姜學(xué)鵬，陳 姝，周 健

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

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風(fēng)載環(huán)境下隧道光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)和報(bào)警特性

姜學(xué)鵬1,2，陳 姝1，周 健3，*

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

為研究風(fēng)載環(huán)境下的隧道線性感溫光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)特點(diǎn)及響應(yīng)閾值設(shè)定對(duì)報(bào)警結(jié)果的影響，以全尺寸隧道為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)2種光纖光柵(FBG)火災(zāi)探測(cè)器的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，分析2種不同風(fēng)載作用下報(bào)警閾值對(duì)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的影響及風(fēng)載對(duì)探測(cè)器響應(yīng)速率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：1)報(bào)警閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時(shí)，低風(fēng)速(0.4 m/s)下的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間縮短了24 s，而在高風(fēng)速(5 m/s)情況下，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間僅縮短了4 s，表明在低風(fēng)速情況下，F(xiàn)BG火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)更靈敏；2)風(fēng)速對(duì)火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散影響顯著，位于下風(fēng)向的光纖探測(cè)器響應(yīng)速率明顯高于上風(fēng)向的光纖探測(cè)器響應(yīng)速率，可由此作為推算煙氣移動(dòng)速度、到達(dá)位置及火災(zāi)時(shí)風(fēng)載速度的一種方法。

光纖光柵；隧道火災(zāi)；隧道風(fēng)載；溫度響應(yīng)特性

0 引言

火災(zāi)探測(cè)報(bào)警技術(shù)在隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，其中光纖傳感技術(shù)因以光為傳感信號(hào)，具備無(wú)電檢測(cè)、不受電磁干擾、可耐高溫、無(wú)零漂、精度高、體積微小、一根光纖可串接多個(gè)光柵等優(yōu)勢(shì)，在很多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的電測(cè)溫度報(bào)警技術(shù)[1-3]。

數(shù)學(xué)的科學(xué)性和嚴(yán)密性要求學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)要一絲不茍，在教學(xué)訓(xùn)練中應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生良好習(xí)慣，對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)良好習(xí)慣主要是不間斷地反復(fù)訓(xùn)練來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練使學(xué)生形成對(duì)待任何工作都認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，獨(dú)立思考、勇于克服困難的精神，敢于正視錯(cuò)誤、改正錯(cuò)誤的優(yōu)良品德。正確、積極地引導(dǎo)，從一點(diǎn)一滴抓起，既注意循序漸進(jìn)，又貫穿始終，如在進(jìn)行計(jì)算能力訓(xùn)練時(shí)，先要求學(xué)生認(rèn)真審題，在計(jì)算時(shí)要求學(xué)生一一步一-回頭，自覺(jué)進(jìn)行檢查，做錯(cuò)時(shí)及時(shí)糾正，自覺(jué)分析錯(cuò)誤原因，養(yǎng)成認(rèn)真計(jì)算的良好習(xí)慣。

作為光纖傳感的一種，光纖光柵傳感采用絕對(duì)波長(zhǎng)編碼檢測(cè)，傳感光源的功率波動(dòng)對(duì)信號(hào)無(wú)影響等優(yōu)勢(shì)，更加得到科研學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視[4-7]。國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)還制定了光纖火災(zāi)報(bào)警的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，各種新的、高精度的溫度探測(cè)器也得到不斷研發(fā)[10-12]。在光纖光柵溫度探測(cè)器的研制、標(biāo)定過(guò)程中，往往只重視其溫度靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量范圍等。報(bào)警閥值設(shè)置過(guò)低，則導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)率增高；而報(bào)警閥值設(shè)置過(guò)高，則導(dǎo)致報(bào)警響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，不利于火災(zāi)工況下的防災(zāi)救援工作快速開(kāi)展。在實(shí)際隧道內(nèi)往往伴隨著顯著的風(fēng)載，在縱向風(fēng)載的作用下，探測(cè)器附近火災(zāi)煙氣所帶熱能減少，不利于探測(cè)器的迅速升溫并報(bào)警。因此，原來(lái)設(shè)定的溫度報(bào)警閾值將在縱向風(fēng)速的作用下影響探測(cè)器的報(bào)警行為特性，且目前尚無(wú)可靠的實(shí)驗(yàn)或理論研究工作顯示光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的預(yù)設(shè)閾值與火災(zāi)報(bào)警速度之間的關(guān)系。

本文擬通過(guò)在隧道現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展實(shí)地研究，得到在不同風(fēng)載作用下報(bào)警溫度閾值設(shè)定對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響特性，以及風(fēng)載作用對(duì)FBG探測(cè)器的響應(yīng)特性的影響，研究結(jié)果可為掌握更加合理的探測(cè)器布置方法、定位精度及報(bào)警設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)。

二是民生水利建設(shè)提速升級(jí)。農(nóng)田水利萬(wàn)宗工程、千宗治洪治澇保安工程、千里海堤加固達(dá)標(biāo)工程和村村通自來(lái)水工程建設(shè)扎實(shí)推進(jìn)。19個(gè)中央財(cái)政小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣、88個(gè)省級(jí)小農(nóng)水示范鎮(zhèn)建設(shè)基本完成；中央和省級(jí)共42個(gè)小農(nóng)水重點(diǎn)縣建設(shè)順利推進(jìn)；117座重點(diǎn)小 （1）型、312宗重點(diǎn)?。?）型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固基本完工，79宗近期中小河流治理試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)基本完工，68個(gè)山洪災(zāi)害防治縣級(jí)非工程措施投入使用；15宗千里海堤加固達(dá)標(biāo)工程開(kāi)工建設(shè)；6個(gè)村村通自來(lái)水工程示范縣建設(shè)完成投資1.8億元，進(jìn)展態(tài)勢(shì)良好；新增農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)完成94%的投資量，年底前將全面完成建設(shè)任務(wù)。

1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

試驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)BG解調(diào)器實(shí)時(shí)記錄下探測(cè)器的波長(zhǎng)，以傳感器感受到溫度突然上升的時(shí)刻為煙氣到達(dá)傳感器所在位置的時(shí)刻，即可以繪制火災(zāi)煙氣到達(dá)時(shí)間和到達(dá)位置的曲線?；馂?zāi)發(fā)生位置在1#探測(cè)器右側(cè)的17 m處(見(jiàn)圖9)，5#傳感器首先探測(cè)到溫度突然升高。隨著時(shí)間的推移，煙氣向火源的上風(fēng)向與下風(fēng)向蔓延，相繼達(dá)到4#、6#、7#、1#傳感器處，13#探測(cè)器以后的7個(gè)探測(cè)器溫度上升結(jié)果不明顯，未列出相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)探測(cè)器5 m的間隔，可由此計(jì)算出煙氣移動(dòng)的速度。經(jīng)計(jì)算，煙氣向下風(fēng)的飄移速度為0.91 m/s，向上風(fēng)的飄移速度為0.57 m/s，如圖10所示。當(dāng)煙氣擴(kuò)散至1#探測(cè)器后，煙氣飄移速度下降到0.37 m/s，如圖9所示?？梢?jiàn)，風(fēng)載明顯改變了著火點(diǎn)的向上向下風(fēng)向的飄移速度，從而改變了位于著火點(diǎn)上風(fēng)向和下風(fēng)向探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間順序。

圖1 全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)圖

圖2 試驗(yàn)隧道的結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖3 火災(zāi)試驗(yàn)油盆

序號(hào)火源功率/MW火源位置縱向風(fēng)速/(m/s)FBG探測(cè)器個(gè)數(shù)FBG探測(cè)器間距/m111#與2#間0.4610211#與2#間5.0610314#與5#間0.7205417#與8#間0.7205

圖4 FBG探測(cè)器在隧道中的布設(shè)示意圖(單位：m)

圖5 FBG串縱向布置示意圖(單位：m)

2 分析與討論

2.1 風(fēng)載對(duì)FBG探測(cè)器溫度響應(yīng)時(shí)間的影響

由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生5 m/s的縱向風(fēng)，F(xiàn)BG解調(diào)器以1 Hz的頻率記錄所有探測(cè)器測(cè)量的溫度隨著時(shí)間的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出：隨著時(shí)間的推移，離火源最近的1#和2#探測(cè)器溫度變化并不明顯，而位于下風(fēng)側(cè)45～55 m處的3#和4#探測(cè)器溫度上升較為明顯，65 m處的5#探測(cè)器溫升也明顯高于1#和2#探測(cè)器。溫度上升最大點(diǎn)處并不在距離火源附近的2探測(cè)器處，其位置偏差超過(guò)10 m，該結(jié)論可為風(fēng)載明顯的隧道報(bào)警顯示的著火區(qū)域糾正提供重要參考。

圖6 不同位置的探測(cè)器的升溫梯度隨時(shí)間的變化曲線

Fig.6 Curves of temperature gradients of fire detectors at different positions vs.time

2)在低風(fēng)速0.4 m/s下，當(dāng)報(bào)警閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時(shí)，報(bào)警時(shí)間會(huì)從31 s減少到7 s，縮短了24 s；而在高風(fēng)速5 m/s情況下，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，同樣的閾值調(diào)整會(huì)使報(bào)警響應(yīng)時(shí)間從43 s減小到39 s，僅縮短了4 s。

圖7 風(fēng)速0.4 m/s時(shí)，預(yù)設(shè)的閾值對(duì)系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的影響曲線

Fig.7 Curve showing influence of preset threshold on fire alarm response time of detector under wind velocity of 0.4 m/s

圖8 風(fēng)速5 m/s時(shí)，預(yù)設(shè)的閾值對(duì)系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的影響曲線

Fig.8 Curve showing influence of preset threshold on fire alarm response time of detector under wind velocity of 5 m/s

2.2 風(fēng)載條件對(duì)FBG探測(cè)器感煙速度特性的影響

圖1為某全尺寸隧道試驗(yàn)圖，圖2為試驗(yàn)隧道結(jié)構(gòu)示意圖。其中隧道主體寬12.75 m，高6.7 m，置于隧道口的風(fēng)機(jī)可提供不同速度的縱向風(fēng)。試驗(yàn)用油盆火來(lái)模擬火源(見(jiàn)圖3)，火源盆放置于隧道地面，火源燃料為汽油，火災(zāi)熱釋放率為1 MW。2種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下的工況設(shè)置如表1所示。圖4和圖5分別為2種試驗(yàn)場(chǎng)景下FBG探測(cè)器的不同布置方式示意圖。

圖9 0.7 m/s的風(fēng)載作用下，F(xiàn)BG探測(cè)器的溫度梯度響應(yīng)曲線

Fig.9 Temperature gradient response curves of FBG detector under wind velocity of 0.7 m/s

圖10 根據(jù)圖9數(shù)據(jù)推算的上下風(fēng)方向煙氣位置和時(shí)間的關(guān)系

Fig.10 Relationship between smoke diffusing time and reaching position

1)在風(fēng)速為5 m/s時(shí)，火災(zāi)溫度最高點(diǎn)的位置向下風(fēng)向移動(dòng)了10 m以上。

圖11 報(bào)警探測(cè)器的各個(gè)探頭的溫度梯度響應(yīng)曲線

Fig.11 Temperature gradient response curves of every probe of alarm detector

通過(guò)全尺寸試驗(yàn)研究了隧道風(fēng)載對(duì)FBG火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間先后及溫升速率的影響，以及風(fēng)載條件下探測(cè)器報(bào)警閾值的設(shè)定對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響，得到了以下結(jié)論并提出相應(yīng)建議。

3 結(jié)論與建議

位于下風(fēng)向的10#探測(cè)器最先響應(yīng)，且溫升速率較大，此次測(cè)試結(jié)果與前一次有良好的契合度，表明隧道內(nèi)風(fēng)載對(duì)傳感器響應(yīng)速率的影響應(yīng)當(dāng)引起重視。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)煙氣到達(dá)的位置和時(shí)間的關(guān)系曲線可得到上下風(fēng)方向上煙氣飄移的速度，可由此推算出火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)氣流的移動(dòng)速度、到達(dá)的位置及火災(zāi)時(shí)的風(fēng)速，同時(shí)還可以對(duì)濃煙的覆蓋范圍做出監(jiān)測(cè)。

在同樣的探測(cè)器布置情況下，改變火源位置，將其放置在7#和8#探測(cè)器之間的下方，再次進(jìn)行試驗(yàn)，得到如圖11所示的溫度梯度響應(yīng)曲線。

對(duì)不同風(fēng)速下報(bào)警閥值對(duì)觸發(fā)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的影響試驗(yàn)結(jié)果如下：以簡(jiǎn)單的報(bào)警判斷模式將升溫梯度是否達(dá)到或超過(guò)報(bào)警閾值作為判據(jù)，依據(jù)所記錄的溫度梯度和點(diǎn)火后達(dá)到此溫度梯度所用的時(shí)間可以得到系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定報(bào)警閾值-時(shí)間曲線。在低風(fēng)速(0.4 m/s)下，閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時(shí)，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間會(huì)從點(diǎn)火后的31 s減少到7 s(如圖7所示)，報(bào)警時(shí)間縮短24 s；而在高風(fēng)速(5 m/s)情況下，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，同樣的閾值調(diào)整會(huì)使得報(bào)警響應(yīng)時(shí)間從43 s減小到39 s(如圖8所示)，報(bào)警僅縮短了4 s。分析認(rèn)為：低風(fēng)速時(shí)熱煙氣分層較穩(wěn)定，熱煙氣與冷空氣預(yù)混強(qiáng)度相對(duì)較弱，熱煙氣直接在熱浮力作用下上升到隧道頂部；而在高風(fēng)速下熱煙氣層化強(qiáng)度減弱，與冷空氣的摻混加強(qiáng)導(dǎo)致熱煙氣溫度相對(duì)低風(fēng)速情況偏低，使報(bào)警器對(duì)于高風(fēng)速下的煙氣敏感度降低，致使報(bào)警響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。

Y=-900.6228+0.032337X 1+0.043653X 2-51.58683X 3-25.54347X 4-10.13060X 5+4.818238X 6

3)在風(fēng)速為0.7 m/s時(shí)，煙氣向下風(fēng)飄移的速度為0.91 m/s，向上風(fēng)飄移的速度為0.57 m/s，風(fēng)載明顯改變了煙氣的飄移速度，進(jìn)而改變了位于著火點(diǎn)上風(fēng)向和下風(fēng)向探測(cè)器的報(bào)警響應(yīng)速率。

由上述數(shù)據(jù)可知，各國(guó)都需注重從閱讀興趣角度改善學(xué)習(xí)者的閱讀狀況，工作中還需特別關(guān)注和研究男生和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況較差學(xué)生的特點(diǎn)和求知需求，為其制訂專有的閱讀教學(xué)方案，以便更有針對(duì)性地促進(jìn)其閱讀和綜合素養(yǎng)的全面進(jìn)步。

4)本文通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)際隧道中FBG探測(cè)器的響應(yīng)特性，研究結(jié)果可為掌握更加合理的探測(cè)器布置方法、定位精度及報(bào)警設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)。

5)本文只是定性地研究了風(fēng)載、閾值設(shè)定等對(duì)實(shí)際報(bào)警響應(yīng)產(chǎn)生的影響，在今后的研究過(guò)程中可通過(guò)開(kāi)展大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)定量地分析該問(wèn)題。

[1] 張嵩,王劍.光纖光柵傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用[J]．激光與紅外,2010,40(2):178-180.(ZHANG Song,WANG Jian.Application in the tunnel fire monitoring of fiber Bragg grating sensor technology[J].Laser & Infrared,2010,40(2):178-180.(in Chinese))

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Study of Response and Alarm Characteristics of Fiber Bragg Grating Fire Detector in Tunnel with Wind Load

JIANG Xuepeng1,2,CHEN Shu1,ZHOU Jian3，*

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,Hubei,China; 2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China; 3.ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China)

The fire testing actions with 2 kinds of fiber Bragg grating detectors are carried out in a full-scale tunnel testing platform; and then the influence of fire alarm thresholds under wind load on alarm response time and that of wind load on response velocity of fire detector are analyzed.The testing results show that:1) The alarm time of fire detector is reduced by 24 s under low wind velocity of 0.4 m/s; and the alarm time of fire detector is reduced by 4 s under high wind velocity of 5 m/s when the fire alarm threshold reduces from 10 ℃/min to 3 ℃/min.It is proved that the fiber Bragg grating detector under low wind velocity is more sensitive.2) The influence of wind velocity on smoke diffusion is significant.The response velocity of the detector at downwind direction is much larger than that at upwind direction,according to which,the diffusing velocity and reaching place of smoke and wind load velocity when fire can be calculated.

fiber Bragg grating; tunnel fire; tunnel wind load; temperature response characteristics

2016-06-05;

2016-07-04

國(guó)家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金(gsgzj-2012-03)；湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目 (2015CFB200)；湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(D20151207)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M540830)；北京市博士后科研活動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2013ZZ-02)

姜學(xué)鵬(1976—)，男，山東平度人，2008年畢業(yè)于中南大學(xué)，消防工程專業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)從事地下空間通風(fēng)排煙技術(shù)研究工作。E-mail：jxp5276@126.com。*通訊作者：周健，E-mail:zhoujian1@cmhk.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.006

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1672-741X(2016)10-1202-05