风载环境下隧道光纤光栅火灾探测器响应和报警特性

姜学鹏，陈 姝，周 健

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100022；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)



风载环境下隧道光纤光栅火灾探测器响应和报警特性

姜学鹏1,2，陈 姝1，周 健3，*

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100022；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

为研究风载环境下的隧道线性感温光纤光栅火灾探测器的响应特点及响应阈值设定对报警结果的影响，以全尺寸隧道为实验平台，设计2种光纤光栅(FBG)火灾探测器的火灾实验场景，分析2种不同风载作用下报警阈值对报警响应时间的影响及风载对探测器响应速率的影响。实验结果显示：1)报警阈值从10 °C/min减小到3 °C/min时，低风速(0.4 m/s)下的报警响应时间缩短了24 s，而在高风速(5 m/s)情况下，报警响应时间仅缩短了4 s，表明在低风速情况下，FBG火灾探测器的响应更灵敏；2)风速对火灾烟气的扩散影响显著，位于下风向的光纤探测器响应速率明显高于上风向的光纤探测器响应速率，可由此作为推算烟气移动速度、到达位置及火灾时风载速度的一种方法。

光纤光栅；隧道火灾；隧道风载；温度响应特性

0 引言

火灾探测报警技术在隧道建设中得到广泛应用，其中光纤传感技术因以光为传感信号，具备无电检测、不受电磁干扰、可耐高温、无零漂、精度高、体积微小、一根光纤可串接多个光栅等优势，在很多领域取代了传统的电测温度报警技术[1-3]。

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作为光纤传感的一种，光纤光栅传感采用绝对波长编码检测，传感光源的功率波动对信号无影响等优势，更加得到科研学者和工程技术人员的重视[4-7]。国内高新技术企业还制定了光纤火灾报警的相关国家标准[8-9]，各种新的、高精度的温度探测器也得到不断研发[10-12]。在光纤光栅温度探测器的研制、标定过程中，往往只重视其温度灵敏度、响应时间、测量范围等。报警阀值设置过低，则导致报警系统误报率增高；而报警阀值设置过高，则导致报警响应时间延长，不利于火灾工况下的防灾救援工作快速开展。在实际隧道内往往伴随着显著的风载，在纵向风载的作用下，探测器附近火灾烟气所带热能减少，不利于探测器的迅速升温并报警。因此，原来设定的温度报警阈值将在纵向风速的作用下影响探测器的报警行为特性，且目前尚无可靠的实验或理论研究工作显示光纤光栅感温火灾报警系统的预设阈值与火灾报警速度之间的关系。

本文拟通过在隧道现场开展实地研究，得到在不同风载作用下报警温度阈值设定对报警时间的影响特性，以及风载作用对FBG探测器的响应特性的影响，研究结果可为掌握更加合理的探测器布置方法、定位精度及报警设置提供科学依据。

二是民生水利建设提速升级。农田水利万宗工程、千宗治洪治涝保安工程、千里海堤加固达标工程和村村通自来水工程建设扎实推进。19个中央财政小型农田水利重点县、88个省级小农水示范镇建设基本完成；中央和省级共42个小农水重点县建设顺利推进；117座重点小 （1）型、312宗重点小（2）型病险水库除险加固基本完工，79宗近期中小河流治理试点项目建设基本完工，68个山洪灾害防治县级非工程措施投入使用；15宗千里海堤加固达标工程开工建设；6个村村通自来水工程示范县建设完成投资1.8亿元，进展态势良好；新增农村饮水安全工程建设完成94%的投资量，年底前将全面完成建设任务。

1 实验工况设置

试验过程中，FBG解调器实时记录下探测器的波长，以传感器感受到温度突然上升的时刻为烟气到达传感器所在位置的时刻，即可以绘制火灾烟气到达时间和到达位置的曲线。火灾发生位置在1#探测器右侧的17 m处(见图9)，5#传感器首先探测到温度突然升高。随着时间的推移，烟气向火源的上风向与下风向蔓延，相继达到4#、6#、7#、1#传感器处，13#探测器以后的7个探测器温度上升结果不明显，未列出相关数据。根据探测器5 m的间隔，可由此计算出烟气移动的速度。经计算，烟气向下风的飘移速度为0.91 m/s，向上风的飘移速度为0.57 m/s，如图10所示。当烟气扩散至1#探测器后，烟气飘移速度下降到0.37 m/s，如图9所示。可见，风载明显改变了着火点的向上向下风向的飘移速度，从而改变了位于着火点上风向和下风向探测器的响应时间顺序。

图1 全尺寸隧道火灾试验图

图2 试验隧道的结构示意图(单位：mm)

图3 火灾试验油盆

序号火源功率/MW火源位置纵向风速/(m/s)FBG探测器个数FBG探测器间距/m111#与2#间0.4610211#与2#间5.0610314#与5#间0.7205417#与8#间0.7205

图4 FBG探测器在隧道中的布设示意图(单位：m)

图5 FBG串纵向布置示意图(单位：m)

2 分析与讨论

2.1 风载对FBG探测器温度响应时间的影响

由风机产生5 m/s的纵向风，FBG解调器以1 Hz的频率记录所有探测器测量的温度随着时间的变化曲线如图6所示。从图6可以看出：随着时间的推移，离火源最近的1#和2#探测器温度变化并不明显，而位于下风侧45～55 m处的3#和4#探测器温度上升较为明显，65 m处的5#探测器温升也明显高于1#和2#探测器。温度上升最大点处并不在距离火源附近的2探测器处，其位置偏差超过10 m，该结论可为风载明显的隧道报警显示的着火区域纠正提供重要参考。

图6 不同位置的探测器的升温梯度随时间的变化曲线

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

2)在低风速0.4 m/s下，当报警阈值从10 °C/min减小到3 °C/min时，报警时间会从31 s减少到7 s，缩短了24 s；而在高风速5 m/s情况下，报警响应时间会有所延长，同样的阈值调整会使报警响应时间从43 s减小到39 s，仅缩短了4 s。

图7 风速0.4 m/s时，预设的阈值对系统报警响应时间的影响曲线

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

图8 风速5 m/s时，预设的阈值对系统报警响应时间的影响曲线

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

2.2 风载条件对FBG探测器感烟速度特性的影响

图1为某全尺寸隧道试验图，图2为试验隧道结构示意图。其中隧道主体宽12.75 m，高6.7 m，置于隧道口的风机可提供不同速度的纵向风。试验用油盆火来模拟火源(见图3)，火源盆放置于隧道地面，火源燃料为汽油，火灾热释放率为1 MW。2种实验场景下的工况设置如表1所示。图4和图5分别为2种试验场景下FBG探测器的不同布置方式示意图。

图9 0.7 m/s的风载作用下，FBG探测器的温度梯度响应曲线

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

图10 根据图9数据推算的上下风方向烟气位置和时间的关系

Fig.10 Relationship between smoke diffusing time and reaching position

1)在风速为5 m/s时，火灾温度最高点的位置向下风向移动了10 m以上。

图11 报警探测器的各个探头的温度梯度响应曲线

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

通过全尺寸试验研究了隧道风载对FBG火灾探测器的响应时间先后及温升速率的影响，以及风载条件下探测器报警阈值的设定对报警时间的影响，得到了以下结论并提出相应建议。

3 结论与建议

位于下风向的10#探测器最先响应，且温升速率较大，此次测试结果与前一次有良好的契合度，表明隧道内风载对传感器响应速率的影响应当引起重视。结合试验结果，根据烟气到达的位置和时间的关系曲线可得到上下风方向上烟气飘移的速度，可由此推算出火灾时隧道内气流的移动速度、到达的位置及火灾时的风速，同时还可以对浓烟的覆盖范围做出监测。

在同样的探测器布置情况下，改变火源位置，将其放置在7#和8#探测器之间的下方，再次进行试验，得到如图11所示的温度梯度响应曲线。

对不同风速下报警阀值对触发报警响应时间的影响试验结果如下：以简单的报警判断模式将升温梯度是否达到或超过报警阈值作为判据，依据所记录的温度梯度和点火后达到此温度梯度所用的时间可以得到系统达到设定报警阈值-时间曲线。在低风速(0.4 m/s)下，阈值从10 °C/min减小到3 °C/min时，报警响应时间会从点火后的31 s减少到7 s(如图7所示)，报警时间缩短24 s；而在高风速(5 m/s)情况下，报警响应时间会有所延长，同样的阈值调整会使得报警响应时间从43 s减小到39 s(如图8所示)，报警仅缩短了4 s。分析认为：低风速时热烟气分层较稳定，热烟气与冷空气预混强度相对较弱，热烟气直接在热浮力作用下上升到隧道顶部；而在高风速下热烟气层化强度减弱，与冷空气的掺混加强导致热烟气温度相对低风速情况偏低，使报警器对于高风速下的烟气敏感度降低，致使报警响应时间延长。

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

3)在风速为0.7 m/s时，烟气向下风飘移的速度为0.91 m/s，向上风飘移的速度为0.57 m/s，风载明显改变了烟气的飘移速度，进而改变了位于着火点上风向和下风向探测器的报警响应速率。

由上述数据可知，各国都需注重从阅读兴趣角度改善学习者的阅读状况，工作中还需特别关注和研究男生和社会经济状况较差学生的特点和求知需求，为其制订专有的阅读教学方案，以便更有针对性地促进其阅读和综合素养的全面进步。

4)本文通过在现场实验研究实际隧道中FBG探测器的响应特性，研究结果可为掌握更加合理的探测器布置方法、定位精度及报警设置提供科学依据。

5)本文只是定性地研究了风载、阈值设定等对实际报警响应产生的影响，在今后的研究过程中可通过开展大量的现场实验定量地分析该问题。

[1] 张嵩,王剑.光纤光栅传感技术在隧道火灾监控中的应用[J]．激光与红外,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] 甘维兵,张翠.基于波分复用和全同光栅技术的隧道火灾监测系统[J]．传感器世界,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] 线型感温火灾探测器:GB 16280—2005[S].北京：中国标准出版社,2005.(Line type heat fire detectors:GB 16280—2005[S].Beijing:Standards Press of China,2005.(in Chinese))

[10] LI Jianzhi,SUN Baochen.Theory analysis of novel fiber Bragg grating temperature compensated method based on thermal stress [J].High Power Laser and Particle Beams,2015(2):84-90.

[11] 詹亚歌,蔡海文,向世清.高分辨率光纤光栅温度传感器的研究[J].中国激光,2005,32(1):83-86.(ZHAN Yage,CAI Haiwen,XIANG Shiqing.Study of high resolution fiber Bragg grating temperature sensor[J].Chinese Journal of Lasers,2005,32(1):83-86.(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

国家山区公路工程技术研究中心开放基金(gsgzj-2012-03)；湖北省自然科学基金计划面上项目 (2015CFB200)；湖北省教育厅科学研究计划重点项目(D20151207)；中国博士后科学基金资助项目(2013M540830)；北京市博士后科研活动经费资助项目(2013ZZ-02)

姜学鹏(1976—)，男，山东平度人，2008年毕业于中南大学，消防工程专业，博士，副教授，现从事地下空间通风排烟技术研究工作。E-mail：jxp5276@126.com。*通讯作者：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