[發明專利]一種可調風溫及濕度的峽谷隧道群污染物竄流測量系統

有效

• 申請號: 202110256594.2
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112857467B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 唐飛;秦朕;段志毅;曾志堅;蔣卓男;侯超群;王強;董滿生
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G05B11/42
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

1.一種可調風溫及濕度的峽谷隧道群污染物竄流測量系統，所述峽谷隧道群由穿過n座山體的雙向隧道所組成的主隧道群(1)，且相鄰兩座山體中的雙向隧道通過處于峽谷中的公路連接；其特征在于，所述峽谷隧道群污染物竄流測量系統是利用防火板搭建所述主隧道群(1)，利用防火保溫棚模擬山體的峽谷環境；按照行車方向將山體中的隧道記為上游隧道(2)及下游隧道(3)；

在所有上游隧道(2)及下游隧道(3)的頂棚位置均設有豎向頂棚排煙軟管(5)，用于排煙；

在含有坡度的上游隧道(2)及下游隧道(3)的頂棚位置均設有平行于頂棚的排煙軟管(6)，用于橫向排煙；在含有坡度的上游隧道(2)及下游隧道(3)的排煙軟管內部均鋪設一層復合光觸媒納米礦晶(44)，用于吸收有害氣體；

在n座山體的雙向隧道的第1個隧道的入口處分別布置有縱向通風裝置(7)；

在每個雙向隧道的下方均設置有調節裝置(8)；

在所有峽谷的公路一側均設置有可調風溫及環境濕度的峽谷風模擬裝置(9)；

在峽谷隧道群的隧道或公路上設置有實驗小車(10)；

在所述峽谷隧道群污染物竄流測量系統中設置有多功能環境檢測器(11)，包括：溫度傳感器(40)，濕度傳感器(41)，風速傳感器(42)，CO濃度傳感器(43)，并分別用于檢測環境溫度、濕度、風速、CO濃度指標；

所述縱向通風裝置(7)包括：可變頻第一軸流風機(12)，且在所述可變頻第一軸流風機(12)的前方設置有第一整流段(13)，用于對所述可變頻第一軸流風機(12)的縱向風(14)進行整流；

所述調節裝置(8)包括：第一支架(15)，第二支架(16)，合頁(17)，液壓桿(18)，萬向輪(19)及卡環(20)；

所述第一支架(15)的上端通過合頁(17)與隧道的底部相連，所述第一支架(15)的下端通過所述液壓桿(18)與所述第二支架(16)的上端相連，所述第二支架(16)的下端連接所述萬向輪(19)，所述萬向輪(19)上通過卡環(20)固定在地面；以所述萬向輪(19)實現雙向隧道之間橫向距離(45)、縱向距離(46)的調節；以所述液壓桿(18)實現雙向隧道的高度和坡度調節；

所述可調風溫及環境濕度的峽谷風模擬裝置(9)包括：可變頻第二軸流風機(21)，第二整流段(22)，弧形導軌(24)，峽谷保溫棚(25)，制冷裝置(27)，加熱裝置(28)，加濕器(29)；

所述弧形導軌(24)設置在峽谷公路(4)的一側，在所述弧形導軌(24)上設置有可變頻第二軸流風機(21)；以所述可變頻第二軸流風機(21)自身的擺動角度以及弧形導軌(24)上移動位置實現不同峽谷風(23)風向的模擬；

在可變頻第二軸流風機(21)的前方設置有第二整流段(22)，用于對所述可變頻第二軸流風機(21)的峽谷風(23)進行整流；

所述峽谷保溫棚(25)設置在可變頻第二軸流風機(21)的出風口所在垂直面和頂部所在的平面并形成半開放空間，使得所述可變頻第二軸流風機(21)在弧形導軌(24)上移動時能處于所述半開放空間中；

在所述可變頻第二軸流風機(21)的兩側設置有推拉裝置(26)，以實現可變頻第二軸流風機(21)在所述半開放空間中的移動；

所述制冷裝置(27)包括：半導體制冷片(30)；所述半導體制冷片(30)位于峽谷保溫棚(25)的上部，用于在空氣熱對流的作用下，使得所述峽谷保溫棚(25)內溫度下降，以達到初始峽谷低溫環境；

所述加熱裝置(28)包括：若干個加熱網(31)，一部分加熱網(31)置于所述可變頻第二軸流風機(21)的出風口處，另一部分加熱網(31)設置于雙向隧道的公路之間，用于在空氣熱對流的作用下，使得所述峽谷保溫棚(25)內溫度上升，以達到初始峽谷高溫環境；

所述加濕器(29)放置在可變頻第二軸流風機(21)的出風口處，用于改變模擬峽谷環境濕度；

所述實驗小車(10)包括：氣體火實驗小車(32)和液體火實驗小車(33)；

所述氣體火實驗小車(32)上設有氣體罐(34)及燃燒器(35)，且所述氣體罐(34)與流量計(36)連接，用于模擬實驗燃燒火為氣體火焰時的火源；

所述液體火實驗小車(33)上設有天平(37)，且在天平(37)上設有燃燒池(38)及燃料(39)，用于模擬實驗燃燒火為液體火焰時的火源。

2.根據權利要求1所述的一種可調風溫及濕度的峽谷隧道群污染物竄流測量系統的測量方法，其特征是按如下步驟進行；

步驟1：峽谷環境中隧道結構搭建；

步驟1.1：通過橫向移動所述調節裝置(8)中的萬向輪(19)，以調節雙向隧道間的橫向距離(45)，并在調節完成后通過卡環(20)固定；

步驟1.2：通過縱向移動所述萬向輪(19)，以調節上下游隧道間的縱向距離(46)，并在調節完成后通過卡環(20)固定；

步驟1.3：調節液壓桿(18)高度以實現雙向隧道的高度和坡度調節；

步驟2：選定實驗火源類型以確定實驗小車(10)的類型，若為氣體火源，則選擇氣體火實驗小車(32)，若為液體火源，則選擇液體火實驗小車(33)，并將選定的實驗小車(10)放置在雙向隧道或公路選定的位置上；

步驟3：調節可變頻第二軸流風機(21)自身的擺動角度，并通過推拉裝置(26)在弧形導軌(24)上移動所述可變頻第二軸流風機(21)所處的位置后，開啟所述可變頻第二軸流風機(21)并調整其工作頻率，使得所述可變頻第二軸流風機(21)的軸流風通過所述第二整流段(22)的整流后，進入到峽谷中，以模擬在不同風速和風向下的峽谷風(23)；

步驟4：設置峽谷環境內溫度參數，即峽谷保溫棚(25)內的溫度；

若為高溫工況下的峽谷環境溫度，則執行步驟4.1-步驟4.4；

若為低溫工況下的峽谷環境溫度；則執行步驟4.5-步驟4.8；

步驟4.1：設置任一初始加熱網(31)的工作功率，在加熱網(31)工作后，溫度傳感器(40)開始采集峽谷保溫棚(25)內的高溫溫度，并將所獲取的高溫溫度數據通過Kalman濾波算法進行預處理，得到濾波后的高溫溫度；

步驟4.2：將濾波后的高溫溫度與預先設置的峽谷環境的目標高溫溫度進行比較，以得到高溫偏差值；

步驟4.3：通過數據線性回歸方法擬合相鄰加熱網(31)之間距離、發熱功率及實時風速與功率衰減變化量的關系函數，并利用迭代加權平均方法對所述關系函數進行處理，得到加熱網(31)在下一時刻的功率衰減變化量；將所述高溫偏差值帶入PID算法中，并結合加熱網(31)下一時刻功率衰減變化量，得出下一時刻加熱網(31)的工作功率并用于熱量補償；

步驟4.4：對各個加熱網(31)按照步驟4.1-步驟4.3的過程實行不同的功率控制，并通過反復PID計算和溫度補償調節，以逐步逼近目標溫度，從而達到在峽谷風(23)作用下峽谷保溫棚(25)內的整體溫度場均勻；

步驟4.5：設置任一初始半導體制冷片(30)的工作功率，在半導體制冷片(30)工作后，溫度傳感器(40)開始采集峽谷保溫棚(25)內的低溫溫度，并將所獲取的低溫溫度數據通過Kalman濾波算法進行預處理，得到濾波后的低溫溫度；

步驟4.6：將濾波后的低溫溫度與預先設置的峽谷環境的目標低溫溫度進行比較，以得到低溫偏差值；

步驟4.7：通過數據線性回歸方法擬合相鄰半導體制冷片(30)之間距離、制冷功率及實時風速與功率衰減變化量的關系函數，并利用迭代加權平均方法對所述關系函數進行處理，得到半導體制冷片(30)在下一時刻的功率衰減變化量；將所述低溫偏差值帶入PID算法中，并結合半導體制冷片(30)下一時刻功率衰減變化量，得出下一時刻半導體制冷片(30)的工作功率并用于熱量補償；

步驟4.8：對各個半導體制冷片(30)按照步驟4.5-步驟4.7的過程實行不同的功率控制，并通過反復PID計算和調節，以逐步逼近目標低溫溫度，從而達到在峽谷風(23)作用下峽谷保溫棚(25)內的整體溫度場均勻；

步驟5：設置峽谷環境內濕度參數，即峽谷保溫棚(25)內的濕度；

步驟5.1：設置初始加濕器(29)的工作功率，在加濕器(29)工作后，濕度傳感器(41)開始采集峽谷保溫棚(25)內的濕度，并將所獲取的濕度數據通過Kalman濾波算法進行預處理，得到濾波后的濕度；

步驟5.2：將濾波后的濕度與預先設置的峽谷環境的目標濕度進行比較，以得到濕度偏差值；

步驟5.3：將所述濕度偏差值帶入PID算法中得到加濕器(29)在下一時刻的功率變化量，以控制加濕器(29)在下一時刻的工作功率；

步驟5.4：對加濕器(29)按照步驟5.1-步驟5.3的過程實行不同的功率控制，并通過反復進行PID計算和調節，以逐步逼近目標濕度，從而達到在峽谷風(23)作用下峽谷保溫棚(25)內的整體濕度場均勻；

步驟6：點燃實驗小車(10)上的火源，小車隨即將產生火災污染物煙氣(47)；

步驟7：調節所述可變頻第一軸流風機(12)的工作頻率，以調節所述可變頻第一軸流風機(12)的風速；由所述風速傳感器(42)獲取峽谷內縱向風(14)風速；

步驟8：通過改變所述可變頻第一軸流風機(12)的工作頻率來改變上游隧道(2)內縱向的通風風速，并觀察在峽谷環境的隧道結構中以及峽谷溫濕度和峽谷風條件下的火災污染物煙氣(47)的流動情況；

步驟9：通過觀察上游污染物煙氣(47)是否進入下游隧道(3)內，并結合下游隧道(3)口處溫度傳感器(40)和CO濃度傳感器(43)所采集的數據，綜合判斷是否發生竄流；若發生竄流，則執行步驟9.1，若未發生竄流，則執行步驟9.2；若處于臨界狀態，則執行步驟9.3；

步驟9.1：通過PID控制所述可變頻第一軸流風機(12)的工作頻率減小，進而減小所述可變頻第一軸流風機(12)的風速，等待污染物煙氣(47)的流動狀態穩定后，返回步驟9；

步驟9.2：通過PID控制所述可變頻第一軸流風機(12)頻率增大，進而增大所述可變頻第一軸流風機(12)的風速，等待污染物煙氣(47)的流動狀態穩定后，返回步驟9；

步驟9.3：記錄當前峽谷環境的隧道結構、峽谷溫濕度和峽谷風(23)條件，以及臨界竄流時可變頻第一軸流風機(12)的風速后，返回步驟1，從而采用控制變量的方法重新進行設置。