一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统及控制方法 |
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| 申请号 | CN202310167984.1 | 申请日 | 2023-02-27 | 公开(公告)号 | CN116030682B | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 中国科学技术大学; | 发明人 | 易继威; 唐飞; 黄亚军; 胡隆华; 张晓磊; 樊新阳; 孙协鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高速轨道交通列车 车顶 火灾模拟系统及控制方法，该系统包括：轨道交通隧道主体以及布置于隧道内的列车轨道驱动系统、列车模型以及设置于列车模型顶部的车顶火灾模拟装置和系统、 数据采集 系统；其中，隧道主体由多段缩尺寸模型实验标准段拼接组成，列车模型通过轨道 同步带 驱动系统实现高速移动，数据采集系统包括 温度 测量单元、热流测量单元、烟气层测量单元和摄像单元。本发明通过在高速列车模型车顶布置 铝 合金 燃烧器 系统，以模拟实际的轨道交通运行列车车顶着火场景，可研究 活塞 风 、外部 辐射 和 环境温度 外部因素及其耦合作用对 铝合金 大尺度火蔓延的影响，通过对其火灾演化场景进行监测分析，为轨道交通列车火灾的防治提供参考。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高速轨道交通列车车顶的火灾模拟系统，其特征在于，包括：轨道交通隧道主体(1)、布置于所述轨道交通隧道主体(1)内的列车轨道驱动系统(8)、列车模型(5)以及设置于列车模型(5)顶部的铝合金燃烧器系统、数据采集系统； |
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| 说明书全文 | 一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统及控制方法技术领域[0001] 本发明涉及火灾燃烧模拟系统和控制方法，尤其是高速轨道交通列车车顶火灾的实验模拟和控制，用于轨道交通列车火灾的研究。 背景技术[0002] 随着我国城市化进程的不断加快，轨道交通以其方便快捷、节约空间资源等特点在现代化城市交通网络中发挥着越来越重要的作用，但长大轨道交通隧道一旦发生火灾造成的影响及对人员隧道结构安全的威胁是巨大的。车体是城市轨道交通中车辆中最重要的组成部件之一，由底架、两侧墙(包括车门、车窗)、前后端墙、车顶等6大部分组成。随着科技日新月异，轨道交通列车车体朝轻量化、大载荷、高速度和高稳定的方向发展，主要采用大断面中空挤压铝型材模块化车体结构设计，采用整体承载结构。 [0003] 目前城市轨道交通车辆中车体结构使用的材料主要为车辆专用经济不锈钢和铝合金，它包括自支撑构架，用螺栓连接的司机室和中间端，车体构架和中间端是由铝合金大型型材和铝合金板组成，而司机室是由型钢构成的，相较于不锈钢车体，铝合金车体具有车体重量轻、车辆密封性好，车体刚度大等优点。 [0004] 针对轨道交通隧道火灾，国内外已经建立了不同比例和可实现不同功能的隧道火灾实验平台，但现有的隧道火灾模拟实验系统大多只适用于研究隧道内列车处于静止或者低速运动状态时的火灾特性，无法进一步研究轨道交通列车在隧道内高速运动这一更符合实际情况的场景。且现有隧道火灾实验平台所采用的火源大部分为油盘或油池燃烧器，并放置在列车车厢内，以模拟列车车厢着火场景，但在轨道交通列车高速移动的情况下液体燃料容易溢出，且无法更加真实地模拟轨道交通列车车顶位置发生火灾的情形，以及列车火灾出现的火蔓延行为，从而无法针对高速列车车顶火灾场景进行更加深入的研究，以及提供更加有效的火灾防治参考。 发明内容[0005] 本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种高速轨道交通列车火灾模拟系统及控制方法，以期能模拟真实轨道交通列车在高速运行状态下发生车顶火灾的场景，并对列车顶部大尺度火蔓延行为以及隧道顶棚的温度、热流和烟气层演化规律进行模拟，从而能进一步研究其演化规律，并在轨道交通列车发生火灾时帮助制定最佳的应急处理方案。 [0006] 本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案： [0007] 本发明一种高速轨道交通列车车顶的火灾模拟系统的特点在于，包括：轨道交通隧道主体、布置于所述轨道交通隧道主体内的列车轨道驱动系统、列车模型以及设置于列车模型顶部的铝合金燃烧器系统、数据采集系统； [0008] 所述轨道交通隧道主体是主体框架上拼接有若干个标准段；任意一个标准段由地板、顶棚以及两侧墙壁组成，其中地板、顶棚以及一侧墙壁由耐高温的防火板构成，另一侧墙壁为耐高温观察窗，在隧道主体入口侧依次布置风机和电加热器，从而利用风机将所述电加热器产生的热量输送到隧道内部，以改变隧道内部的温度，并在隧道主体侧壁上设置有气温计，用于采集隧道内部环境温度；在隧道主体出、入口侧分别布置热线风速仪，用于采集出、入口侧的风速； [0009] 所述列车模型由若干个节车厢组成，各节车厢之间通过车钩缓冲装置连接；每节车厢的底部设置有滚轮，所述列车模型的顶部设置有凹槽，用于放置铝合金燃烧器系统，在所述列车模型顶部上方利用可伸缩支架布置有辐射板，并通过可伸缩支架调节所述辐射板的高度，所述辐射板正对着铝合金燃烧器系统，用于提供热辐射； [0013] 所述数据采集系统包括：温度测量单元、热流测量单元、烟气层测量单元和摄像单元； [0014] 所述摄像单元设置在所述耐高温观察窗的外侧，并固定在所述列车模型外侧的传动轨道上，并由所述控制器控制所述摄像单元在传动轨道上与所述列车模型保持同步运动，从而采集火灾图像信息以记录火灾发展过程，并传输给所述电脑进行存储； [0015] 所述温度测量单元、热流测量单元和烟气层测量单元分别间隔一定距离布置在所述轨道交通隧道主体的顶棚内侧，用于实时采集不同隧道位置处的温度、热流和烟气层高度的火灾特性参数并传输给所述电脑进行存储； [0016] 所述铝合金燃烧器系统包括：铝合金框架、燃料托盘、电子天平和升降台； [0017] 所述升降台固定在列车模型的车厢地板上，在所述升降台上设置有所述电子天平，在所述电子天平上设置有所述燃料托盘，且所述燃料托盘由耐高温的防火板构成，用于隔热；在所述燃料托盘上设置有铝合金框架，并通过所述升降台调节所述铝合金框架的高度，使得所述铝合金框架与所述列车模型的车顶平齐，所述电子天平用于采集所述铝合金框架的质量并传输给所述电脑进行存储。 [0018] 本发明所述的一种高速轨道交通列车车顶的火灾模拟系统的特点也在于，所述铝合金燃烧器系统中，在所述铝合金框架前缘处布置电加热棒，用于点火；沿所述铝合金框架的中心线位置等距离布置有若干个热流计，且所述热流计的上表面与所述铝合金框架的表面平齐；利用所述热流计采集铝合金火蔓延过程中材料表面接收到的热流，并利用所述摄像单元采集铝合金火蔓延过程的视频。 [0019] 本发明一种基于所述的高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统的控制方法的特点在于，是按以下步骤进行： [0020] 步骤一：所述控制器设置运行参数，包括：加速和减速时间、最大速度及匀速运行时间；若模拟系统进行活塞风影响研究，则执行步骤二；若模拟系统进行外部辐射影响研究，则执行步骤三；若模拟系统进行环境温度影响研究，则执行步骤四； [0021] 步骤二：打开所述热线风速仪采集风速数据，并执行步骤五； [0022] 步骤三：打开所述辐射板并设置相应大小的热辐射值后，并执行步骤五； [0023] 步骤四：打开所述风机和电加热器并调节输出功率，当气温计达到所预设的温度时，执行步骤五； [0024] 步骤五：启动所述电加热棒对所述铝合金框架的前缘持续加热一段时间，若铝合金框架的前缘被点燃，则关闭并移除所述电加热棒，启动所述数据采集系统和所述控制器，使得所述列车模型和摄像单元按照设定的参数同步移动，所述数据采集系统同步实时采集实验数据；否则，执行步骤七； [0025] 步骤六：判断所述列车模型运行过程中铝合金框架的燃烧情况，若燃烧产生稳定的火焰，则执行步骤九；否则，执行步骤八； [0026] 步骤七：关闭所述电加热棒，更换不同的铝合金框架，并增加电加热棒的输出功率后，执行步骤五； [0027] 步骤八：所述列车模型运行结束后，关闭所述数据采集系统，将所述列车模型和摄像单元的位置复原，更换不同的铝合金框架，并在所述铝合金框架的前缘处布置电加热棒后，执行步骤五； [0028] 步骤九；所述列车模型与摄像单元一起按照设定的参数运行结束后，关闭所述数据采集系统； [0029] 步骤十：所述电脑对所述数据采集系统获取的实验数据进行处理和分析： [0030] 步骤10.1、将所述热流测量单元采集的不同隧道位置处的热流数据乘以对应的转换系数，从而得到不同隧道位置处的热流密度数值； [0031] 步骤10.2、利用式(1)计算隧道某一位置处的温度误差ΔTr： [0032] [0034] 步骤10.3、利用MATLAB软件对铝合金火蔓延过程的视频进行预处理，提取火蔓延过程中的火焰形态特征参数，以时间t为x轴，所述火焰形态特征参数中热解前锋的长度为y轴，拟合热解前锋位置随时间t变化的关系曲线，并利用式(3)计算关系曲线稳定段的斜率Vf，并作为铝合金大尺度火蔓延速度： [0035] Vf＝dxp/dt (2) [0036] 式(2)中，xp为热解长度，即热解前锋位置与铝合金框架前缘位置的距离； [0037] 步骤10.4、在顺流作用下，利用式(4)得到热薄型固体材料的火蔓延速度Vf′： [0038] [0039] 在顺流作用下，利用式(5)得到热厚型固体材料的火蔓延速度Vf″： [0040] [0041] 式(3)和(4)中，δf为火焰预热长度，即为所述火焰形态特征参数中火焰长度xf与热解长度xp的差值， 为火焰预热长度δf对应的预热区的总热流，ρs为铝合金框架的密度，cp为铝合金框架的比热容，d为铝合金框架的厚度，Tig为铝合金框架的引燃温度，Ts为环境温度； [0042] 步骤10.5、根据式(2)～式(4)中，得到不同活塞风、外部辐射和环境温度外部因素对铝合金火蔓延的影响规律。 [0043] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于： [0044] 1、本发明采用同步带传动的滚轮V型导轨作为列车轨道，实现了列车模型的高速移动，可更加真实的模拟轨道交通列车在高速运行状态下发生火灾的场景，便于进一步开展研究，为轨道交通隧道火灾的防治提供参考，具有良好的社会效益； [0045] 2、本发明提供了模拟轨道交通列车车顶铝合金火灾燃烧模拟装置和控制方法，研究了活塞风、外部辐射和环境温度等外部因素及其耦合作用对轨道交通车顶典型大尺度火蔓延的影响，这是首次设计的模拟装置，实现了对轨道交通列车车顶在隧道内发生火灾场景的缩尺度实验模拟，更加符合轨道交通列车发生车顶火灾的情形； [0046] 3、本发明通过将高速摄像机固定在隧道外部的轨道驱动系统上，采用与列车模型并行移动的方式实现对火灾发展过程的拍摄，列车模型开始运动时布置在隧道顶棚的温度、热流和烟气层测量单元自动实时采集相应数据，实现了联动测量，可更加精确的获取轨道交通列车火灾演化规律。附图说明 [0047] 图1为本发明的一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统正视图； [0048] 图2为本发明的一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统侧视图； [0049] 图3为本发明的一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统俯视图； [0050] 图4为活塞风影响研究系统结构图； [0051] 图5为外部辐射影响研究系统结构图； [0052] 图6为环境温度影响研究系统结构图； [0053] 图中标号：1.隧道模型；2.温度测量单元；3.热流测量单元；4.烟气层测量单元；5.列车模型；6.列车滚轮；7.车钩缓冲装置；8.列车轨道驱动系统；9.限位开关；10.V型导轨；11.隧道支架；12.法兰；13.铝合金框架；14.燃料托盘；15.电子天平；16.升降台；17.电脑； 18.导线；19.电源；20.驱动电机；21.控制器；22.耐高温观察窗；23.摄像单元；24.摄像单元传动轨道；25.热流计；26.电加热棒；27.热线风速仪；28.可伸缩支架；29.辐射板；30.风机； 31.电加热器；32.气温计。 具体实施方式[0054] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0055] 本实施例中，如图1所示，一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统，包括：轨道交通隧道主体1、布置于轨道交通隧道主体1内的列车轨道驱动系统8、列车模型5以及设置于列车模型5顶部的铝合金燃烧器系统、数据采集系统； [0056] 轨道交通隧道主体1是主体框架上拼接有若干个标准段；任意一个标准段由地板、顶棚以及两侧墙壁组成，其中地板、顶棚以及一侧墙壁由耐高温的防火板构成，另一侧墙壁为耐高温观察窗22； [0057] 列车模型5由若干个节车厢组成，各节车厢之间通过车钩缓冲装置7连接；每节车厢的底部设置有滚轮6，列车模型5的顶部设置有凹槽，用于放置铝合金燃烧器系统； [0058] 列车轨道驱动系统8包括：轨道、驱动电机20、控制器21和电源19； [0059] 轨道为皮带驱动的V型导轨10，并铺设在每个标准段的地板上，在V型导轨10上设有可移动的限位开关9； [0060] 控制器21用于设置列车模型5的运行参数，并根据运行参数，利用变频器实现对驱动电机20的变频控制，从而调节列车模型5在轨道交通隧道主体1的轨道上的运行速度； [0061] 铝合金燃烧器系统包括：铝合金框架13、燃料托盘14、电子天平15和升降台16； [0062] 升降台16固定在列车模型5的车厢地板上，在升降台16上设置有电子天平15，在电子天平15上设置有燃料托盘14，且燃料托盘14由耐高温的防火板构成，用于隔热，在燃料托盘14上设置有铝合金框架13，并通过升降台16调节电子天平15的高度，使得铝合金框架13与列车模型5的车顶平齐，电子天平15用于采集铝合金框架13的质量并传输给电脑17进行存储。 [0063] 本实施例中，如图2所示，数据采集系统包括：温度测量单元2、热流测量单元3、烟气层测量单元4和摄像单元23； [0064] 温度测量单元2、热流测量单元3和烟气层测量单元4间隔一定距离布置在轨道交通隧道主体1的顶棚内侧，用于实时采集不同隧道位置处的温度、热流和烟气层高度的火灾特性参数并传输给电脑17进行存储； [0065] 摄像单元23设置在耐高温观察窗22的外侧，并固定在列车模型5外侧的传动轨道24上，并由控制器21控制摄像单元23在传动轨道24上与列车模型5保持同步运动，从而采集火灾图像信息以记录火灾发展过程，并传输给电脑17进行存储； [0066] 本实施例中，如图3所示，铝合金燃烧器系统中，在铝合金框架13前缘处布置电加热棒26，用于点火；沿铝合金框架13的中心线位置等距离布置有若干个热流计24，且热流计24的上表面与铝合金框架13的表面平齐；利用热流计24采集铝合金火蔓延过程中材料表面接收到的热流，并利用摄像单元23采集铝合金火蔓延过程的视频； [0067] 铝合金框架熔点相对较低(650‑700℃)，耐火性能较差，在高温下容易发软变形，且轨道交通线路列车车顶的线路电压较高(1500V)，当列车顶部受电弓发生故障，其部件与车顶发生接触短路，产生的电弧会击穿车顶表面的喷漆或氧化层，或车顶的线缆发生火灾，暴露的铝合金易与空气中的氧气发生反应产生燃烧，且车顶处的车顶板结构与空气接触的表面积大，其火灾危险性较大，故采用铝合金框架作为实验燃料。 [0068] 本实施例中，如图4所示，在隧道主体1出、入口侧分别布置热线风速仪27，用于采集出、入口侧的风速； [0069] 本实施例中，如图5所示，在列车模型5顶部上方利用可伸缩支架28布置有辐射板29，并通过可伸缩支架28调节辐射板29的高度，辐射板29正对着铝合金燃烧器系统，用于提供热辐射； [0070] 本实施例中，如图6所示，在隧道主体1入口侧依次布置风机30和电加热器31，从而利用风机30将电加热器31产生的热量输送到隧道内部，以改变隧道内部的温度，并在隧道主体1侧壁上设置有气温计32，用于采集隧道内部环境温度； [0071] 本实施例中，一种高速轨道交通列车车顶火灾模拟系统的控制方法，是应用于火灾模拟系统中并按如下步骤进行： [0072] 步骤一：在控制器21设置运行参数，包括：加速和减速时间、最大速度及匀速运行时间；若模拟系统进行活塞风影响研究，则执行步骤二；若模拟系统进行外部辐射影响研究，则执行步骤三；若模拟系统进行环境温度影响研究，则执行步骤四； [0073] 步骤二：打开热线风速仪27采集风速数据，并执行步骤五； [0074] 步骤三：打开辐射板29并设置相应大小的热辐射值，并执行步骤五； [0075] 步骤四：打开风机30和电加热器31并调节输出功率，当气温计32达到所预设的温度时，执行步骤五； [0076] 步骤五：启动电加热棒26对铝合金框架13的前缘持续加热一段时间，若铝合金框架13的前缘被点燃，则关闭并移除电加热棒26，启动控制器21和数据采集系统，使得列车模型5和摄像单元23按照设定的参数同步移动，数据采集系统同步实时采集实验数据；否则，执行步骤七； [0077] 步骤六：判断列车模型5运行过程中铝合金框架13的燃烧情况，若燃烧产生稳定的火焰，则执行步骤九；否则，执行步骤八； [0078] 步骤七：关闭电加热棒26，更换不同的铝合金框架13，并增加电加热棒26的输出功率后，执行步骤五； [0079] 步骤八：列车模型5运行结束后，关闭数据采集系统，将列车模型5和摄像单元23的位置复原，更换不同的铝合金框架13，并在铝合金框架13的前缘处布置电加热棒26后，执行步骤五； [0080] 步骤九：列车模型5与摄像单元23一起按照设定的参数运行结束后，关闭数据采集系统； [0081] 步骤十：电脑17对数据采集系统获取的实验数据进行处理和分析： [0082] 步骤10.1、将热流测量单元3采集的不同隧道位置处的热流数据乘以对应的转换系数，从而得到不同隧道位置处的热流密度数值； [0083] 步骤10.2、利用式(1)计算隧道某一位置处的温度误差ΔTr： [0084] [0085] 式(1)中，εTC为温度测量单元2中热电偶的发射率，εg为气体发射率，Tg为隧道某一位置处热电偶测量的气体平均温度，h为对流换热系数，并通过式(2)计算得到： [0086] [0087] 式(2)中，kg为气体热导率，dTC为温度测量单元2中热电偶的直径，Nu、Re和Pr分别为努塞尔数、雷诺数和普朗特数； [0088] 步骤10.3、利用MATLAB软件对铝合金火蔓延过程的视频进行预处理，原始火焰视频经过处理依次转化为灰度火焰视频、二值化火焰视频，二值化视频中的每一帧图片通过叠加得到火焰平均概率分布云图，图片通过Tecplot软件处理，结合拍摄照片与实际的比例尺，提取火蔓延过程中的火焰形态特征参数，以时间t为x轴，火焰形态特征参数中热解前锋的长度为y轴，拟合热解前锋位置随时间t变化的关系曲线，并利用式(3)计算关系曲线稳定段的斜率Vf，并作为铝合金大尺度火蔓延速度： [0089] Vf＝dxp/dt (3) [0090] 式(3)中，xp为热解长度，即热解前锋位置与铝合金框架前缘位置的距离； [0091] 步骤10.4、在顺流作用下，利用式(4)得到热薄型固体材料的火蔓延速度Vf′： [0092] [0093] 在顺流作用下，利用式(5)得到热厚型固体材料的火蔓延速度Vf″： [0094] [0095] 式(4)和(5)中，δf为火焰预热长度，即为火焰形态特征参数中火焰长度xf与热解长度xp的差值， 为火焰预热长度δf对应的预热区的总热流，ρs为铝合金框架13的密度，cp为铝合金框架13的比热容，d为铝合金框架13的厚度，Tig为铝合金框架13的引燃温度，Ts为环境温度； [0096] 步骤10.5、根据式(3)～式(5)中，得到不同活塞风、外部辐射和环境温度外部因素对铝合金火蔓延的影响规律。 |
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