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)探測器響應(yīng)和報警特性

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)探測器的響應(yīng)特點及響應(yīng)閾值設(shè)定對報警結(jié)果的影響，以全尺寸隧道為實驗平臺，設(shè)計2種光纖光柵(FBG)火災(zāi)探測器的火災(zāi)實驗場景，分析2種不同風(fēng)載作用下報警閾值對報警響應(yīng)時間的影響及風(fēng)載對探測器響應(yīng)速率的影響。實驗結(jié)果顯示：1)報警閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時，低風(fēng)速(0.4 m/s)下的報警響應(yīng)時間縮短了24 s，而在高風(fēng)速(5 m/s)情況下，報警響應(yīng)時間僅縮短了4 s，表明在低風(fēng)速情況下，F(xiàn)BG火災(zāi)探測器的響應(yīng)更靈敏；2)風(fēng)速對火災(zāi)煙氣的擴散影響顯著，位于下風(fēng)向的光纖探測器響應(yīng)速率明顯高于上風(fēng)向的光纖探測器響應(yīng)速率，可由此作為推算煙氣移動速度、到達位置及火災(zāi)時風(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)探測報警技術(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，具備無電檢測、不受電磁干擾、可耐高溫、無零漂、精度高、體積微小、一根光纖可串接多個光柵等優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的電測溫度報警技術(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，對于小學(xué)生來說，培養(yǎng)良好習(xí)慣主要是不間斷地反復(fù)訓(xùn)練來實現(xiàn)。通過嚴(yán)格訓(xùn)練使學(xué)生形成對待任何工作都認真負責(zé)的態(tài)度，獨立思考、勇于克服困難的精神，敢于正視錯誤、改正錯誤的優(yōu)良品德。正確、積極地引導(dǎo)，從一點一滴抓起，既注意循序漸進，又貫穿始終，如在進行計算能力訓(xùn)練時，先要求學(xué)生認真審題，在計算時要求學(xué)生一一步一-回頭，自覺進行檢查，做錯時及時糾正，自覺分析錯誤原因，養(yǎng)成認真計算的良好習(xí)慣。

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

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

二是民生水利建設(shè)提速升級。農(nóng)田水利萬宗工程、千宗治洪治澇保安工程、千里海堤加固達標(biāo)工程和村村通自來水工程建設(shè)扎實推進。19個中央財政小型農(nóng)田水利重點縣、88個省級小農(nóng)水示范鎮(zhèn)建設(shè)基本完成；中央和省級共42個小農(nóng)水重點縣建設(shè)順利推進；117座重點小 （1）型、312宗重點?。?）型病險水庫除險加固基本完工，79宗近期中小河流治理試點項目建設(shè)基本完工，68個山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施投入使用；15宗千里海堤加固達標(biāo)工程開工建設(shè)；6個村村通自來水工程示范縣建設(shè)完成投資1.8億元，進展態(tài)勢良好；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 實驗工況設(shè)置

試驗過程中，F(xiàn)BG解調(diào)器實時記錄下探測器的波長，以傳感器感受到溫度突然上升的時刻為煙氣到達傳感器所在位置的時刻，即可以繪制火災(zāi)煙氣到達時間和到達位置的曲線?；馂?zāi)發(fā)生位置在1#探測器右側(cè)的17 m處(見圖9)，5#傳感器首先探測到溫度突然升高。隨著時間的推移，煙氣向火源的上風(fēng)向與下風(fēng)向蔓延，相繼達到4#、6#、7#、1#傳感器處，13#探測器以后的7個探測器溫度上升結(jié)果不明顯，未列出相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)探測器5 m的間隔，可由此計算出煙氣移動的速度。經(jīng)計算，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)煙氣擴散至1#探測器后，煙氣飄移速度下降到0.37 m/s，如圖9所示。可見，風(fēng)載明顯改變了著火點的向上向下風(fēng)向的飄移速度，從而改變了位于著火點上風(fēng)向和下風(fēng)向探測器的響應(yīng)時間順序。

圖1 全尺寸隧道火災(zāi)試驗圖

圖2 試驗隧道的結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖3 火災(zāi)試驗油盆

序號火源功率/MW火源位置縱向風(fēng)速/(m/s)FBG探測器個數(shù)FBG探測器間距/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FBG探測器溫度響應(yīng)時間的影響

由風(fēng)機產(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器測量的溫度隨著時間的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出：隨著時間的推移，離火源最近的1#和2#探測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#探測器溫度上升較為明顯，65 m處的5#探測器溫升也明顯高于1#和2#探測器。溫度上升最大點處并不在距離火源附近的2探測器處，其位置偏差超過10 m，該結(jié)論可為風(fēng)載明顯的隧道報警顯示的著火區(qū)域糾正提供重要參考。

圖6 不同位置的探測器的升溫梯度隨時間的變化曲線

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)報警閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時，報警時間會從31 s減少到7 s，縮短了24 s；而在高風(fēng)速5 m/s情況下，報警響應(yīng)時間會有所延長，同樣的閾值調(diào)整會使報警響應(yīng)時間從43 s減小到39 s，僅縮短了4 s。

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

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，預(yù)設(shè)的閾值對系統(tǒng)報警響應(yīng)時間的影響曲線

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FBG探測器感煙速度特性的影響

圖1為某全尺寸隧道試驗圖，圖2為試驗隧道結(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)機可提供不同速度的縱向風(fēng)。試驗用油盆火來模擬火源(見圖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種實驗場景下的工況設(shè)置如表1所示。圖4和圖5分別為2種試驗場景下FBG探測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，火災(zāi)溫度最高點的位置向下風(fēng)向移動了10 m以上。

圖11 報警探測器的各個探頭的溫度梯度響應(yīng)曲線

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

通過全尺寸試驗研究了隧道風(fēng)載對FBG火災(zāi)探測器的響應(yīng)時間先后及溫升速率的影響，以及風(fēng)載條件下探測器報警閾值的設(shè)定對報警時間的影響，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#探測器最先響應(yīng)，且溫升速率較大，此次測試結(jié)果與前一次有良好的契合度，表明隧道內(nèi)風(fēng)載對傳感器響應(yīng)速率的影響應(yīng)當(dāng)引起重視。結(jié)合試驗結(jié)果，根據(jù)煙氣到達的位置和時間的關(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)時隧道內(nèi)氣流的移動速度、到達的位置及火災(zāi)時的風(fēng)速，同時還可以對濃煙的覆蓋范圍做出監(jiān)測。

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

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

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，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，進而改變了位于著火點上風(fēng)向和下風(fēng)向探測器的報警響應(yīng)速率。

由上述數(shù)據(jù)可知，各國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經(jīng)濟狀況較差學(xué)生的特點和求知需求，為其制訂專有的閱讀教學(xué)方案，以便更有針對性地促進其閱讀和綜合素養(yǎng)的全面進步。

4)本文通過在現(xiàn)場實驗研究實際隧道中FBG探測器的響應(yīng)特性，研究結(jié)果可為掌握更加合理的探測器布置方法、定位精度及報警設(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)定等對實際報警響應(yīng)產(chǎn)生的影響，在今后的研究過程中可通過開展大量的現(xiàn)場實驗定量地分析該問題。

[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))

[2] 甘維兵,張翠.基于波分復(fù)用和全同光柵技術(shù)的隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)[J]．傳感器世界,2008,14(10):26-29.(GAN Weibing,ZHANG Cui.The tunnel fire alarm monitoring system based on wavelength division multiplex and the identical fiber Bragg grating[J].Sensor World,2008,14(10):26-29.(in Chinese))

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[9] 線型感溫火災(zāi)探測器:GB 16280—2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.(Line type heat fire detectors:GB 16280—2005[S].Beijing:Standards Press of China,2005.(in Chinese))

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[12] 王宏亮,宋娟,馮德全，等.應(yīng)用于特殊環(huán)境的光纖光柵溫度壓力傳感器[J].光學(xué)精密工程,2011,19(3):545-551.(WANG Hongliang,SONG Juan,FENG Dequan，et al.High temperature-pressure FBG sensor applied to special environments[J].Optics and Precision Engineering,2011,19(3):545-551.(in Chinese))

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

國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心開放基金(gsgzj-2012-03)；湖北省自然科學(xué)基金計劃面上項目 (2015CFB200)；湖北省教育廳科學(xué)研究計劃重點項目(D20151207)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2013M540830)；北京市博士后科研活動經(jīng)費資助項目(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

U 45

A

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