一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的制作方法

本实用新型属于火灾安全技术领域，具体为一种研究风环境中，火溢流在狭长受限空间内蔓延的模拟实验装置。针对环境风对狭长受限空间火溢流蔓延的影响，可以在不同的受限空间一侧施加不同的风环境研究受限空间火溢流的流动特性。

背景技术：

近年来，随着我国城市化进程的加快、城市建设的蓬勃发展以及对城市空间高效利用必要性的凸显，城市土地日益呈现高密度的紧凑型开发模式，虽然提高了建筑密度和建筑容积率，增加了更多城市使用空间，也导致了建筑空间环境促狭压迫。在建筑密集区，建筑物之间特别容易形成狭长的微环境，该狭长受限空间内部在外界风环境的作用下，会形成类似于峡谷内的气流运动，其内部局部风速会远大于环境风速，这将会对其内部大气中污染物的分布以及火灾工况中烟气及火势的蔓延产生影响。

建筑物发生火灾后，当起火房间的火灾发展到一定规模，高温烟气产生的热压和热辐射会导致外窗破裂，高温烟气夹带着火焰从玻璃破裂处喷出，在浮力的作用下上升形成火溢流。在建筑密集区，由于两旁建筑距离较近，一旦其中一侧建筑发生火灾，则有可能对另一侧建筑造成影响。狭长受限空间内火溢流的流动特性不仅与火源大小、起火房间结构、外立面开口结构及尺寸密切相关，外部空间结构及外界风环境也是影响其流动特性的主要因素。在狭长受限空间内，由于空间狭窄，局部风速大，其火势蔓延极有可能向下游或临近建筑蔓延，形成不可控的大型火场。因此，研究密集建筑形成的狭长受限空间内火溢流的流动特性对其内部火势的蔓延及烟气的扩散就变得十分必要。

Yokoi、Oleszkiewicz、Lee、Thomas等都在大量实验的基础上建立了火溢流流动特性的理论模型，得出了火溢流的轴心温度及速度随高度的变化规律，建立了火溢流与外墙之间的热流传递模型，并得到进一步的修正。中国科技大学的唐飞、胡隆华等人通过理论分析、模型实验等手段对自由边界、有垂直挡墙、倾斜挡墙限制边界以及高原低压、低氧环境下建筑外立面开口溢流行为的特征进行了研究。上述大多数研究多是基于火源特性、窗口结构对火溢流蔓延特性的影响。但在外界风作用下狭长受限空间火溢流的流动特性以及在此基础上研究相应的火灾控制技术也是建筑防火安全设计的主要内容之一。过去关于外界风对火灾蔓延影响的研究多是集中在室外火灾，研究的目的部分是用于草场火灾或森林火灾的蔓延，对于风环境对狭长受限空间内火溢流流动特性影响的研究并不多见。利用数值模拟尽管可以对外界风及环境结构对火溢流流动的影响进行研究，但数值模拟存在燃烧模型、湍流模型不完善，边界条件设定具有不确定性等缺点，且数值模拟结果的正确性也必须有实验结果来检验。全尺寸燃烧实验耗费大，不安全，且实验条件难以控制，以相似理论为基础开展比例模型实验就成为研究风环境作用下狭长受限空间火溢流流动特性的最好选择。基于此，设计出一套能模拟狭长受限空间火溢流蔓延的实验装置，用于研究风环境及狭长空间结构对狭长受限空间内火溢流流动特性的影响，找出不同影响因素作用下，狭长空间内火溢流流动的一般规律，将得出的实验结论推广到实际工程应用中。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种模拟装置用于研究不同的风环境及狭长空间结构对狭长受限空间内火溢流蔓延的影响，能够在不同宽度的狭长受限空间一侧施加不同的风速以研究受限空间内火溢流的流动特性。

本实用新型采用的技术方案为一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置，本装置主要包括模拟实验装置主体、送风系统、外挡墙及配套的测控系统。

所述模拟装置主体是与实际建筑按1:5比例搭建的多层多室建筑结构，模拟装置主体尺寸长9.2m，宽1.0m，高2.5m，共分为三层，第一层为起火层，设有两种不同尺寸的小室，用于模拟不同尺寸的起火房间。小燃烧室的尺寸为0.8m×1.0m×0.6m(长×宽×高)，大燃烧室尺寸为1.6m×1.0m×0.6m。二、三层均设有4个相同尺寸的房间。火源可根据需要可设置于小房间或大房间内，大、小房间的外窗可根据需要在高度和宽度方向上进行调节，调节可以通过改变内推拉挡板和外推拉挡板的位置实现。大、小燃烧室后部设有可开启的小门，燃烧时可根据需要进行补风。为防止建筑边缘对受限空间内火溢流流动特性产生影响，模拟装置主体前侧立面在向上高度方向和两侧长度方向进行了一定的拓展。主体结构采用镀锌钢板焊接密封而成，其中室内、外壁面贴高温防火棉，与实际建筑壁面传热情况相似。所有房间窗口、外门都可自由开启关闭，关闭时可保证密封性与防火性。

外挡墙主要是由基座和竖直挡板构成，竖直挡板的长度和高度均和模拟装置主体完全相同，竖直挡板主体采用2mm厚的镀锌钢板，面向火源侧贴防火棉。基座底端安装有轮子，可以灵活调整外挡墙的位置。

送风系统由风机、整流段、过渡段、支撑台组成，风机采用低噪声轴流式通风机，风速在0～4.5m/s范围内可调。整流段为方形筒状结构，使用铁皮材料制作，截面尺寸为1.5m×1.85m(宽×高)，与模拟装置主体高度相当，整流段长度为1m，内部截面位置布满内径为60mm的PVC管束，与风机间采用帆布连接。风机运行所产生的气流经过整流段整流后进入过渡段，过渡段的尺寸和整流段相当，过渡段内部焊接四对深25mm，宽2.5mm的凹槽，上下对应。实验时，将模拟装置主体及外挡墙拓展部分插入不同凹槽，用于调节狭长空间的宽度。送风系统下边安装有八个轮子，可以灵活调整整个送风系统的位置。

所述配套测控系统，包括温度测量系统，速度测量系统，燃料质量变化测量系统，图像测量系统，辐射热流量测量系统。所述温度测量系统包括布置在起火房间内，主体实验台外立面外侧的热电偶串及其数据采集处理装置。所述速度测量系统是布置在起火房间及上层房间窗口的风速测量装置。所述燃料质量变化测量系统包括燃料油盘，活动支架，电子天平及其信号传送装置。所述图像测量系统包括对火焰形态及其烟气运动路径记录的两台摄像机。所述辐射热流量测量系统包括布置在起火房间上部房间外窗的辐射热流计及其数据采集处理装置。

火源位于一层起火房间内，火源装置采用池火，燃料使用正庚烷、甲醇等无污染清洁能源，并可模拟多种火源功率的燃烧情况。

利用烟饼产生的烟气颗粒示踪可以模拟火灾烟气效果，烟饼架设在油盘上方的一定距离处，实验时点燃燃料，然后点燃烟饼，通过燃料燃烧的热浮升力促使烟饼产生的烟气在模拟装置内蔓延扩散，随后可以通过观察窗清晰的观察模拟火灾烟气在建筑外立面的蔓延过程。

本实用新型的优点和积极效果为：

(1)本实用新型为根据相似理论搭建的缩尺寸比例模型，克服了全尺寸高昂的实验代价和数值模拟结果不完全准确的弊端。起火房间的大小、外窗尺寸、火源功率、送风风速、狭长空间宽度等可以灵活调节。经济性高，可重复性强，操作方便，可以真实模拟风环境对狭长受限空间火溢流蔓延的影响，并可以通过摄像机对火溢流及烟气的蔓延过程进行记录。

(2)本实用新型主体前侧立面在高度方向和两侧宽度方向进行一定的拓展，可以有效的防止建筑边缘对受限空间内火溢流流动特性的影响。

(3)本实用新型所配备的测控系统先进完备。温度测量系统、速度测量系统、燃料质量变化测量系统、图像观测系统、辐射热流测量系统等均通过计算机可以实时记录、观察、分析。

(4)本实用新型所配备的送风系统技术性强、灵活度高。通过调整风机的频率，可形成不同的送风风速。系统下设八个轮子，能够灵活调整系统的位置，和模拟装置主体的各个部分很好地结合。过渡段内通过凹槽与模拟装置主体和外挡墙密切相连，可以实现根据工况的要求以不同尺寸的截面送风。

(5)本实用新型所配备的外挡墙灵活性较高，挡墙下设有滑轮，能够灵活改变受限空间的宽度。

(6)本实用新型采用的燃料为正庚烷、甲醇等清洁能源，环境友好，无污染，燃烧充分，火源稳定，危险性小，对实验人员没有不良刺激。

(7)本实用新型将燃料放在油盘内，然后将其放在电子天平上实时称重并通过隔热板进行隔热，能够起到很好的保护天平的作用。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的整体结构示意图。

图2为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的主体结构示意图。

图3为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的外挡墙结构示意图。

图4为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的送风系统示意图。

图5为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的送风系统过渡段的凹槽结构示意图(主视图)。

图6为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的一层起火房间后墙结构示意图。

图7为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的预制窗型示意图。

图8为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的温度、风速及热流测点布置示意图(主视图)。

图9为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的温度、风速及热流测点布置示意图(俯视图)。

图10为本实用新型所述的一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置的质量变化测量系统示意图。

图中：1-外立面；2-模拟装置主体；3-外挡墙；4-轴流风机；5-连接风管；6-窗口；7-窗口插槽；8-挡墙支架；9-滑轮；10-透明玻璃窗；11-支撑台；12-帆布连接；13-整流段；14-带凹槽的过渡段；15-起火房间补风门；16-外推拉挡板；17-内推拉挡板；18-辐射热流计；19-热电偶；20-火源；21-风速测量装置；22-电子天平。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施方式对本实用新型进行进一步说明。

一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置，该装置包括外立面1、模拟装置主体2、外挡墙3、轴流风机4、连接风管5、窗口6、窗口插槽7、挡墙支架8、滑轮9、透明玻璃窗10、支撑台11、帆布连接12、整流段13、带凹槽的过渡段14、起火房间补风门15、外推拉挡板16、内推拉挡板17、辐射热流计18、热电偶19、火源20、风速测量装置21和电子天平22；模拟装置主体2和外挡墙3相对布设组成一个狭长的空间，狭长的空间一侧设有若干个被隔断的房间，被隔断的房间用以模拟起火房间；外立面1与模拟装置主体2为一体结构，外立面1能够和外挡墙3组成不同宽度的狭长的空间；狭长的空间通过连接风管5与轴流风机4连接；模拟装置主体2上设有多个窗口插槽7，窗口6设置在窗口插槽7中；外挡墙3上设有透明玻璃窗10，外挡墙3的底部由挡墙支架8支撑，挡墙支架8上设有滑轮9；轴流风机4安装在支撑台11上，轴流风机4通过帆布连接12与连接风管5连接；连接风管5的中间为整流段13和带凹槽的过渡段14，帆布连接12通过整流段13、带凹槽的过渡段14与狭长的空间连通；起火房间补风门15设置在模拟装置主体2后方的底部，外推拉挡板16和内推拉挡板17分别设置在窗口6的外侧和内侧，辐射热流计18设置在狭长的空间内，热电偶19设置在起火房间和狭长空间内，火源20设置在模拟起火房间内，风速测量装置21设置在受限空间内过渡段的出口、起火房间上游处，电子天平22设置在模拟装置主体2的底部。

火源20采用正庚烷或甲醇等无污染清洁能源，并可模拟多种火源功率的燃烧情况。

参见图1，模拟实验装置的主要组成部分包括模拟装置主体、送风系统、外挡墙。模拟装置主体和外挡墙组成一个狭长的空间。模拟装置主体固定不动，模拟装置主体右侧拓展部分插入送风系统过渡段靠边的凹槽内，狭长受限空间的宽度通过调整外挡墙的位置实现。外挡墙的拓展部分通过插入送风系统过渡段内不同位置的凹槽，来实现通风工况下狭长空间宽度的改变。

参见图2，模拟实验装置主体部分长度为3.2m，宽度为1.0m，高度1.8m。为消除建筑边缘对受限空间内火溢流流动特性产生影响以及连接送风系统的需要，模拟装置主体前侧立面在向上高度方向和左右两侧长度方向进行了一定的拓展。高度方向向上拓展0.7m，左侧拓展部部分长5m，高度为2.5m；右侧拓展部分长1m，拓展段高度1.8m，拓展部分距地面高0.1m。模拟装置总长9.2m，高度2.5m。进行送风工况实验时，右侧拓展段插入送风系统过渡段靠边的凹槽内。模拟装置主体自一层往上三层设有小房间，3层以上高度只有外立面。设有房间的楼层高0.6m，其中二、三层每层设4个房间，房间尺寸为0.8m×1.0m×0.6m(长×宽×高)，每个房间拥有一个开口，开口上、下设有凹槽，用于插入防火玻璃块，开口的大小可调节，可以根据需要用来模拟外窗，并可以模拟房间外窗破裂和非破裂工况。一层设定为起火层，右侧两个房间的尺寸与楼上房间一致，左侧两个房间合并成一个大房间，用于模拟大面积办公房间内起火的场景。

参见图3，外挡墙，主要有基座和竖直挡板组成，基座采用角钢焊接而成，底端安装有轮子，用于调节外挡墙和装置主体之间的间距。竖直挡板主体采用2.0mm厚的镀锌钢板，面向火源侧贴防火棉。外挡墙中部设置透明防火玻璃窗，用于观察狭长受限空间内火溢流及烟气的流动。外挡墙主体部分高度和长度与模拟装置主体部分相同，左右两侧也存在与装置主体外立面结构相同的拓展段，用于通风时插入送风系统过渡段不同位置的凹槽，以实现狭长受限空间宽度的调整。

参见图4，送风系统通过变频实现转速的调整，从而满足本实用新型对风速的要求，通过整流装置实现送风断面风速的均匀。该系统可以通过调整万向轮实现送风系统水平位置的任意调整。送风系统的过渡段内部有四对凹槽，见图5，用于与模拟装置主体及外挡墙的连接。凹槽将过渡段的截面均匀分成三部分，每一部分的宽度为0.5m。通过固定模拟装置主体，改变外挡墙的位置，实现0.5m、1m、1.5m等3个宽度的受限空间，过渡段距地面高度0.1m。

参见图7，大、小房间的开口的大小可以进行调节，调节可以通过调整外推拉挡板、内推拉挡板的不同位置实现。

参见图10，火源可根据需要可设置于小房间或大房间内，火源下部为质量变化测量系统，房间的底部掏空。

本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，但本实用新型不限于具体实施方式的范围。