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

1、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

2、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：A0 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

3、。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

4、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

5、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5m12m，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

6、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G1G30，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。8mYXZU=2m/s15m15mG1G15G16G30图1 隧道模型 (单位：m)Fig.1 Tunnel Mod

7、el (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。 （1）式中：Q为火灾功率，kw；为火灾增长系数，kw/s2；t为燃烧的时间，s。本文隧道火灾设置为超快速火灾，火灾增长系数=0.1878 kw/s2。由公式（1）可得，当t98s时，火灾功率才能达到本文所取的1.8MW，进入完全燃烧阶段，此后视为恒定功率。设定网格大小为0.5m×0.5m×0.2m，模拟时间选取10min。2.2 单隧道火灾场景模拟结果选取高度为8m时，对单隧道火灾场景模拟结果进行分析。

8、隧道火灾温度变化是由烟气扩散引起的，首先考察烟气蔓延情况，截取时间在60s，90s，150s，300s烟气分布三维图，如图2所示。从图中可以看出，当风速为2m/s时，烟气在风力作用下向火源下风处蔓延，60s时烟气还没有完全上升到顶棚位置；随着时间增加，烟气在火源下风处附近首先到达顶棚位置，为探测火情提供了有利条件；300s时烟气运动趋于稳定。（a）（b）（c）（d）图2 隧道高度为8m情况下t=60s（a）、t=90s（b）、t=150s（c）、t=300s（d）时火灾烟气蔓延图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.为了直观的分析火灾探测系统在火灾中响应时间，统计G1G30在火灾发生过程中测得的最高温度，制成曲线图如图3所示，其中火源位于X=15m处。从图中可以看出火源上风处温度几乎等于环境温度20，这是因为隧道内的纵向风速大于“临界纵向抑制风速”，烟气运动沿火源下游方向单向蔓延。火源正上方探测器G15最高温度为58，最高温度出现在位于火源下风3m处的探测器G18附近，温度为79。从G18探测器开始，下风处随着距离的增加温度逐渐下降。G17G20监测点的温度超过一般定温型的火灾报警探测器设置的报警阈值70，可以报警，统计其达到报警

10、阈值的时间如表1所示。图3隧道高度h=8m各个探测器的最高温度Fig.3 highest temperature of each detector when h=8m表1显示，在G17G20温度监测点中，监测点G20在t=128s时最先达到报警温度70，在风速为2m/s时，分布式光纤测温系统的报警位置出现在火源下风处，这是因为在外界风力的作用下，火灾烟气向下风处蔓延，烟气在离开火源一定距离后向上运动到达顶棚，即报警位置较实际火源位置沿隧道风向发生了偏移。图4（a）显示t=128s时y=0m纵截面上温度分布云图，在风速的作用下，火源下风处温度增加，且最高温度出现在火源下风处，距离火源5m的监测点

11、G20附近温度上升到报警阈值，下风处的其他探测器所在的位置温度有所升高，但低于报警阈值，火源正上方顶棚温度变化不大。随后监测点G19、G18、G17也相继达到70。而位于火源正上面的G15，其温度没有达到报警温度。图4（b）为y=0m纵截面上t=300s时温度分布云图，此时火灾已经发展到一定规模，火源温度趋于稳定，下风处顶棚温度升高，多个探测器所在位置温度高于临界温度。表1 监测点G16G19的达到报警阈值的时间Tab.1 Alarm response time of monitoring G16G19监测点G17G18G19G20时间/s298146133128 （a） （b）图4 隧道高度

12、为8m情况下t=128s（a）、t=300s（b）时温度分布图Fig.4 temperature distribution at the time of 128s（a）、300s（b）when h=8m2.3 不同高度隧道火灾场景模拟结果分析为了研究不同高度公路隧道火灾中分布式光纤测温系统感温火灾探测器的适用性问题，本文分别模拟了隧道高度h=5m，6m，7m，8m，9m，10m，11m，12m时火灾情况，火源功率取1.8MW，纵向风速2m/s，通过模拟得到温度探测器G1G30的温度变化情况。图为隧道高度5m12m的情况下，G1G30各个探测器在火灾发生过程中测得的最高温度制成曲线。从图中可得，

13、随着隧道高度的增加，顶棚温度降低。当隧道高度为12m时，最高温度为64，低于报警阈值70。各场景最高温度都出现在火源的下风处，之后随着距离增大温度逐渐下降。隧道高度为5m、6m、7m时最高温度由监测点G16所测（即火源下风处1m），而h=8m、9m、10m时最高温度出现在G18（即火源下风处3m）处，h=11m、12m时最高温度出现在G19（即火源下风处4m）处。因此，风速为2m/s时，顶棚最高温度会向火源下风处偏移，且偏移距离随着隧道高度的增加而增大。图5 不同隧道高度时，各个探测器的最高温度Fig.5 highest temperature of each detector with di

14、fferent tunnel height表2为隧道高度h=5m12m时，探测器达到报警阈值所用的响应时间。从表中可知，当隧道高度较低时，探测器可较快达到定温型报警阈值，随着隧道高度的增加，感温探测器达到报警所需的响应时间越来越长。这是因为在纵向风的作用下，火灾烟气向下风处蔓延，虽然烟气上升速度不变，但烟气上升到隧道顶棚所用时间随着高度增加而延长，探测器所用时间也相应增加。而当高度达到h=12m时，顶棚的探测器温度低于报警温度，此时定温型探测器不能发挥作用。说明随着隧道高度的增加，分布式光纤测温系统感温火灾探测系统火灾报警所需的时间越来越长，达到一定高度以后，定温探测报警将无法正常工作，此时需

15、要设置差温型火灾探测器对其进行报警响应。表2隧道高度与响应时间Tab.2 the tunnel height and response time隧道高度(m)56789101112响应时间（s）74801061111281342133 实验设置3.1 实验模型介绍该实验隧道长30m、宽8m、高8m，隧道采用钢架结构，模拟隧道内壁采用防火板蒙上，隧道示意图如图6所示。采用汽油盘作为模拟火源，位于隧道中间位置。距模拟隧道顶部0.2m左右纵向布置钢绞线，将感温光纤捆绑在钢绞线上。具体的分布式光纤测温系统的安装方式参照DB42/ 348-2006分布式光纤测温系统感温火灾报警系统设计、施工及验收规范1

16、1。在隧道试验平台两端各布置一台风机，提供实验过程中的风速，实验中隧道风速设置为2m/s。图6 模拟隧道示意图Fig.6 the diagram of simulation tunnel实验室用的分布式光纤感温探测系统的主要性能指标如下：（1）传感信号类型：光强；（2）报警温度：70（可设定）；（3）外径：3.0mm；（4）测量时间：10s20s；（5）定位精度：±1m；（6）损耗敏感度：敏感；（7）传输距离：2km12km。（8）最小弯曲半径：300mm。3.2 实验工况设置本实验主要针对早期火灾扑救设计，因此本试验主要选取1×1m290#汽油火作为模拟火源，火源功率为1

17、.8MW左右，其次选取了火源功率为0.45MW左右的0.5×0.5m290#汽油火。具体实验工况如表3所示。表3 实验工况统计Tab.3 the statistical of experimental conditions实验序号火源种类隧道高度火源功率风速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 实验结果及分析分布式光纤测温系统将模拟隧道内部的温度记录下来，图7（a）、（b）、（c）、（d）分别对应序号为1、2、3、4

18、的实验中不同时间测得温度变化图，时间选取为30s、60s、90s以及各工况达到最高温度的时刻。图中所示，在四组实验中，（a）、（c）为h=5m，X=16m处温升最快，且温度最高；（b）、（d）为h=8m，X=18m处温升最快。而火源位于X=15m处正下方，最高温度出现位置较火源有偏移。这一结果也和2.3隧道火灾模拟部分相一致，说明在一定风速下，报警位置较实际火源位置沿隧道风向发生偏移，且随着隧道高度的增加，偏移量有所增加。（a）（b）（c）（d）图7 不同隧道高度和火源功率时的温度：（a）火源0.45MW，隧道高度h=5m；（b）火源为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同等火源功率条件下，隧道高度为8m时传感器所测量的温度低于5m时传感器的温度，且8m时温度变化较为平缓。这是因为在纵向风的作用下，大部分的烟气向火源下游方向扩散，带走了一部分热量，少量烟气到达8m高度，降低了温升幅度。虽然向火源上游扩散的烟气相对较少，但是也削弱了烟气对火焰辐射的阻挡作用，受火焰的辐射作用

20、，X=15m处也能测得较为明显的温度变化。在火源功率为0.45MW时，5m和8m高的隧道在132s时各工况测得最高温度，h=5m时最高温度为77，其中X=16m、17 m的温度均可达到报警温度70，达到报警阈值的时间为95s；h=8m时最高温度仅为38，低于一般定温型报警阈值70。而火源功率为1.8MW时，5m、8m高的隧道各探测器分别在120s、100s测得最高温度，h=5m时最高温度为105，其中X=12m到X=19m的温度都超过报警响应温度70，达到报警阈值的时间为63s；h=8m时X=18m最高温度为72，其中X=16m、17m均可达到报警温度，响应时间为93s。因此隧道高度从5m增加

21、到8m时，分布式光纤感温探测系统达到报警阈值的时间变长，在火灾功率0.45MW时，甚至失效。本次实验中分布式光纤感温探测系统定温型报警阈值设为70，差温报警阈值为7/min。四组实验结果显示，均为差温型报警，各组实验系统报警时间及记录的报警差温如表4所示，结果显示，各组报警时间均符合要求。当隧道高度从5m增加到8m时，火灾报警时间延长；同样高度隧道火灾中，火源功率越大，火灾报警时间越短。表4 实验报警结果记录Tab.4 records on the results of experiment实验序号1234报警时间/14281219报警差温/14.9110.1121.2621.23.4 实验结

22、果与数值模拟对比分析图8为隧道高度5m、8m时，实验测得的隧道顶部最高温度与FDS数值模拟结果。对比结果可得到以下结论：（1）FDS数值模拟与实验结果偏移量一致：隧道高度h=5m时，最高温度都出现在X=16m，即火源下风处1m；h=8m时，最高温度都出现在X=18m，即火源下风处3m。（2）实验结果略低于数值模拟：隧道高度h=5m时，数值模拟最高温度125，实验最高温度105；隧道高度h=8m时，数值模拟最高温度79，实验最高温度72。图8 试验结果与数值模拟对比分析Fig.8 the comparative analysis of test results and numerical sim

23、ulation4 结论通过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，结果表明数值模拟与实验测得的偏移量一致，实验测得的温度值略低于数值模拟。（1）在外界风力作用下，报警位置较实际火源位置沿隧道风向发生偏移；当外界风速相同时，偏移量随着隧道高度的增加而加大。（2）随着隧道高度的增加，分布式光纤测温系统报警响应时间延长，达到一定高度以后，定温探测报警将无法正常工作，此时需要设置差温型火灾探测器对其进行报警响应。（3）分布式光纤测温系统采用差温报警时，对火源功率为0.45MW和1.8MW火灾有很好的响应，系统可靠性较高。当隧道高度从5m增加到8m时

24、，火灾报警时间延长；同样高度隧道火灾中，火源功率越大，火灾报警时间越短。（4）在实际现场分布式光纤安装使用中，要根据具体隧道的高度，当地的风速等综合考虑，设定火灾探测器的报警阈值。参考文献：1 易赛莉.公路隧道火灾烟气特性数值模拟分析J.公路交通科技, 2010,27(1):89-942 中国交通运输部.公路水路交通行业发展统计公报3 徐志胜.公路隧道火灾危害及疏散方式探讨J.湖南安全与防灾,2012,8:44-51.4 王少飞,林志,余顺.公路隧道火灾事故特性及危害J.消防科学与技术,2011,30(4) :337-340.5 赵忠杰.公路隧道火灾探测方法研究D.西安:长安大学,2007.6

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26、 DB42/348-2006分布式光纤测温系统感温火灾报警系统设计、施工及验收规范S.武汉:湖北省质量技术监督局,200614Investigation about Response Characteristics of Distributed Optical Fiber Temperature Testing System in Highway Tunnel Fire DetectionJIANG Mengmeng1，YAO Bin1，CHENG Yanying2(1.The State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technologyof China, Hefei 230026 Anhui China；2. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116 Jiangsu China)Abstract: With the developmen