一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其能够在实验室模拟外界风作用下腔室火灾燃烧情况，研究外界风作用下腔室火灾发展和窗台溢流规律。该外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，包括实验台主体、外立面、外界风系统以及配套测控系统，本实验装置按照中等尺度模型比例1:3设计，是首个专门对外界风作用下腔室火灾热释放速率、烟气流动、温度分布、烟气成分、补风速度、热辐射通量、火焰形态、窗台溢流等进行全面系统研究的实验装置。在前人实验基础上克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟工具不够精确的特点，又保证了实验的可重复性，对于开展实验室科学研究和实际外界风对腔室火灾影响都有很大的应用价值和重要的指导意义。
【专利说明】一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置
【技术领域】
[0001]本发明属于火灾安全【技术领域】，具体涉及一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其具体为研究外界风作用下腔室火灾热释放速率、烟气流动、温度分布、烟气成分、补风速度、热辐射通量、火焰形态、窗台溢流的模拟实验装置。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的发展，高层建筑的数量越来越多，高度越来越高，结构越来越复杂。伴随着大量的高层建筑火灾的发生，高层建筑火灾安全问题引起人们的广泛关注和深刻思考。高层建筑发生火灾时，着火房间内的火焰通过破碎的窗户向上蔓延，从而危害其他楼层人员的安全。火焰自下而上的蔓延主要是由于火焰的热辐射和热对流造成的，而热辐射和热对流与通过窗口火溢流的高度和距离以及温度有很大关系。研究室内火灾的发展规律，对于防止火灾发生、火灾的救援工作乃至建筑的防火和防排烟设计都具有极其重要的理论意义和实用价值。因此，研究高层建筑房间溢流火焰的竖直高度、水平宽度以及温度分布具有重要的现实意义。
[0003]室内火灾的典型特征是火灾发生在相对封闭而又具有特定开口的空间里，这种特定的开口一般为敞开的门窗，它们使火焰或烟气得以蔓延到室外或者相邻房间。烟气或火焰通过开口上方溢出房间，而新鲜空气从开口底部流入房间。在燃料控制燃烧状态下，室内火灾发展到一定阶段，热烟气通过侧向开口溢出，室外冷空气从开口底部流入房间，形成一个常见的烟气溢流场景(如阳台溢流、窗口溢流)。当室内火灾发展到通风控制时候，火焰伴随高温热烟气通过开口上方溢出房间，同时大量未燃燃料溢出到开口外部，在开口外部发生激烈而持续的燃烧，形成开口火溢流现象，与此同时新鲜空气从开口底部流入房间。
[0004]对于腔室火灾和窗口溢流，国内外已有一些研究人员开展不同形式的实验研究，他们分别根据特定房间的特点和某些预定的目的，开展了不同尺度的实验研究。Kawagoe通过对小开口情况下火灾的研究，发现了通风条件对于室内火灾发展的作用，提出了燃烧速率和通风因子的关系。Tewarson使用木垛和池火作为燃料开展了室内火灾实验，将燃烧区域分成了四部分，并给出了可以用来预测不同燃烧区域分界面的公式。Yokoi在开口上部有竖直壁面的燃烧腔室使用酒精为燃料进行实验，对从不同开口尺寸的窗户溢出火羽流温度和速度分布进行了研究。Webster使用木垛为燃料，研究了小尺度立方体燃烧室模型实验的火焰高度。Oleszkiewicz对外部燃烧中火焰的福射和火焰沿着建筑外壁面向上蔓延的情况进行了较为系统的研究。Ohmiya等人建立了一个腔室模型来预测燃烧速率，开展了一系列小尺寸实验来研究开口外部火焰的特性。陆凯华等人研究了两边侧墙限制条件下建筑外立面开口火焰溢出行为，分析了侧墙对建筑外立面开口溢出火焰高度特征的影响机制，提出了基于侧墙间距大小和开口大小的无量纲耦合火焰高度模型。
[0005]前人针对外界风不存在的情况下进行了腔室火灾和窗口溢流相关的研究，实际火灾通常不是在无风条件下发生发展的。环境中气体的流动，将对处于其中的火灾行为产生重大的影响。在风力的作用下，火灾燃烧的蔓延和烟气的扩散将由环境风的方向和大小决定。建筑火灾中，风的存在也将会对室内烟气流动与蔓延产生影响，这主要体现在风对火羽流行为的影响上。
[0006]前人针对着火房间只有一个开口的情况做了一些研究，针对两个开口的着火房间情况研究较少。当着火房间有两个开口，并且高度不同时，房间中将会产生烟囱效应，烟气将从较高的开口流出房间，空气从较低的开口流入房间，烟囱效应的形成会使得房间中的燃烧加剧，并且影响溢流火焰的形态。同时，由于外界风的大小随着海拔高度成指数增加，随着高层建筑高度的增加，外界风的作用也越来越显著。外界风可能加速火焰在建筑物表面的蔓延，同时影响着火房间内的燃烧。本文设计的实验台主要研究两个开口的着火房间内的可燃物在烟囱效应和外界风的耦合作用下的燃烧情况和溢流火焰的特征。
[0007]由于全尺寸火灾实验需要调动大量的人力物力，经济耗费大，受各种因素影响大，条件难以控制，可重复性差，因此不易开展。而开展满足相似性理论的小尺寸实验研究以揭示外界风对腔室火灾的影响，是一种较好的选择。同时，小尺寸实验具有易操控性、良好的可再现性以及测量结果的可信度高等优点。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，能够在实验室模拟外界风作用下腔室火灾燃烧情况，研究外界风作用下腔室火灾发展和窗台溢流规律。
[0009]本发明采用的技术方案为:
[0010]一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，包括实验台主体、外立面、外界风系统以及配套测控系统，
[0011]所述实验台主体，是与实际房间尺寸成一定比例的单一房间构造，整体采用钢管搭建，用钢板焊接密封而成。实验台主体的前侧采用IOmm厚的钢化玻璃外墙，方便观察房间内部火灾发展过程；左侧和右侧采用IOmm厚的石膏板外墙，两侧外墙上各有一个开口，这两侧外墙的板材可以通过抽出和插入来改变；其他面由IOmm厚的钢板构成，内衬5mm厚的防火板；火源位于房间内部；
[0012]所述外界风系统，包括主体框架、产生外界风的轴流风机、调节风速的变频器、整流纱布和整流风管组成；
[0013]所述配套测控系统，包括温度测量系统、烟气成分测量系统、辐射测量系统、风速测量系统、燃料质量变化测量系统、图像测量系统；该温度测量系统包括位于着火房间内和外立面左侧的竖向热电偶串，房间左侧开口和右侧开口的热电偶串，20个可根据实验需求任意调整位置的铠装热电偶及与其电信号连接的数据处理装置；该烟气成分测量系统包括布置于房间两个开口的电化学气体成分测量探点及与其电信号连接的数据处理装置；该辐射测量系统包括布置于房间地面的辐射测点及与其电信号连接的数据处理装置；该风速测量系统包括布置于房间两个门口的高温风速探点及与其电信号连接的数据处理装置；该质量变化测量系统包括燃料通过支架相连接的电子天平及与其电信号连接的数据处理装置；该图像测量系统包括对火焰形态的进行记录的两台摄像机；
[0014]所述实验燃料，采用较为清洁的燃料甲醇，燃烧完全，无烟粒子污染。
[0015]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，在房间的中央、侧壁和墙角有可以放支架的孔，燃料可以放在支架上，支架的高度可以调节，支架放在电子天平上，这样燃料可以位于着火房间中央、侧壁或者墙角，其高度也可以调节，研究不同火源位置和开口高度对腔室火灾的影响。
[0016]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，所述实验装置按实际建筑1:3的比例构造。
[0017]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，位于房间左侧和右侧的两个开口的大小均为宽0.3m、高0.4m，这两侧外墙的板材可以通过抽出和插入来改变。
[0018]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，该实验装置的外界风系统包括主体框架、产生外界风的轴流风机、调节风速的变频器、整流纱布和整流风管组成，整个外界风系统长2.0m，风幕的截面尺寸为1.5m*1.5m。
[0019]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，该实验装置的外界风系统产生的外界风的风速范围为0-6.0m/s。
[0020]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，该实验装置的外界风系统的主体框架下有滑轮，可以根据实验需要移动，研究不同风向对双开口的腔室火灾的影响。
[0021]所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，该实验装置的电子天平通过支架与燃料相连，模拟火源可以采用甲醇，也可以采用木垛为燃料，更加真实的模拟建筑内火灾的发生发展。
[0022]本发明的优点和积极效果为:
[0023](I)、本发明在安全性和环境友好方面，采用甲醇油池火燃烧充分完全，产物清洁，环境友好，无污染，对人体无不良刺激；
[0024](2)、本发明的燃料质量变化测量系统采用将燃料放在支架上，支架通过腔室下的孔和电子天平相连的结构，这种结构可以很好的保护电子天平，可以采用木垛为燃料，更加真实的模拟建筑火灾的发生发展；
[0025](3)、本发明在烟气运动模拟实验效果方面，实验装置按照量纲相似理论，可以完整的模拟真实双开口的着火房间溢流和外界风作用下双开口着火房间火灾的发展过程，并能通过钢化玻璃清晰地监测到实验过程和现象；
[0026](4)、实验台采用钢板和内衬防火板的结构，其传热情况更接近真实的建筑物；
[0027](5)、本发明在外界风作用下腔室火灾模拟实验效果方面，实验装置设计的外界风的风速为0-6.0m/s之间，承载风幕的主体框架下有可移动滑轮，可研究不同火源功率、不同火源位置、不同外界风风速和风向下的腔室火灾和窗台溢流；
[0028](6)、在实验测量系统方面，先进完备的测温系统、烟气成分测量系统、辐射测量系统、速度测量系统、燃料质量变化测量系统、图像测量系统等可以对外界风作用下腔室火灾进行全方位的观测和研究；
[0029](7)、在实验成本方面，本小尺寸实验台相比大尺寸的实验台耗费少，可重复性强，操作方便，同时与计算机模拟方法相比准确性高；
[0030](8)、在实验操作方面，本小尺寸实验台操作方便，外界风系统使用灵活，实验台左右两侧外墙的板材可以通过抽出和插入来改变，研究开口高度的变化对火灾发展的影响。
[0031]本实验装置按照中等尺度模型比例1:3设计，是首个专门对外界风作用下腔室火灾热释放速率、烟气流动、温度分布、烟气成分、补风速度、热辐射通量、火焰形态、窗台溢流等进行全面系统研究的实验装置。在前人实验基础上克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟工具不够精确的特点，又保证了实验的可重复性，对于开展实验室科学研究和实际外界风对腔室火灾影响都有很大的应用价值和重要的指导意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明所述一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置一种实施例的整体结构示意图；
[0033]图2为本发明所述一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置外界风系统结构示意图；
[0034]图3为本发明所述一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置测点布置的平面图；
[0035]图4为本发明所述一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置测点布置的前视图；
[0036]图中标号:1-房间；2_外立面(石膏板)；3_外界风系统；4_房间左侧开口 ；5-房间右侧开口 ；6_房间支架；7_房间支架下的滑轮；8_电子天平；9_燃料和火源；10_燃料支架；11-外界风系统支架的滑轮；12-外界风系统主体框架；13_轴流风机；14-整流纱布；15-整流风管(PVC管)；16-外立面左侧的热电偶阵列；17_房间内的辐射测点及探头；18-房间前侧墙(钢化玻璃)；19_房间内的热电偶阵列；20_房间左侧和右侧墙(石膏板)；21-摄像机I ;22_摄像机2 ;23_外立面左侧的热电偶阵列；24_房间左侧开口的热电偶串；25-房间左侧开口的气体成分测点串；26-房间左侧开口速度测点串；27-房间内的热电偶阵列；28_房间右侧开口速度测点串；29_房间右侧开口气体成分测点串；30_房间右侧开口热电偶串；31_房间内辐射测点及探头。
【具体实施方式】
[0037]结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
[0038]一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，包括实验台主体、外立面、外界风系统以及配套测控系统。
[0039]参见图1，一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置包括实验台主体1、外立面2、外界风系统3和配套测控系统。实验台主体由房间I和房间支架6组成，房间I长1.0m,高
1.0m,宽1.0m ;房间使用角钢作为支撑骨架,前侧由IOmm钢化玻璃构成,方便观察房间内火灾的发展过程；左侧和右侧采用IOmm厚的石膏板外墙，并且这两侧上各有一个开口，左侧开口 4宽0.3m，高0.4m,右侧开口 5宽0.3m,高0.4m,这两侧外墙的板材可以通过抽出和插入来改变；其他面由IOmm厚的钢板构成，内衬5mm厚的防火板；燃料及火源10位于房间内部；燃料及火源的支架9放在电子天平8上，测量燃烧过程中燃料质量的变化。房间的支架6长1.5m,宽1.5m,高0.5m，房间放在支架上，支架下有滑轮7，可以根据实验需要移动实验台；外立面2宽1.5m，高2.8m,由IOmm厚的石膏板做成，外立面紧贴在房间的左侧，与房间左侧开口相重合的位置也有一个相同大小的开口。
[0040]参见图2，外界风系统由主体框架12、轴流风机13、变频器、整流纱布14和整流风管15组成，外界风系统风幕的尺寸为1.5m*l.5m，外界风系统长2.0m，轴流风机13到外界风系统左侧的距离是0.5m，轴流风机13到整流纱布14的距离是1.0m，整流风管15的长度是 0.5m。
[0041]参见图3，在外立面的左侧布置热电偶阵列16，测量通过房间左侧开口溢流出来的烟气和火焰的温度，热电偶的阵列的水平间距是20cm，竖直间距是30cm，热电偶阵列与外立面的距离是10cm，详细布置参见图4 ;房间内布置辐射测点17，测量房间内的辐射变化，辐射测点分别布置在火源的左右两侧，其中最左侧的辐射测点与房间左侧壁面的距离是15cm，与相邻的辐射测点的距离是15cm，火源右侧的两个辐射测点以火源为中心对称分布；房间内的热电偶阵列19测量房间内的温度分布，热电偶间水平间距是30cm，竖直间距是25cm，详细布置参见图4 ;摄像机21和摄像机22记录实验过程中火焰形态的变化。
[0042]参见图4，在房间的左侧开口布置热电偶串24，测量左侧开口的温度，烟气成分测点串25，测量左侧开口的气体成分，速度测点串26，测量左侧开口的流速；在房间的右侧开口布置热电偶串30，测量右侧开口的温度，烟气成分测点串29，测量右侧开口的气体成分，速度测点串28，测量右侧开口的流速；房间内布置辐射测点31，测量房间内的辐射变化。
[0043]本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
[0044]尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本【技术领域】的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本【技术领域】的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
【权利要求】
1.一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，包括实验台主体、外立面、外界风系统以及配套测控系统，其特征在于: 所述实验台主体，是与实际房间尺寸成一定比例的单一房间构造，整体采用钢管搭建，用钢板焊接密封而成，实验台主体的前侧采用IOmm厚的钢化玻璃外墙，方便观察房间内部火灾发展过程；左侧和右侧采用IOmm厚的石膏板外墙，两侧外墙上各有一个开口，这两侧外墙的板材可以通过抽出和插入来改变；其他面由IOmm厚的钢板构成，内衬5mm厚的防火板；火源位于房间内部； 所述外界风系统，包括主体框架、产生外界风的轴流风机、调节风速的变频器、整流纱布和整流风管组成； 所述配套测控系统，包括温度测量系统、烟气成分测量系统、辐射测量系统、风速测量系统、燃料质量变化测量系统、图像测量系统；该温度测量系统包括位于着火房间内和外立面左侧的竖向热电偶串，房间左侧开口和右侧开口的热电偶串，20个可根据实验需求任意调整位置的铠装热电偶及与其电信号连接的数据处理装置；该烟气成分测量系统包括布置于房间两个开口的电化学气体成分测量探点及与其电信号连接的数据处理装置；该辐射测量系统包括布置于房间地面的辐射测点及与其电信号连接的数据处理装置；该风速测量系统包括布置于房间两个门口的高温风速探点及与其电信号连接的数据处理装置；该质量变化测量系统包括燃料通过支架相连接的电子天平及与其电信号连接的数据处理装置；该图像测量系统包括对火焰形态的进行记录的两台摄像机； 所述实验燃料，采用较为清洁的燃料甲醇，燃烧完全，无烟粒子污染。
2.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:在房间的中央、侧壁和墙角有可以放支架的孔，燃料可以放在支架上，支架的高度可以调节，支架放在电子天平上，这样燃料可以位于着火房间中央、侧壁或者墙角，其高度也可以调节，研究不同火源位置和开口高度对腔室火灾的影响。
3.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:所述实验装置按实际建筑1:3的比例构造。
4.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:位于房间左侧和右侧的两个开口的大小均为宽0.3m、高0.4m，这两侧外墙的板材可以通过抽出和插入来改变。
5.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:该实验装置的外界风系统包括主体框架、产生外界风的轴流风机、调节风速的变频器、整流纱布和整流风管组成，整个外界风系统长2.0m，风幕的截面尺寸为1.5m*1.5m。
6.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:该实验装置的外界风系统产生的外界风的风速范围为0-6.0m/s。
7.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:该实验装置的外界风系统的主体框架下有滑轮，可以根据实验需要移动，研究不同风向对双开口的腔室火灾的影响。
8.根据权利要求1所述的一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置，其特征在于:该实验装置的电子天平通过支架与燃料相连，模拟火源可以采用甲醇，也可以采用木垛为燃料，更加真实的模拟建筑内火灾的发生发展。
【文档编号】G09B25/00GK103761919SQ201410043871
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】纪杰, 李林杰, 原向勇, 李开源, 范传刚, 付艳云, 李曼, 万华仙 申请人:中国科学技术大学