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

1、分布式光纖測溫系統(tǒng)在公路隧道火災探測中響應特性研究作者簡介：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。導師簡介：姚斌（1971-），男，安徽人，中國科學技術大學副教授，工學博士, binyao; 江夢夢1，姚斌1，成艷英2（1.中國科學技術大學 火災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：隨著交通運輸的快速發(fā)展，公路隧道火災監(jiān)測與報警越來越重要。目前分布式光纖測溫系統(tǒng)已被廣泛應用到隧道火災的監(jiān)測中，外界風速和隧道斷面對火災監(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數值模擬和全尺寸實驗模擬不同高度的公路隧道發(fā)生火災時，分布式光纖測溫系統(tǒng)的報警響應情況。結果表明：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探測系統(tǒng)報警響應時間延長，可能會不報警。關鍵詞：公路隧道；分布式光纖；響應時間；數值模擬；全尺寸實驗中圖分類號：TU551；X932 文獻標志碼：A0 引言隨著經濟與社會的發(fā)展，隧道已成為交通運輸網絡中一個重要組成部分1。據交通部統(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，在半封閉空間里火災釋放的熱量和煙氣對人體和隧道內設施造成傷害和破壞，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。在公路隧道中設置火災監(jiān)測與報警系統(tǒng)，及時探測隧道火災的發(fā)生，在火災發(fā)生的初期就給出警報，及時進行救災處理，就能夠避免火災的擴大，減少人員傷亡和財產損失5。光纖傳感器有抗電磁干擾能力強、尺寸小、重量輕、結構簡單、復用能力強、傳輸距離遠、耐腐蝕、高靈敏度等優(yōu)點，已被廣泛應用到隧道火災的監(jiān)測中6 。1 分布式光纖測溫系統(tǒng)分布式溫度傳感(DTS)技術是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感技術7。分布式光纖測溫系統(tǒng)是基于

4、光子的拉曼散射(Raman Scattering)溫度效應和光纖的光時域(OTDR)技術實現的。光在光纖中傳輸時,與光纖中的分子、雜質等相互作用,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、油井礦井等領域的溫度監(jiān)控手段9。目前關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規(guī)定。在火災發(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)能否對火災初期階段小功率火源及時進行報警還有待研究。2 數值模擬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分為三種火災規(guī)模：小型火災，一輛轎車起火(3MW)；中型火災，一輛載重卡車起火(20MW)；大型火災，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撲救設計，因此火災模擬中選取火災規(guī)模(1.8MW)。火源位于距離隧道入口15m處，模擬時假設火源面積為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。隧道進口設定風速為2m/s，方向為左端吹入，出口為開放條件。隧道內的環(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，熱釋放速率隨時間而變化的火災是非穩(wěn)態(tài)火災。本文選用t2模型來近似非穩(wěn)態(tài)火災。 （1）式中：Q為火災功率，kw；為火災增長系數，kw/s2；t為燃燒的時間，s。本文隧道火災設置為超快速火災，火災增長系數=0.1878 kw/s2。由公式（1）可得，當t98s時，火災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。設定網格大小為0.5m×0.5m×0.2m，模擬時間選取10min。2.2 單隧道火災場景模擬結果選取高度為8m時，對單隧道火災場景模擬結果進行分析。

8、隧道火災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探測系統(tǒng)在火災中響應時間，統(tǒng)計G1G30在火災發(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報警探測器設置的報警閾值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)的報警位置出現在火源下風處，這是因為在外界風力的作用下，火災煙氣向下風處蔓延，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，此時火災已經發(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 不同高度隧道火災場景模擬結果分析為了研究不同高度公路隧道火災中分布式光纖測溫系統(tǒng)感溫火災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時最高溫度出現在G18（即火源下風處3m）處，h=11m、12m時最高溫度出現在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時間越來越長。這是因為在縱向風的作用下，火災煙氣向下風處蔓延，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)感溫火災探測系統(tǒng)火災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、要設置差溫型火災探測器對其進行報警響應。表2隧道高度與響應時間Tab.2 the tunnel height and response time隧道高度(m)56789101112響應時間（s）74801061111281342133 實驗設置3.1 實驗模型介紹該實驗隧道長30m、寬8m、高8m，隧道采用鋼架結構，模擬隧道內壁采用防火板蒙上，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)感溫火災報警系統(tǒng)設計、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 實驗工況設置本實驗主要針對早期火災撲救設計，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 實驗結果及分析分布式光纖測溫系統(tǒng)將模擬隧道內部的溫度記錄下來，圖7（a）、（b）、（c）、（d）分別對應序號為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，最高溫度出現位置較火源有偏移。這一結果也和2.3隧道火災模擬部分相一致，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)定溫型報警閾值設為70，差溫報警閾值為7/min。四組實驗結果顯示，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，火災報警時間延長；同樣高度隧道火災中，火源功率越大，火災報警時間越短。表4 實驗報警結果記錄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

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

23、ulation4 結論通過FDS數值模擬和全尺寸實驗模擬不同高度的公路隧道發(fā)生火災時，分布式光纖測溫系統(tǒng)的報警響應情況，結果表明數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，此時需要設置差溫型火災探測器對其進行報警響應。（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火災有很好的響應，系統(tǒng)可靠性較高。當隧道高度從5m增加到8m時

24、，火災報警時間延長；同樣高度隧道火災中，火源功率越大，火災報警時間越短。（4）在實際現場分布式光纖安裝使用中，要根據具體隧道的高度，當地的風速等綜合考慮，設定火災探測器的報警閾值。參考文獻：1 易賽莉.公路隧道火災煙氣特性數值模擬分析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.公路隧道火災危害及疏散方式探討J.湖南安全與防災,2012,8:44-51.4 王少飛,林志,余順.公路隧道火災事故特性及危害J.消防科學與技術,2011,30(4) :337-340.5 趙忠杰.公路隧道火災探測方法研究D.西安:長安大學,2007.6

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