公路隧道，普遍采取竖井排烟或竖井与纵向通风相结合的方式进行控烟。因此，不同竖井尺寸(长宽比、宽高比)及纵向风速下的排烟效果受到了广泛的关注。但值得注意的是，一方面，目前对竖井排烟效果的研究绝大多数是基于数值模拟开展的，模拟结果受网格大小及各种假设条件等的影响，难以反映真实的火灾场景，研究结果的可靠性需通过实验手段进一步验证。另一方面，在有限的相关实验研究中，存在竖井组尺寸(长度和高度)难以连续性变化调节，排烟，难以准确、快速获得最优排烟效果对应的最佳竖井尺寸的问题。
4、基于数值模拟对竖井排烟效果进行分析的研究中，可连续性改变竖井宽度、长度、高度及纵向风速，探讨了竖井排烟效率随纵向风速、竖井宽度、高度及长度的变化规律，并通过设置速度切片及温度切片的方式观测竖井内烟气流动行为及隧道顶棚烟气蔓延长度评估排烟效果，速度切片及温度切片数据的准确性受计算资源及网格尺寸影响较大。有效的实验研究中，主要通过增加固定尺寸隔板的形式改变竖井长度、竖井宽度，可调节的变化范围有限，且竖井高度几乎未有学者进行改变。其中，广泛应用的排烟效率计算公式如下：
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6、式中，me为竖井排出的co质量流率(kg/s)；m表示co总生成量(kg/s)。该方法采用co浓度表征烟气质量流率，当火灾中的燃料为清洁燃料时，例如甲醇、乙醇罐车在隧道内发生泄漏引燃而导致的火灾，显然，燃烧产生的烟气成为主要为co2,可见，该种场景下，采用co浓度量化烟气质量流率并不合理。
7、综上所述，现有方法存在的不足包括：
8、一是采用数值模拟方法无法克服网格尺寸及计算资源等因素对模拟结果带来的误差影响，模拟结果可靠性需通过实验手段进行验证；二是现有的相关缩尺寸实验平台中对竖井长度、高度的变化范围调节相对有限，导致最优竖井尺寸的准确确定受到影响；三是现有广泛应用的排烟效率计算以co浓度进行表征，对火源为清洁燃料下的情况不再适用。因此，为研究真实火灾场景下的竖井排烟效率，确定最优竖井尺寸，亟需搭建可进行连续动态自主控制调节竖井长度、宽度的试验平台，提出适用于不同燃料的竖井排烟效率计算方法，寻找确定最优竖井尺寸及排烟的最佳纵向风速。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提出一种分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台及排烟效率计算方法，本发明试验平台的竖井高度可调节、竖井长度可连续性变化，竖井排烟效率可实时测量，最优竖井尺寸及纵向风速可确定。通过试验的手段可以测量分析不同竖井尺寸及纵向风速下的排烟效率及烟气蔓延距离，获取排烟效果最佳时的竖井尺寸及纵向风速。本发明可为竖井自然排烟隧道、竖井与纵向通风相结合排烟的隧道通风排烟设计提供指导。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，包括：
4、隧道主体，构成试验平台的基础结构，包括底面、顶棚和两侧壁，其中一侧壁由透明防火玻璃板构成，以便观测隧道内烟气的蔓延及竖井内的烟气流态，所述顶棚设有若干开口；
5、若干竖井尺寸可变装置，每个竖井尺寸可变装置设于所述隧道主体顶棚每个开口处，包括两个长板、一个短板、两个滑轨和l型板，所述短板设于两个长板之间，两端分别与两个长板固定连接，所述两个长板通过上均设有滑轨，所述l型板通过滑轨与所述长板滑动连接，实现竖井长度的动态调节；
6、空气流速测量系统，布置在隧道主体内，包括沿隧道高度方向布置的多个空气流速测量点，用于测量隧道内不同高度的空气流速，确保风速的稳定和均匀；
7、烟气温度采集系统，包括布置在竖井中心下方和竖井内部的多个热电偶，用于测量烟气的温度，评估烟气蔓延和排烟效率；
8、烟气流速采集系统，包括布置在竖井中心下方和竖井内部的多个热线式风速仪，用于测量烟气流速，进一步分析烟气的流动特性；
9、火源模拟装置，位于隧道主体底部，用于模拟火源。
10、进一步的，所述隧道主体的另一侧壁上设有可启闭的火源装置操作窗，用于调节火源位置及点燃火源。
11、进一步的，所述试验平台还包括轴流风机，位于隧道主体的一端，用于产生纵向气流，并通过连接的变频器调节风速，模拟不同风速条件下的烟气扩散。
12、进一步的，所述试验平台还包括整流段，依次由帐纱、金属网、蜂窝板和帐纱组成，位于轴流风机之后，用于使风速稳定均匀，为模拟实验提供稳定的气流条件。
13、进一步的，空气流速测量系统至少包括三个空气流速测量点，分别测量隧道顶棚附近、地面附近及隧道中心的空气流速。
14、进一步的，所述试验平台还包括流场可视化装置，包括若干片光源和高速摄像机，用于观测并记录烟气在隧道内的蔓延、烟气层厚度及竖井内的烟气流动形态。
15、进一步的，所述火源模拟装置包括气体燃烧器、气瓶、流量计和输气软管，所述气瓶、流量计和气体燃烧器依次通过输气软管连接，通过流量计调节气体流量以改变火源功率。
16、进一步的，所述长板、短板和l型板均由透明亚克力板构成。
17、进一步的，所述长板、短板和l型板上沿处设有卡槽，用于通过增加亚克力板的方式改变竖井高度。
18、一种竖井排烟效率的计算方法，通过利用上述分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台测得燃烧稳定阶段的烟气流速及温度数据，计算不同竖井长度、高度及纵向风速下的竖井排烟效率，公式如下：
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22、
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25、其中，η为排烟效率；为竖井排出的烟气的质量流率(kg/s)；为竖井排出的气体质量流量(kg/s)；为竖井排出的空气的质量流率(kg/s)；ρs,shaft为经竖井排出的烟气的密度(kg/m3)；vs,shaft为经竖井排出的烟气的流速(m/s)；as,shaft为经竖井排出的烟气的面积(m2)；ρs,tunnel为对应竖井下方隧道内烟气密度(kg/m3)；vs,tunnel为对应竖井前方隧道内烟气流速(m/s)；wtunnel为隧道宽度(m)；hs,tunnel为对应竖井前方隧道内烟气层厚度(m)；为火源功率(kw)；htunnel为隧道高度(m)；tamb为环境温度(k)；ρamb为环境密度(kg/m3)；ts,tunnel为竖井前方隧道内烟气层温度(k)。
26、进一步的，变化竖井尺寸及纵向风速，并基于该试验平台获取上述参数数据计算排烟效率，分析烟气回流长度及下游蔓延距离，可获取不同竖井尺寸及纵向风速下的排烟效率及排烟效果。通过对比排烟效率及排烟效果，排烟效率越高、烟气回流长度越短、烟气蔓延距离越短，表明排烟效率及排烟效果越好，所对应的竖井尺寸及纵向风速达到最优。
27、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
28、针对现有的分散排放隧道火灾排烟效果研究，本发明克服了采用数值模拟方法导致研究结果可靠性受网格尺寸及计算资源影响的缺陷，通过相应比例缩放的缩尺寸试验平台，可反映实际的隧道火灾场景，获取最真实的烟气温度及流速数据，以计算排烟效率，从而实现竖井排烟效果的可靠性分析。
29、与此同时，本发明克服了现有的分散排放隧道火灾缩尺寸试验平台中竖井长度、竖井高度尺寸不可连续性调节、调节范围有限、竖井内流场形态观测困难的难题，通过在竖井处增设两条滑轨及“l型”滑板的方式，实现竖井长度的可连续性动态调节；并于组成竖井的透明亚克力板上沿增加卡槽的方式，实现竖井高度的调节。采用透明亚克力板组成竖井，有利于结合片光源及高速摄像机观测竖井内的烟气流态。
30、针对现有竖井排烟效率计算采用co浓度进行表征，不适用于火源为清洁燃料时竖井排烟效率计算的不足，本发明提出了一种可适用于不同火灾场景下的竖井排烟效率计算方法，该方法适用范围更广。通过采用热电偶及热线式风速仪获取隧道内烟气温度、烟气蔓延速度、烟气层厚度、经竖井排出的烟气温度、烟气流速、烟气占据面积等数据，进而可计算竖井的排烟效率。
31、针对最佳竖井尺寸及最优纵向风速难以准确界定的难题，本发明可通过动态计算获取不同竖井尺寸及纵向风速下的竖井排烟效率及烟气蔓延距离，并通过排烟效果对比，不断动态调节竖井尺寸及纵向风速，最终可获得排烟效果最佳时对应的最佳竖井尺寸及最优纵向风速，为分散排放隧道火灾排烟参数的设计提供指导。
1.一种分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述隧道主体(4)的另一侧壁上设有可启闭的火源装置操作窗(5)，用于调节火源位置及点燃火源。
3.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述试验平台还包括轴流风机(1)，位于隧道主体(4)的一端，用于产生纵向气流，并通过连接的变频器调节风速，模拟不同风速条件下的烟气扩散。
4.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述试验平台还包括整流段(2)，依次由帐纱、金属网、蜂窝板和帐纱四部分组成，位于轴流风机之后，用于使风速稳定均匀。
5.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，空气流速测量系统至少包括三个空气流速测量点，分别测量隧道顶棚附近、地面附近及隧道中心的空气流速。
6.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述试验平台还包括流场可视化装置，包括若干片光源(14)和高速摄像机(15)，用于观测并记录烟气在隧道内的蔓延、烟气层厚度及竖井内的烟气流动形态。
7.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述火源模拟装置包括气体燃烧器(6)、气瓶(7)、流量计(8)和输气软管(9)，所述气瓶(7)、流量计(8)和气体燃烧器(6)依次通过输气软管(9)连接，通过流量计(8)调节气体流量以改变火源功率。
8.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述长板(16)、短板(17)和l型板(18)均由透明亚克力板构成。
9.根据权利要求1所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台，其特征在于，所述长板(16)、短板(17)和l型板(18)上沿处设有卡槽，用于通过增加亚克力板的方式改变竖井高度。
10.一种竖井排烟效率的计算方法，其特征在于，通过利用如权利要求1-9任一项所述的分散排放隧道缩尺寸火灾试验平台测得燃烧稳定阶段的烟气流速及温度数据，计算不同竖井长度、高度及纵向风速下的竖井排烟效率，公式如下：
