分布式光纖測溫系統(tǒng)在公路隧道火災(zāi)探測中響應(yīng)特性研究(火災(zāi)科學)1126

1、分布式光纖測溫系統(tǒng)在公路隧道火災(zāi)探測中響應(yīng)特性研究作者簡介：江夢夢（1987-），女，江蘇人，工學碩士研究生，研究方向：從事消防工程方面的研究。導(dǎo)師簡介：姚斌（1971-），男，安徽人，中國科學技術(shù)大學副教授，工學博士, binyao; 江夢夢1，姚斌1，成艷英2（1.中國科學技術(shù)大學 火災(zāi)科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)摘 要：隨著交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，公路隧道火災(zāi)監(jiān)測與報警越來越重要。目前分布式光纖測溫系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到隧道火災(zāi)的監(jiān)測中，外界風速和隧道斷面對火災(zāi)監(jiān)測有一定的影響。本文首先介紹了分

2、布式光纖測溫系統(tǒng)的原理，然后通過FDS數(shù)值模擬和全尺寸實驗?zāi)M不同高度的公路隧道發(fā)生火災(zāi)時，分布式光纖測溫系統(tǒng)的報警響應(yīng)情況。結(jié)果表明：在外界風力作用下，傳感器的報警位置發(fā)生顯著偏移；隨著隧道高度的增加，分布式光纖感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)報警響應(yīng)時間延長，可能會不報警。關(guān)鍵詞：公路隧道；分布式光纖；響應(yīng)時間；數(shù)值模擬；全尺寸實驗中圖分類號：TU551；X932 文獻標志碼：A0 引言隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，隧道已成為交通運輸網(wǎng)絡(luò)中一個重要組成部分1。據(jù)交通部統(tǒng)計，截止到2011年底，全國公路隧道為8522處、625.34萬米，其中，特長隧道326處、143.32萬米，長隧道1504處、251.84萬米2

3、。公路隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，在半封閉空間里火災(zāi)釋放的熱量和煙氣對人體和隧道內(nèi)設(shè)施造成傷害和破壞，且煙霧難以排出，火勢撲救和人員疏散困難，救援難度大，往往會造成極具破壞性和危險性的后果3,4。在公路隧道中設(shè)置火災(zāi)監(jiān)測與報警系統(tǒng)，及時探測隧道火災(zāi)的發(fā)生，在火災(zāi)發(fā)生的初期就給出警報，及時進行救災(zāi)處理，就能夠避免火災(zāi)的擴大，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失5。光纖傳感器有抗電磁干擾能力強、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)用能力強、傳輸距離遠、耐腐蝕、高靈敏度等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到隧道火災(zāi)的監(jiān)測中6 。1 分布式光纖測溫系統(tǒng)分布式溫度傳感(DTS)技術(shù)是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感技術(shù)7。分布式光纖測溫系統(tǒng)是基于

4、光子的拉曼散射(Raman Scattering)溫度效應(yīng)和光纖的光時域(OTDR)技術(shù)實現(xiàn)的。光在光纖中傳輸時,與光纖中的分子、雜質(zhì)等相互作用,發(fā)生米氏散射、瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射等,其中拉曼散射是由于光纖中分子的熱運動與光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的8。相對于傳統(tǒng)的溫度傳感器，分布式光纖溫度傳感器還具有單位成本低、抗電磁輻射干擾能力強、易于在各種復(fù)雜的待測地理環(huán)境中施工的一些優(yōu)點，常常被用做高壓電力線路、變電站、地鐵隧道、煉油廠、油井礦井等領(lǐng)域的溫度監(jiān)控手段9。目前關(guān)于分布式光纖測溫系統(tǒng)在隧道中施工安裝的要求，可參考湖南省和湖北省地方規(guī)范10,11，規(guī)范對于分布式光纖測溫系統(tǒng)適用

5、的隧道高度沒有相關(guān)規(guī)定。在火災(zāi)發(fā)生時，隨著隧道高度的增加，隧道頂棚溫度降低，外界風速也對報警位置有所影響。因此，在一定的風速作用下，對于不同高度的公路隧道，分布式光纖測溫系統(tǒng)能否對火災(zāi)初期階段小功率火源及時進行報警還有待研究。2 數(shù)值模擬2.1 模型建立本文以某一地區(qū)常見的公路隧道為研究對象，運用FDS模擬軟件，建立隧道模型如圖1所示，隧道長30m，寬8m，常見的隧道高度為5m12m，故本文高度取值5m，6m，7m，8m，9m，10m，11m，12m進行對比研究。一般而言公路隧道火災(zāi)分為三種火災(zāi)規(guī)模：小型火災(zāi)，一輛轎車起火(3MW)；中型火災(zāi)，一輛載重卡車起火(20MW)；大型火災(zāi)，兩輛載重卡

6、車(兩輛公共汽車)互撞起火(50MW)。本文主要針對早期火災(zāi)撲救設(shè)計，因此火災(zāi)模擬中選取火災(zāi)規(guī)模(1.8MW)。火源位于距離隧道入口15m處，模擬時假設(shè)火源面積為1.6m×2.0m。在距隧道頂部0.2m高度位置每隔1.0m設(shè)置一個溫度監(jiān)測點，即感溫探測器所在的位置，用以監(jiān)測隧道內(nèi)的溫度變化情況，從左到右依次為G1G30，其中G15位于火源正上方，G30位于出口處。隧道進口設(shè)定風速為2m/s，方向為左端吹入，出口為開放條件。隧道內(nèi)的環(huán)境溫度為20，壁面的初始溫度也為20。8mYXZU=2m/s15m15mG1G15G16G30圖1 隧道模型 (單位：m)Fig.1 Tunnel Mod

7、el (unit: m)火災(zāi)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型兩種。熱釋放速率不變的火源為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，熱釋放速率隨時間而變化的火災(zāi)是非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。本文選用t2模型來近似非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。 （1）式中：Q為火災(zāi)功率，kw；為火災(zāi)增長系數(shù)，kw/s2；t為燃燒的時間，s。本文隧道火災(zāi)設(shè)置為超快速火災(zāi)，火災(zāi)增長系數(shù)=0.1878 kw/s2。由公式（1）可得，當t98s時，火災(zāi)功率才能達到本文所取的1.8MW，進入完全燃燒階段，此后視為恒定功率。設(shè)定網(wǎng)格大小為0.5m×0.5m×0.2m，模擬時間選取10min。2.2 單隧道火災(zāi)場景模擬結(jié)果選取高度為8m時，對單隧道火災(zāi)場景模擬結(jié)果進行分析。

8、隧道火災(zāi)溫度變化是由煙氣擴散引起的，首先考察煙氣蔓延情況，截取時間在60s，90s，150s，300s煙氣分布三維圖，如圖2所示。從圖中可以看出，當風速為2m/s時，煙氣在風力作用下向火源下風處蔓延，60s時煙氣還沒有完全上升到頂棚位置；隨著時間增加，煙氣在火源下風處附近首先到達頂棚位置，為探測火情提供了有利條件；300s時煙氣運動趨于穩(wěn)定。（a）（b）（c）（d）圖2 隧道高度為8m情況下t=60s（a）、t=90s（b）、t=150s（c）、t=300s（d）時火災(zāi)煙氣蔓延圖Fig.2 Spread of fire smoke at the time of 60s（a）、90s（b）、15

9、0s（c）、300s（d）when tunnel height is 8m.為了直觀的分析火災(zāi)探測系統(tǒng)在火災(zāi)中響應(yīng)時間，統(tǒng)計G1G30在火災(zāi)發(fā)生過程中測得的最高溫度，制成曲線圖如圖3所示，其中火源位于X=15m處。從圖中可以看出火源上風處溫度幾乎等于環(huán)境溫度20，這是因為隧道內(nèi)的縱向風速大于“臨界縱向抑制風速”，煙氣運動沿火源下游方向單向蔓延?；鹪凑戏教綔y器G15最高溫度為58，最高溫度出現(xiàn)在位于火源下風3m處的探測器G18附近，溫度為79。從G18探測器開始，下風處隨著距離的增加溫度逐漸下降。G17G20監(jiān)測點的溫度超過一般定溫型的火災(zāi)報警探測器設(shè)置的報警閾值70，可以報警，統(tǒng)計其達到報警

10、閾值的時間如表1所示。圖3隧道高度h=8m各個探測器的最高溫度Fig.3 highest temperature of each detector when h=8m表1顯示，在G17G20溫度監(jiān)測點中，監(jiān)測點G20在t=128s時最先達到報警溫度70，在風速為2m/s時，分布式光纖測溫系統(tǒng)的報警位置出現(xiàn)在火源下風處，這是因為在外界風力的作用下，火災(zāi)煙氣向下風處蔓延，煙氣在離開火源一定距離后向上運動到達頂棚，即報警位置較實際火源位置沿隧道風向發(fā)生了偏移。圖4（a）顯示t=128s時y=0m縱截面上溫度分布云圖，在風速的作用下，火源下風處溫度增加，且最高溫度出現(xiàn)在火源下風處，距離火源5m的監(jiān)測點

11、G20附近溫度上升到報警閾值，下風處的其他探測器所在的位置溫度有所升高，但低于報警閾值，火源正上方頂棚溫度變化不大。隨后監(jiān)測點G19、G18、G17也相繼達到70。而位于火源正上面的G15，其溫度沒有達到報警溫度。圖4（b）為y=0m縱截面上t=300s時溫度分布云圖，此時火災(zāi)已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模，火源溫度趨于穩(wěn)定，下風處頂棚溫度升高，多個探測器所在位置溫度高于臨界溫度。表1 監(jiān)測點G16G19的達到報警閾值的時間Tab.1 Alarm response time of monitoring G16G19監(jiān)測點G17G18G19G20時間/s298146133128 （a） （b）圖4 隧道高度

12、為8m情況下t=128s（a）、t=300s（b）時溫度分布圖Fig.4 temperature distribution at the time of 128s（a）、300s（b）when h=8m2.3 不同高度隧道火災(zāi)場景模擬結(jié)果分析為了研究不同高度公路隧道火災(zāi)中分布式光纖測溫系統(tǒng)感溫火災(zāi)探測器的適用性問題，本文分別模擬了隧道高度h=5m，6m，7m，8m，9m，10m，11m，12m時火災(zāi)情況，火源功率取1.8MW，縱向風速2m/s，通過模擬得到溫度探測器G1G30的溫度變化情況。圖為隧道高度5m12m的情況下，G1G30各個探測器在火災(zāi)發(fā)生過程中測得的最高溫度制成曲線。從圖中可得，

13、隨著隧道高度的增加，頂棚溫度降低。當隧道高度為12m時，最高溫度為64，低于報警閾值70。各場景最高溫度都出現(xiàn)在火源的下風處，之后隨著距離增大溫度逐漸下降。隧道高度為5m、6m、7m時最高溫度由監(jiān)測點G16所測（即火源下風處1m），而h=8m、9m、10m時最高溫度出現(xiàn)在G18（即火源下風處3m）處，h=11m、12m時最高溫度出現(xiàn)在G19（即火源下風處4m）處。因此，風速為2m/s時，頂棚最高溫度會向火源下風處偏移，且偏移距離隨著隧道高度的增加而增大。圖5 不同隧道高度時，各個探測器的最高溫度Fig.5 highest temperature of each detector with di

14、fferent tunnel height表2為隧道高度h=5m12m時，探測器達到報警閾值所用的響應(yīng)時間。從表中可知，當隧道高度較低時，探測器可較快達到定溫型報警閾值，隨著隧道高度的增加，感溫探測器達到報警所需的響應(yīng)時間越來越長。這是因為在縱向風的作用下，火災(zāi)煙氣向下風處蔓延，雖然煙氣上升速度不變，但煙氣上升到隧道頂棚所用時間隨著高度增加而延長，探測器所用時間也相應(yīng)增加。而當高度達到h=12m時，頂棚的探測器溫度低于報警溫度，此時定溫型探測器不能發(fā)揮作用。說明隨著隧道高度的增加，分布式光纖測溫系統(tǒng)感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)火災(zāi)報警所需的時間越來越長，達到一定高度以后，定溫探測報警將無法正常工作，此時需

15、要設(shè)置差溫型火災(zāi)探測器對其進行報警響應(yīng)。表2隧道高度與響應(yīng)時間Tab.2 the tunnel height and response time隧道高度(m)56789101112響應(yīng)時間（s）74801061111281342133 實驗設(shè)置3.1 實驗?zāi)Ｐ徒榻B該實驗隧道長30m、寬8m、高8m，隧道采用鋼架結(jié)構(gòu)，模擬隧道內(nèi)壁采用防火板蒙上，隧道示意圖如圖6所示。采用汽油盤作為模擬火源，位于隧道中間位置。距模擬隧道頂部0.2m左右縱向布置鋼絞線，將感溫光纖捆綁在鋼絞線上。具體的分布式光纖測溫系統(tǒng)的安裝方式參照DB42/ 348-2006分布式光纖測溫系統(tǒng)感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗收規(guī)范1

16、1。在隧道試驗平臺兩端各布置一臺風機，提供實驗過程中的風速，實驗中隧道風速設(shè)置為2m/s。圖6 模擬隧道示意圖Fig.6 the diagram of simulation tunnel實驗室用的分布式光纖感溫探測系統(tǒng)的主要性能指標如下：（1）傳感信號類型：光強；（2）報警溫度：70（可設(shè)定）；（3）外徑：3.0mm；（4）測量時間：10s20s；（5）定位精度：±1m；（6）損耗敏感度：敏感；（7）傳輸距離：2km12km。（8）最小彎曲半徑：300mm。3.2 實驗工況設(shè)置本實驗主要針對早期火災(zāi)撲救設(shè)計，因此本試驗主要選取1×1m290#汽油火作為模擬火源，火源功率為1

17、.8MW左右，其次選取了火源功率為0.45MW左右的0.5×0.5m290#汽油火。具體實驗工況如表3所示。表3 實驗工況統(tǒng)計Tab.3 the statistical of experimental conditions實驗序號火源種類隧道高度火源功率風速m/s10.5×0.5 m2汽油火50.45MW220.5×0.5 m2汽油火80.45MW231×1m2汽油火51.8MW241×1m2汽油火81.8MW23.3 實驗結(jié)果及分析分布式光纖測溫系統(tǒng)將模擬隧道內(nèi)部的溫度記錄下來，圖7（a）、（b）、（c）、（d）分別對應(yīng)序號為1、2、3、4

18、的實驗中不同時間測得溫度變化圖，時間選取為30s、60s、90s以及各工況達到最高溫度的時刻。圖中所示，在四組實驗中，（a）、（c）為h=5m，X=16m處溫升最快，且溫度最高；（b）、（d）為h=8m，X=18m處溫升最快。而火源位于X=15m處正下方，最高溫度出現(xiàn)位置較火源有偏移。這一結(jié)果也和2.3隧道火災(zāi)模擬部分相一致，說明在一定風速下，報警位置較實際火源位置沿隧道風向發(fā)生偏移，且隨著隧道高度的增加，偏移量有所增加。（a）（b）（c）（d）圖7 不同隧道高度和火源功率時的溫度：（a）火源0.45MW，隧道高度h=5m；（b）火源為0.45MW，隧道高度h=8m；（c）火源1.8MW，隧道

19、高度h=5m；（d）火源1.8MW，隧道高度h=8mFig.7 the temperature in different tunnel height and fire power：（a）0.45MW，h=5m；（b）0.45MW，h=8m；（c）1.8MW，h=5m；（d）1.8MW，h=8m同等火源功率條件下，隧道高度為8m時傳感器所測量的溫度低于5m時傳感器的溫度，且8m時溫度變化較為平緩。這是因為在縱向風的作用下，大部分的煙氣向火源下游方向擴散，帶走了一部分熱量，少量煙氣到達8m高度，降低了溫升幅度。雖然向火源上游擴散的煙氣相對較少，但是也削弱了煙氣對火焰輻射的阻擋作用，受火焰的輻射作用

20、，X=15m處也能測得較為明顯的溫度變化。在火源功率為0.45MW時，5m和8m高的隧道在132s時各工況測得最高溫度，h=5m時最高溫度為77，其中X=16m、17 m的溫度均可達到報警溫度70，達到報警閾值的時間為95s；h=8m時最高溫度僅為38，低于一般定溫型報警閾值70。而火源功率為1.8MW時，5m、8m高的隧道各探測器分別在120s、100s測得最高溫度，h=5m時最高溫度為105，其中X=12m到X=19m的溫度都超過報警響應(yīng)溫度70，達到報警閾值的時間為63s；h=8m時X=18m最高溫度為72，其中X=16m、17m均可達到報警溫度，響應(yīng)時間為93s。因此隧道高度從5m增加

21、到8m時，分布式光纖感溫探測系統(tǒng)達到報警閾值的時間變長，在火災(zāi)功率0.45MW時，甚至失效。本次實驗中分布式光纖感溫探測系統(tǒng)定溫型報警閾值設(shè)為70，差溫報警閾值為7/min。四組實驗結(jié)果顯示，均為差溫型報警，各組實驗系統(tǒng)報警時間及記錄的報警差溫如表4所示，結(jié)果顯示，各組報警時間均符合要求。當隧道高度從5m增加到8m時，火災(zāi)報警時間延長；同樣高度隧道火災(zāi)中，火源功率越大，火災(zāi)報警時間越短。表4 實驗報警結(jié)果記錄Tab.4 records on the results of experiment實驗序號1234報警時間/14281219報警差溫/14.9110.1121.2621.23.4 實驗結(jié)

22、果與數(shù)值模擬對比分析圖8為隧道高度5m、8m時，實驗測得的隧道頂部最高溫度與FDS數(shù)值模擬結(jié)果。對比結(jié)果可得到以下結(jié)論：（1）FDS數(shù)值模擬與實驗結(jié)果偏移量一致：隧道高度h=5m時，最高溫度都出現(xiàn)在X=16m，即火源下風處1m；h=8m時，最高溫度都出現(xiàn)在X=18m，即火源下風處3m。（2）實驗結(jié)果略低于數(shù)值模擬：隧道高度h=5m時，數(shù)值模擬最高溫度125，實驗最高溫度105；隧道高度h=8m時，數(shù)值模擬最高溫度79，實驗最高溫度72。圖8 試驗結(jié)果與數(shù)值模擬對比分析Fig.8 the comparative analysis of test results and numerical sim

23、ulation4 結(jié)論通過FDS數(shù)值模擬和全尺寸實驗?zāi)M不同高度的公路隧道發(fā)生火災(zāi)時，分布式光纖測溫系統(tǒng)的報警響應(yīng)情況，結(jié)果表明數(shù)值模擬與實驗測得的偏移量一致，實驗測得的溫度值略低于數(shù)值模擬。（1）在外界風力作用下，報警位置較實際火源位置沿隧道風向發(fā)生偏移；當外界風速相同時，偏移量隨著隧道高度的增加而加大。（2）隨著隧道高度的增加，分布式光纖測溫系統(tǒng)報警響應(yīng)時間延長，達到一定高度以后，定溫探測報警將無法正常工作，此時需要設(shè)置差溫型火災(zāi)探測器對其進行報警響應(yīng)。（3）分布式光纖測溫系統(tǒng)采用差溫報警時，對火源功率為0.45MW和1.8MW火災(zāi)有很好的響應(yīng)，系統(tǒng)可靠性較高。當隧道高度從5m增加到8m時

24、，火災(zāi)報警時間延長；同樣高度隧道火災(zāi)中，火源功率越大，火災(zāi)報警時間越短。（4）在實際現(xiàn)場分布式光纖安裝使用中，要根據(jù)具體隧道的高度，當?shù)氐娘L速等綜合考慮，設(shè)定火災(zāi)探測器的報警閾值。參考文獻：1 易賽莉.公路隧道火災(zāi)煙氣特性數(shù)值模擬分析J.公路交通科技, 2010,27(1):89-942 中國交通運輸部.公路水路交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報3 徐志勝.公路隧道火災(zāi)危害及疏散方式探討J.湖南安全與防災(zāi),2012,8:44-51.4 王少飛,林志,余順.公路隧道火災(zāi)事故特性及危害J.消防科學與技術(shù),2011,30(4) :337-340.5 趙忠杰.公路隧道火災(zāi)探測方法研究D.西安:長安大學,2007.6

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