第38卷第11期煤炭学报Vol．38No．112013年11月JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETYNov．2013文章编号：0253－9993（2013）11－1967－05基于移动火源的隧道拱顶温度分布规律实验研究邓军1，2，李士戎1，2，3，炎正馨4，赵大龙1，2（1．西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2．西部矿井开采与灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054；3．山西省阳泉市公安消防支队，山西阳泉045000；4．西安科技大学理学院，陕西西安710054）摘要：为掌握行进中的着火机动车对隧道拱顶温度场分布的影响规律，以公路隧道为原型建立了1ʒ20小尺寸实验系统，在隧道自然通风条件下，模拟了移动火源以0．5，0．8和1．0m /s 等不同速度在隧道中行进、停止直至熄灭的火灾过程。
研究了移动火源进入隧道后的隧道温度场及火灾过程中隧道拱顶沿纵向温度分布特征、测点温度峰值及梯度变化等规律。
研究结果表明：①当火源行进速度为0．5m /s 时，燃烧更加充分，隧道拱顶温度达到峰值，比其余两组高40和50ħ；②移动火源的存在，打破了顶棚射流拱顶热烟气与下部冷空气的对流循环动态平衡，减弱了热对流效应，使得隧道内温度降低更缓慢。
关键词：隧道；拱顶温度；移动火源；峰值；梯度中图分类号：TD752文献标志码：A收稿日期：2012－12－17责任编辑：张晓宁基金项目：教育部创新团队资助项目（IＲT0856）；陕西省13115科技创新工程资助项目（2010ZDGC －14）作者简介：邓军（1970—），男，四川大竹人，教授，博士生导师，博士。
E －mail ：ada2324@sohu．comExperimental study on longitudinal temperature distribution law oftunnel ceiling based on moving fire sourceDENG Jun 1，2，LI Shi-rong 1，2，3，YAN Zheng-xin 4，ZHAO Da-long 1，2（1．College of Energy Science ＆Engineering ，Xi ’an University of Science and Technology ，Xi ’an 710054，China ；2．Key Laboratory of Westem Mine Enploita-tion and Hazard Prevention of Ministry of Education ，Xi ’an 710054，China ；3．Yangquan Fire Bureau ，Shanxi Province ，Yangquan 045000，China ；4．Col-lege of Science ，Xi ’an University of Science and Technology ，Xi ’an 710054，China ）Abstract ：In order to reveal the influential law of mobile fire vehicle on the temperature distribution of tunnel ceiling ，the 1ʒ20physical model was designed according to real road tunnel．Under natural ventilation condition ，the fire process when mobile fire source with velocity of 0．5，0．8and 1．0m /s moved into tunnel then stopped till burned out were studied．The temperature fields when fire source moved into tunnel were studied．The ceiling temperature distribu-tion and temperature peak in fire process and its gradient were analyzed．The research results indicate that ：①Firesource of 0．5m /s combusts much more adequately than the other two ，which leads the temperature peak of tunnel ceiling 40and 50ħhigher than that of 0．8m /s and 1．0m /s fire source ；②The existence of moving fire breaks the balance of convective circulation of hot smoke and fresh cold air caused by jet effect ，which weakens thermal convec-tion and slows the temperature decrease in tunnel．Key words ：tunnel ；ceiling temperature ；moving fire source ；peak value ；gradient 随着现代社会的经济发展，隧道交通流量逐步增加［1］，隧道等狭长空间火灾事故发生的数量和频率也相应增加［2］。
在一些隧道火灾事故中，着火车辆穿行隧道引发火灾并造成重大人员伤亡和财产损失的情况时有发生［3］。
移动火源的动态特性较大程度上干预了隧道狭长空间内火灾和烟气的动态特征，对隧道内火灾探测报警及临界风速等产生影响［4］，从而在隧道火灾预警、扑救及人员疏散方面造成了困难。
研究表明，混凝土结构的力学性能会随环境温度的变化发生改变，当温度超过500ħ时，混凝土抗压煤炭学报2013年第38卷强度可降至原来的60%左右［5］。
从而使以承受压应力为主要功能的混凝土衬砌结构发生崩塌、开裂等现象，阻碍人员疏散及灭火等救援行动，进而可能导致隧道整体结构的破坏，进而导致更加严重的事故。
基于全尺寸、比例尺寸实验和数值模拟仿真［6－7］等研究手段，目前国内外关于隧道火灾的相关研究主要集中于不同典型位置固定火源状态下的隧道火灾及烟气的发展特性［7－13］，对不同通风条件下的温度分布和变化特征，以及烟气流动、分层规律等进行了研究。
在此基础上，韦良义等［14］对隧道火灾移动火源研究方法［4］进行了分析，并通过小比例尺寸模型实验和计算机数值模拟进行了初步研究，其他动态火源的相关研究相对较少。
为此本文在华南理工大学龙新峰等研究开发的坡度可调隧道火灾风洞实验装置［15］的基础上，自行搭建了火源速度控制更加准确，隧道内火情观察更为便利的比例模型实验台，开展了隧道移动火源火灾空间温度分布特征的相关研究。
1实验系统要保证流体在模型（m）与原型（p）中流动情况相似，首先要保证其流场的几何相似［16］，即两流场中线性量l成比例，对应角度α，β，…，γ相等，即l p1 l m1=lp2lm2=lp3lm3=…=Cl（1）αp=αm，βp=βm，…，γp=γm（2）以全长930m、截面宽12.60m、内高9.76m的在建高速公路穿山隧道为原型，选取从东端入口处向内延伸200m的一段隧道，按1ʒ20比例建立模拟隧道实验系统。
搭建的隧道长ˑ宽ˑ高为12mˑ0.5 mˑ0.4m。
隧道拱顶部分以中轴为分界线，一侧采用拱形不锈钢板，半拱形设计便于传感器安装；一侧采用高硼硅和微晶耐火玻璃组合的钝角菱形截面设计，以方便观察实验过程及现象，实验系统外观及截面形式如图1所示。
隧道一端敞开，另一端通过控制风量调节装置来控制通入隧道风量和风速的大小，同时该装置可以满足实验后排烟的效果，以保证人员安全。
火源加载于长ˑ宽ˑ高为0.2mˑ0.1mˑ0.05 m的不锈钢矩形油盘，其顶部封盖，封盖上有3条0.15mˑ0.1m的矩形开孔，油盘底部装有滑轮，并可通过变频器调节电动机准确控制其运动方向及运动速度。
如图2所示，以距火源从隧道的入口端1.6m处为截面T1，每隔2m分别标记截面T2，T3，T4，T5，共计5个，每个截面分别在隧道截面中心对称垂线的拱顶位置及其下方0.1，0.2，0.3m处的隧道壁图1实验隧道外观Fig.1Outline of tunnelmodel图2实验隧道温度测点布置及风量调节装置Fig.2Temperature detectors distributionand ventilation adjustment上设置温度探测点。
使用YC－747UD型热电偶对5个截面上的20个测点进行温度数据实时采集，采集频率为1fps。
2实验条件2.1隧道通风两个流动过程相应点上的速度、压强等物理量各自均存在其固定的比例关系时，可以认为这两个流动为相似流动［17］。
根据运动相似准则，在流体质点运动轨迹几何相似的基础上，其相对应运动时间成比例，即速度场相似，包括速度v相似和加速度a相似。
vp1vm1=vp2vm2=vp3vm3=…=Cv（3）ap1am1=ap2am2=ap3am3=…=Ca（4）运动相似比例与几何相似比例的关系为Cv=vpvm=limΔt p→0Δl pΔt plimΔt m→0Δl mΔt m=Δl pΔl mlimΔt p→0Δt m→0Δt pΔt m=ClCt（5）Ca=apam=limΔt p→0Δv pΔt plimΔt m→0Δv mΔt m=Δv pΔv mlimΔt p→0Δt m→0Δt pΔt m=CvCt=ClC2t（6）动力相似主要考虑反映惯性力与重力关系的Froude相似准则，即处于重力场中的两个相似流场的重力必然相似［18］，依此准则可较好地模拟在重力场8691第11期邓军等：基于移动火源的隧道拱顶温度分布规律实验研究中的火灾过程，并在一定程度弱化火灾高温下黏性力等变化因素对模型实验的影响。
两流场中Froude数的对应关系为Frp Frm =vp/gpL槡pvm/gmL槡m（7）当Fr p=Fr m，且g p=g m，L p=20L m，有v m v p =1槡20（8）其中，Fr p，Fr m分别为实际隧道与模型的Froude数；L p ，Lm分别为实际隧道与模型的特征尺寸；v p，v m分别为实际隧道与模型中流体单元运动速率。
