一种可燃物的空间模化分析装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种可燃物的空间模化分析装置及方法，该装置包括预存储用于容纳可燃物的空间中所有可燃物的重量及其燃烧特性参数的存储模块（3），将所述空间划分成多个子空间的分解模块（2），将每个子空间进行三维建模的建模模块（4），将每个三维建模后的子空间进一步划分为多个空间单元的空间划分模块（5），计算每个空间单元及整个空间的可燃物的每秒释放的热量和毒性烟气总量及持续燃烧时间的统计模块（7），显示可燃物的持续燃烧时间、释放的热量和毒性烟气总量及温度的显示模块（8）。本发明可科学精确预测可燃物燃烧释放热量、毒性烟气量、周围空间温度随时间的变化情况以及火灾的蔓延情况。
【专利说明】一种可燃物的空间模化分析装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及火灾预警【技术领域】，尤其涉及一种可燃物的空间模化分析装置。
【背景技术】
[0002]火灾的主要危害来自于热和烟气，而最大的危害是由热引起的。
[0003]用数值模拟的方法预测火灾的发展是一种有效研究火灾的方法。由于其参数设定具有任意性和预测结果的可再现性，目前利用该方法对火灾发展的数值预测已取得了不少成果。数值模拟方法应用的前提是必须建立正确且可信的火灾数学模型，火灾的模型分为场模型(Field Model)、区域模型(Zone Model)、网络模型(Network Model)和专家模型等。在分析火灾的模型中，需要对可燃物(或点火源)进行模化，通常情况下是模化为空间中的一个质点，并采用均一化的燃烧特性参数。
[0004]在现实情况中，可燃物(或点火源)都是具有一定体积的，并且往往是由多种物质组成，其不同部位的燃烧特性参数很可能不一致。例如一台电动泵，由电机、泵体、联轴器、润滑油路组成，电机部分主要的可燃物为绕组，泵体部分的主要可燃物为油漆涂层，联轴器与润滑油路部分的主要可燃物为油。这几部分在空间上的位置不一致、燃烧特性参数不一致，如果简单采用均一化质点的形式来模化，显然是不精确的，尤其在狭小空间内，这种不精确性带来的影响更加严重。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于，现有技术对可燃物的均一化质点模化不够精确，尤其是狭小空间内，影响更为严重等的上述缺陷，提供一种可燃物的空间模化分析装置。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种可燃物的空间模化分析装置和方法，其中，该空间模化分析方法包括以下步骤:
[0007]S1、预存储用于容纳可燃物的空间中所有可燃物的重量及其燃烧特性参数；
[0008]S2、根据可燃物的燃烧特性参数及所述空间的形状将所述空间划分成多个子空间；
[0009]S3、对每个所述子空间进行建模；
[0010]S4、将每个所述子空间进一步划分为多个体积相等的空间单元；
[0011]S5、根据每个所述空间单元内可燃物的重量和燃烧特性参数计算每个所述空间单元内的可燃物发生燃烧时的持续燃烧时间，并统计整个所述空间的所有可燃物在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量以及持续燃烧时间；
[0012]S6、显示整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化。
[0013]上述的可燃物的空间模化分析方法中，还包括以下步骤:
[0014]S45、在所述步骤S4和步骤S5之间，记录每个所述空间单元的空间坐标并计算所述空间单元的中心点，并将每个所述空间单元模化为一个质点。
[0015]上述的可燃物的空间模化分析方法中，还包括:
[0016]S7、输出整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化的数据。
[0017]上述的可燃物的空间模化分析方法中，所述燃烧特性参数包括可燃物的燃烧热值、燃烧时的热释放速率和毒性烟气释放速率。
[0018]上述的可燃物的空间模化分析方法中，每个所述空间单元内的可燃物的重量依照以下方法计算:
[0019]计算所述空间内所有可燃物的总重量与所述空间包含的所有空间单元个数的比值，将该比值作为每个所述空间单元内的可燃物的重量。
[0020]一种可燃物的空间模化分析装置，包括:
[0021]用于预存储用于容纳可燃物的空间中所有可燃物的重量及其燃烧特性参数的存储丰吴块；
[0022]用于根据可燃物的燃烧特性参数及所述空间的形状将所述空间划分成多个子空间的分解模块；
[0023]用于对每个所述子空间进行建模的建模模块；
[0024]用于将每个所述子空间进一步划分为多个体积相等的空间单元的空间划分模块；
[0025]用于根据每个所述空间单元内可燃物的重量和燃烧特性参数计算每个所述空间单元内的可燃物发生燃烧时的持续燃烧时间，并统计整个空间的所有可燃物燃烧时释放的总热量和毒性烟气总量以及持续燃烧时间的统计模块；
[0026]用于显示整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化的显示模块。
[0027]上述的可燃物的空间模化分析装置中，所述空间模化分析装置还包括用于记录每个所述空间单元的空间坐标并计算所述空间单元的中心点，并将每个所述空间单元模化为一个质点的模化模块。
[0028]上述的可燃物的空间模化分析装置中，所述空间模化分析装置还包括用于输出整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化的数据的输出接口。
[0029]上述的可燃物的空间模化分析装置中，所述燃烧特性参数包括可燃物的燃烧热值，以及燃烧时的热释放速率和毒性烟气释放速率。
[0030]上述的可燃物的空间模化分析装置中，每个所述空间单元内的可燃物的重量为计算得到的所述空间内所有可燃物的总重量与所述空间包含的所有空间单元个数的比值。
[0031]实施本发明的可燃物的空间模化分析装置及方法，具有以下有益效果:根据可燃物的性质及该可燃物的空间形状，将该空间分解为多个部分，且将每个部分划分为多个空间单元，并计算各空间单元内的可燃物燃烧时释放的热量、毒性烟气量、持续燃烧时间，进而精确统计整个可燃物释放的总热量、毒性烟气总量、持续燃烧时间及周围空间温度随时间的变化情况，科学预测和有效应对火灾的发展，防止火灾的蔓延与扩大。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0033]图1是本发明可燃物的空间模化分析装置实施例的结构示意图；
[0034]图2为本发明可燃物的空间模化分析方法实施例的工作流程图；
[0035]图3是本发明可燃物的空间模化分析装置实施例的电动泵正视图；
[0036]图4是本发明可燃物的空间模化分析装置实施例的电动泵侧视图。
【具体实施方式】
[0037]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。
[0038]为了准确预测火灾的发展，可采用若干个质点模化可燃物，每个质点具有不同的空间位置，每个质点具有不同的燃烧特性参数；火灾分析时，所模化的若干个质点同时燃烧，将每个质点所释放的热量、物质累计起来描述整个可燃物的燃烧特性参数。
[0039]在本发明提供的一种可燃物的空间模化分析装置实施例中，如图1所示，包括存储模块3，用于存储容纳可燃物的空间中所有可燃物的重量及其燃烧特性参数；分解模块2，用于根据可燃物的燃烧特性参数及所述空间的形状将所述空间划分成多个子空间；建模模块4用于对每个所述子空间进行建模；空间划分模块5，用于将每个所述子空间进一步划分为多个体积相等的空间单元；模化模块6，用于记录每个所述空间单元的空间坐标并计算所述空间单元的中心点，并将每个所述空间单元模化为一个质点；统计模块7，用于根据每个所述空间单元内可燃物的重量和燃烧特性参数计算每个所述空间单元内的可燃物发生燃烧时的持续燃烧时间，并统计整个空间的所有可燃物燃烧时释放热量和毒性烟气的速度以及持续释放时间；以及显示模块8，用于显示整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化。
[0040]其中，分解模块2根据空间(即用于容纳可燃物的空间)形状、组成物质特性等因素，将空间分解为若干个子空间，使每个子空间具有相对均一的可燃物质与燃烧特性参数。而空间划分模块5根据计算的精度要求来确定将子空间进一步划分成空间单元的个数，如果进一步细分空间单元，其数量对于最后的计算结果影响较小，在一定的范围之后，则可以认定空间单元的个数不需要进一步细分。显示模块8不仅显示整个空间及每个空间单元内的可燃物的持续燃烧时间、燃烧过程中释放的总热量及毒性烟气总量，还可显示可燃物所在的整个空间(如某房间内)温度及烟气高度随时间的变化等。
[0041]另外，根据整个空间内可燃物的重量及燃烧特性参数，统计模块7计算每个空间单元内的可燃物的重量、释放热量的持续时间、毒性烟气总量，以及统计整个空间的可燃物的每秒释放的总热量和毒性烟气总量及持续燃烧时间，其毒性烟气主要是根据空间单元的尺寸计算烟气的高度随时间的变化，所以在刚开始输入的时候应该考虑可燃物所在空间单元的空间尺寸。每个空间单元内的可燃物的重量为计算得出的整个空间内的所有可燃物的总重量与整个空间内的空间单元个数的比值。
[0042]燃烧特性参数为可燃物的燃烧热值、燃烧时的热释放速率和毒性烟气释放速率。燃烧热值是指单位质量或单位体积的可燃物完全燃烧释放出的热量，是一个常数；热释放速率是指单位时间内可燃物燃烧所释放出的热量；毒性烟气释放速率是指单位时间内可燃物燃烧所释放出的毒性烟气(一般为C02和CO)浓度。火灾过程中上述三个燃烧特性参数是评价火灾危险性的重要参数，也是进行火灾模拟研究的基础参数。通常采用试验测定的方法，对各种物质确定单位质量的燃烧热值、单位质量的热释放速率，以及毒性烟气释放速率。
[0043]本发明可燃物的空间模化分析装置，还包括用于输出整个空间及每个空间单元内的可燃物在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及持续燃烧时间的数据的输出接口9，同时，该输出接口 9还可输出可燃物所在空间单元内的温度及毒性烟气高度随时间变化的毒性烟气的数据。输出接口 9还用于将空间模化分析装置对可燃物的分析结果导出，例如打印、保存等操作。
[0044]本发明可燃物的空间模化分析方法包括以下步骤:
[0045]S1、在存储模块3中预存储用于容纳可燃物的空间中所有的可燃物质的重量及燃烧特性参数；
[0046]S2、分解模块2根据可燃物的燃烧特性参数及空间的形状将空间(即用于容纳可燃物的空间)分解为多个子空间；其中，每个子空间具有相对均一的可燃物与燃烧特性参数，所分解出的子空间的个数，取决于空间形状及其组成物质特性等因素；
[0047]S3、根据分解后的每个子空间的形状及尺寸，建模模块4采用三维建模的方式，对每个子空间进行三维建模，以描述其空间特性；
[0048]S4、空间划分模块5将每个三维建模后的子空间(即子空间的三维模型)进一步划分为多个空间单元，并且保证每个子空间所划分的每个空间单元体积相等；其中，每个子空间所划分的空间单元数量越多，用于模化研究的火灾燃烧越精确；
[0049]S45、模化模块6对划分后的每个空间单元采用几何方法计算其中心点，并采用一个质点对其进行模化，模化为一个质点；
[0050]S5、根据存储单元3中可燃物质的燃烧特性参数和重量，统计模块7计算每个空间单元(即质点)内的可燃物的重量及可燃物的燃烧特性参数；将可燃物的成份与数据库中的可燃物质进行比对，根据匹配结果，将可燃物分解为对应的若干份；计算空间内的可燃物总重量与该空间内所有空间单元个数的比值，该比值作为每个空间单元内的可燃物的重量；还计算每个空间单元可燃物的每秒释放热量及其持续燃烧时间，并统计整个空间的可燃物在燃烧过程中的每秒释放总热量和毒性烟气总量及持续燃烧时间。
[0051]S6、显示模块8显示整个空间及每个空间单元可燃物燃烧的持续燃烧时间、释放的总热量及毒性烟气总量，为了更加直观，可通过图表等进行展示。
[0052]S7、为了打印、保存的需要，通过输出接口 9输出整个空间及每个空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度的数据，进行打印、保存等操作。
[0053]上述步骤展示了本发明可燃物的空间模化分析方法的工作过程，上述步骤可通过空间模化分析装置自动完成，某些步骤为可选项，在对特定可燃物进行分析时，可以不执行某些步骤。其他细节在装置部分已描述，在此不再赘述。
[0054]由于整个空间质点属于同一个或几个可燃物，因此假设这些质点同时燃烧，按照时间与空间的分布，将全部质点释放出的热量与释放物数量进行累加即为整个空间的，从而得出整个可燃物的燃烧特性参数，这种燃烧特性参数精确描述了可燃物具有多种组成物质以及具有空间体积的特性。
[0055]为了更加直观展示本发明的可燃物的空间模化分析装置及方法，下面以电动泵为例，结合图3、4来说明空间模化该分析装置及方法。
[0056]S1、将电动泵分解为电机与泵体两个部分，其中，电机部分的可燃物主要为电机绕组的绝缘涂层，泵体部分的可燃物主要为润滑油；这样分解是根据电动泵的空间结构以及主要可燃物的分布决定的；
[0057]S2、三维建模,将电机部分描述为一个与电机部分相似的直径300mm、高500mm的圆柱体；将泵体部分描述为一个与泵体部分相似的400mmX500mmX500mm的长方体；这样的描述方式是根据被模化实物的空间特性，采用其实际尺寸与形状来描述的；
[0058]S3、自动对三维建模进行划分，将电机和泵体两部分分别利用体积相同的规则形状网格进行划分，将两个部分分别分割成多个空间单元；
[0059]S4、对划分出的电极部分和泵体部分的多个体积单元，选定合适坐标原点，利用实际尺寸分别标定记录其几何中心点的三维坐标；
[0060]S5、在三维坐标系中，将划分的多个空间单元，按照步骤4计算出的几何中心点坐标，分别将其描述为多个质点；
[0061]S6、根据步骤I将电动泵分解为电机与泵体两部分，分别统计其可燃物的性质与重量；可以通过查询产品说明书、设计制造资料、国际标准、国家标准、行业标准等资料的形式，或实测的方式取得这部分资料；例如，经查询电动泵设计制造资料，可以确定电机部分的主要可燃物为电机绕组的聚酯绝缘漆，含有的重量为3kg ;泵体部分的主要可燃物为润滑油，含有的重量为4kg ；
[0062]S7、在确定的聚酯绝缘漆、润滑油这两种可燃物质，可以采用查询国际标准、国家标准、行业标准、设计制造资料等资料的形式，或采用燃烧试验的形式，利用热值分析设备获取其燃烧特性参数，主要包括燃烧热值和热释放率，可能还包括释放物质以及释放率；例如，该电动泵为国产设备，则可以通过查询聚酯绝缘漆与润滑油的国家标准，结合化工行业相关科研机构的试验结果(因这两种可燃物质均属于化工行业的产品)，分别确定聚酯绝缘漆的燃烧热值为18MJ/kg，热释放速率为30KW/S，润滑油的燃烧热值为45MJ/kg，热释放速率为 140KW/s ；
[0063]S8、确定这两种物质的总重量及燃烧特性参数、每个单元的空间位置；
[0064]因此，可以对每一个空间单元描述其燃烧特性参数，具体做法为:(1)电机部分的可燃物3kg聚酯绝缘漆，平均分配到该部分的多个空间单元中，每部分的重量相等；(2)泵体部分的可燃物4kg润滑油，平均分配到该部分的多个空间单元中，每部分的重量相等；
(3)假设电机部分有6个单元，每个单元中聚酯绝缘漆的燃烧热值为18MJ/kg*0.5kg=9MJ,热释放速率为30KW ;假设泵体部分有8个单元，每个单元中润滑油的燃烧热值为45MJ/kg*0.5kg=22.5MJ热释放速率为140KW ;以此作为14个空间单元(质点)的燃烧特性参数；
[0065]S9、根据确定的多个空间单元(质点)的燃烧特性参数，计算每个时间点的热量释放情况，例如，假设的电机6个部分，每部分9MJ热值，除以30KW，能持续燃烧300秒，每秒释放出30000J热量；假设的泵体8个部分，每部分22.5MJ，除以140KW，能持续燃烧160秒，每秒释放出140000J热量；
[0066]S10、多个空间单元(质点)实际上为同一台电动泵，燃烧是同时进行的，因此在每一时间点，将全部空间单元(质点)的释放热量进行累加，即可得到整个电动泵燃烧的热量释放总量。
[0067]本发明可燃物的空间模化分析装置及方法，将原本一个电动泵分解为多个空间单元(质点)，并且分别具有不同的空间位置、不同的燃烧特性参数；这样将I个可燃物空间分解为多个燃烧空间单元的方法，可以更加精确地描述、模化其特性。
[0068]此外，本发明是通过实施例进行描述的，但本发明不局限于实施例。本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的范围情况下，可以进行各种改变。
【权利要求】
1.一种可燃物的空间模化分析方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、预存储用于容纳可燃物的空间中所有可燃物的重量及其燃烧特性参数； 52、根据可燃物的燃烧特性参数及所述空间的形状将所述空间划分成多个子空间； 53、对每个所述子空间进行建模； 54、将每个所述子空间进一步划分为多个体积相等的空间单元； 55、根据每个所述空间单元内可燃物的重量和燃烧特性参数计算每个所述空间单元内的可燃物发生燃烧时的持续燃烧时间，并统计整个所述空间的所有可燃物在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量以及持续燃烧时间； 56、显示整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化。
2.根据权利要求1所述的可燃物的空间模化分析方法，其特征在于，还包括以下步骤: S45、在所述步骤S4和步骤S5之间，记录每个所述空间单元的空间坐标并计算所述空间单元的中心点，并将每个所述空间单元模化为一个质点。
3.根据权利要求2所述的可燃物的空间模化分析方法，其特征在于，还包括以下步骤: 57、输出整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化的数据。
4.根据权利要求1所述的可燃物的空间模化分析方法，其特征在于，所述燃烧特性参数包括可燃物的燃烧热值、燃烧时的热释放速率和毒性烟气释放速率。
5.根据权利要求1所述的可燃物的空间模化分析方法，其特征在于，每个所述空间单元内的可燃物的重量依照以下方法计算: 计算所述空间内所有可燃物的总重量与所述空间包含的所有空间单元个数的比值，将该比值作为每个所述空间单元内的可燃物的重量。
6.一种可燃物的空间模化分析装置，其特征在于，包括: 用于预存储用于容纳可燃物的空间中所有可燃物的重量及其燃烧特性参数的存储模块(3); 用于根据可燃物的燃烧特性参数及所述空间的形状将所述空间划分成多个子空间的分解模块(2); 用于对每个所述子空间进行建模的建模模块(4)； 用于将每个所述子空间进一步划分为多个体积相等的空间单元的空间划分模块(5)； 用于根据每个所述空间单元内可燃物的重量和燃烧特性参数计算每个所述空间单元内的可燃物发生燃烧时的持续燃烧时间，并统计整个所述空间的所有可燃物燃烧时释放的总热量和毒性烟气总量以及持续燃烧时间的统计模块(7); 用于显示整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化的显示模块(8)。
7.根据权利要求6所述的可燃物的空间模化分析装置，其特征在于，所述空间模化分析装置还包括用于记录每个所述空间单元的空间坐标并计算所述空间单元的中心点，并将每个所述空间单元模化为一个质点的模化模块(6 )。
8.根据权利要求6所述的可燃物的空间模化分析装置，其特征在于，所述空间模化分析装置还包括用于输出整个所述空间及每个所述空间单元内的可燃物的持续燃烧时间以及在燃烧过程中释放的总热量和毒性烟气总量及产生的温度变化的数据的输出接口(9)。
9.根据权利要求6所述的可燃物的空间模化分析装置，其特征在于，所述燃烧特性参数包括可燃物的燃烧热值，以及燃烧时的热释放速率和毒性烟气释放速率。
10.根据权利要求6所述的可燃物的空间模化分析装置，其特征在于，每个所述空间单元内的可燃物的重量为计算得到的所述空间内所有可燃物的总重量与所述空间包含的所有空间单元个数的比值。
【文档编号】G06F19/00GK104133977SQ201310161423
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2013年5月3日
【发明者】肖军, 杨志超, 张晓明, 戴忠华, 黄卫刚, 任历, 张宁, 钟山, 刘翔, 杨英豪, 张佳佳, 王李娟, 郭建兵, 陈捷飞 申请人:苏州热工研究院有限公司, 大亚湾核电运营管理有限责任公司, 中国广东核电集团有限公司