分布式光纤测温系统在公路隧道火灾探测中响应特性研究(火灾科学)1126.docx

 PAGE \* MERGEFORMAT 14 分布式光纤测温系统在公路隧道火灾探测中 响应特性研究作者简介：江梦梦（1987-），女，江苏人，工学硕士研究生，研究方向：从事消防工程方面的研究。 导师简介：姚斌（1971-），男，安徽人，中国科学技术大学副教授，工学博士, binyao@; 江梦梦1，姚斌1，成艳英2 （1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116) 摘 要：随着交通运输的快速发展，公路隧道火灾监测与报警越来越重要。目前分布式光纤测温系统已被广泛应用到隧道火灾的监测中，外界风速和隧道断面对火灾监测有一定的影响。本文首先介绍了分布式光纤测温系统的原理，然后通过FDS数值模拟和全尺寸实验模拟不同高度的公路隧道发生火灾时，分布式光纤测温系统的报警响应情况。结果表明：在外界风力作用下，传感器的报警位置发生显著偏移；随着隧道高度的增加，分布式光纤感温火灾探测系统报警响应时间延长，可能会不报警。 关键词：公路隧道；分布式光纤；响应时间；数值模拟；全尺寸实验 中图分类号：TU551；X932 文献标志码：A 0 引言 随着经济与社会的发展，隧道已成为交通运输网络中一个重要组成部分[1]。据交通部统计，截止到2011年底，全国公路隧道为8522处、625.34万米，其中，特长隧道326处、143.32万米，长隧道1504处、251.84万米[2]。公路隧道一旦发生火灾，在半封闭空间里火灾释放的热量和烟气对人体和隧道内设施造成伤害和破坏，且烟雾难以排出，火势扑救和人员疏散困难，救援难度大，往往会造成极具破坏性和危险性的后果[3,4]。在公路隧道中设置火灾监测与报警系统，及时探测隧道火灾的发生，在火灾发生的初期就给出警报，及时进行救灾处理，就能够避免火灾的扩大，减少人员伤亡和财产损失[5]。光纤传感器有抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、结构简单、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、高灵敏度等优点，已被广泛应用到隧道火灾的监测中[6] 。 1 分布式光纤测温系统 分布式温度传感(DTS)技术是一种用于实时测量空间温度场分布的传感技术[7]。分布式光纤测温系统是基于光子的拉曼散射(Raman Scattering)温度效应和光纤的光时域(OTDR)技术实现的。光在光纤中传输时,与光纤中的分子、杂质等相互作用,发生米氏散射、瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等,其中拉曼散射是由于光纤中分子的热运动与光子相互作用发生能量交换而产生的[8]。 相对于传统的温度传感器，分布式光纤温度传感器还具有单位成本低、抗电磁辐射干扰能力强、易于在各种复杂的待测地理环境中施工的一些优点，常常被用做高压电力线路、变电站、地铁隧道、炼油厂、油井矿井等领域的温度监控手段[9]。 目前关于分布式光纤测温系统在隧道中施工安装的要求，可参考湖南省和湖北省地方规范[10,11]，规范对于分布式光纤测温系统适用的隧道高度没有相关规定。在火灾发生时，随着隧道高度的增加，隧道顶棚温度降低，外界风速也对报警位置有所影响。因此，在一定的风速作用下，对于不同高度的公路隧道，分布式光纤测温系统能否对火灾初期阶段小功率火源及时进行报警还有待研究。 2 数值模拟 2.1 模型建立 本文以某一地区常见的公路隧道为研究对象，运用FDS模拟软件，建立隧道模型如图1所示，隧道长30m，宽8m，常见的隧道高度为5m~12m，故本文高度取值5m，6m，7m，8m，9m，10m，11m，12m进行对比研究。一般而言公路隧道火灾分为三种火灾规模：小型火灾，一辆轿车起火(3MW)；中型火灾，一辆载重卡车起火(20MW)；大型火灾，两辆载重卡车(两辆公共汽车)互撞起火(50MW)。本文主要针对早期火灾扑救设计，因此火灾模拟中选取火灾规模(1.8MW)。火源位于距离隧道入口15m处，模拟时假设火源面积为1.6m×2.0m。在距隧道顶部0.2m高度位置每隔1.0m设置一个温度监测点，即感温探测器所在的位置，用以监测隧道内的温度变化情况，从左到右依次为G1～G30，其中G15位于火源正上方，G30位于出口处。隧道进口设定风速为2m/s，方向为左端吹入，出口为开放条件。隧道内的环境温度为20℃，壁面的初始温度也为20℃。 8m Y X Z U=2m/s 15m 15m G1～G15 G16～G30 图1 隧道模型 (单位：m) Fig.1 Tunnel Model (unit: m) 火灾模型可分为稳态模型和非稳态模型两种。热释放速率不变的火源为稳态火灾，热释放速率随时间而变化的火灾是非稳态火灾。本文选用t2模型来近似非稳态火灾。