一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其能够在实验室模拟高层建筑火灾燃烧情况，研究外界风作用下高层建筑楼梯井和竖井时的烟气流动规律和控制系统，包括实验台主体、可移动风幕系统以及配套测控系统；本实用新型在实验测量系统方面，先进完备的温度、速度、压力和辐射热流测量系统，烟气成分分析系统，流场测量系统，观测系统等可以对烟气流动参数和烟控效果进行全方位的观测和研究。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。
【专利说明】一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及火灾安全【技术领域】，具体涉及一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置。
【背景技术】
[0002]随着经济发展和人口数量的增多，越来越多高层建筑屹立在城市之中，相应的火灾安全问题已弓I起人们的广泛关注。高层建筑发生火灾时，高温烟气通过房间、走廊、前室进入到楼梯井或竖井等竖向通道向上蔓延到高层建筑的其它楼层，严重影响人员的安全疏散。例如，2010年11月，上海静安区一教师公寓高层住宅发生火灾，导致58人死亡，70余人受伤。许多研究学者表明，火灾事故中绝大多数的人员死亡是由高温烟气引起的，因此，研究高层建筑楼梯井和竖井等竖向通道的烟气流动规律和烟气控制方案以及火灾蔓延规律对于保证高层建筑的总体火灾安全非常有意义和有必要。
[0003]对于楼梯井和竖井的烟气流动和控制，国内外学者已进行了相关实验研究。Tanaka利用高3m的竖井实验台(正方形横截面，长度0.8m和0.4m两种)研究了烟气前锋的上升时间和火源功率的关系。Mercier利用高4m的竖井实验台(正方形横截面，长度lm)，通过改变竖井入口气流速度，研究不同雷诺数和格拉晓夫数对竖井内烟气运动状态的影响。张靖岩利用1/8尺寸竖井实验台(高2.4m)，研究了不同火源功率下的羽流上升时间。Marshall利用1/5尺寸的5层楼梯井实验装置(实验台高3.3m)，测量了楼梯井实验台内的烟气温度。孙晓乾利用1/3尺寸的12层楼梯井实验装置(实验台高12.2m)，研究了楼梯井内烟气运动规律和控制方案。以上这些实验装置都是在不考虑外界风情况下进行相关实验，但对于实际的高层建筑，一般都存在较大的外界风，外界风对楼梯井和竖井内部烟气运动具有重要影响，目前国内外只是进行了 CFD数值模拟研究，没有进行系统深入的实验研究。
[0004]全尺寸火灾实验需要调动大量的人力、物力和财力，另外实验条件难以控制，受各种因素影响大，可重复性差，因此，对于开展大量实验研究，找出其中存在的规律，全尺寸实验装置不是一种很好的选择。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种外界风作用下高层建筑楼梯井(竖井)火灾实验模拟装置，能够在实验室模拟高层建筑火灾燃烧情况，研究外界风作用下高层建筑楼梯井和竖井时的烟气流动规律和控制系统
[0006]本实用新型采用的技术方案为:
[0007]—种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，包括实验台主体、可移动风幕系统以及配套测控系统；
[0008]所述实验台主体，是与实际高层建筑实际尺寸成一定比例的建筑模型，包括楼梯井、竖井、前室、房间、走廊等建筑构件。整体采用钢板搭建，并焊接密封而成，其对外的门和窗采用平开方式，并作高温密封处理，使之关闭时达到密封效果；实验台主体支架采用角钢搭建；实验台主体的前侧均采用钢化玻璃外墙，所述钢化玻璃方便观察建筑内部实验过程和现象，该钢化玻璃与所述角钢之间也作高温密封处理；实验台主体的其他侧面以及楼梯井内楼梯踏步均由耐高温防火板(内衬)和钢板组成；楼梯井、竖井、前室、房间、走廊等建筑构件均有开口，可以通过方形法兰联通。
[0009]所述可移动风幕系统，包括风幕支架、支架底端滑轮、风机、风道、电动葫芦钢丝绳、电动葫芦滑轮等组成；所述风幕支架采用角钢搭建，所述支架底端轮子，用于水平方向移动风幕系统。所述风道采用钢板搭建，并焊接密封而成；所述电动葫芦钢丝绳和滑轮用于调节风机和风道高度；
[0010]所述配套测控系统，包括火焰和烟气温度测量系统、风速测量系统、压力测量系统、烟气成分分析系统、烟气流场测量系统、烟气辐射热流测量系统；所述火焰和烟气温度测量系统包括楼梯井和竖井中间一串竖向热电偶和前室、房间和走廊内部热电偶阵列；所述风速测量系统包括布置于楼梯井和竖井左侧窗户处以及前室、房间、走廊门口处的高温风速探头阵列及与其电信号连接的数据处理装置；所述压力测量系统包括布置于楼梯井和竖井内部的压力探头及与其电信号连接的数据处理装置；所述烟气成分分析系统包括布置于楼梯井和竖井内部的烟气成分测量探头及与其电信号连接的数据处理装置；所述烟气流场测量系统包括布置于楼梯井和竖井底部以及实验台右侧开口的激光片光源，在实验台正面设置摄像机，以观察实验台内片光面上的烟气流动状况。所述烟气辐射热流测量系统包括布置在楼梯井和竖井壁面上的辐射热流计与其电信号连接的数据处理装置。
[0011]其中，所述楼梯井和竖井可以通过方形法兰和前室、房间、走廊等构件自由组合连接，满足不同实验需求。
[0012]其中，所述实验台按实际建筑的1:6的比例建造，共分为6层，所述楼梯井、竖井、前室、房间、走廊侧墙上具有可自由关闭的开口，也可用于实验人员布置测量装置和清洗实验台。
[0013]其中，所述楼梯井、竖井、前室、房间、走廊壁面均有由耐高温防火板(内衬)和钢板组成，与实际建筑壁面传热情况类似，实验结果更加准确。
[0014]其中，所述可移动风幕系统不仅位置可以自由移动，而且风机和风道高度可以自由调节，支架的柱子起固定和支撑作用，柱子上有U形小槽，风道与U形小槽通过滑轮相接触，减少风机上下的摩擦力，增加风机运动的稳定性。U形小槽上有小孔，将风机上升到需要的高度后，将安全棒插到风幕下U形小槽上的小孔里面，以防钢丝绳断裂，增加安全性。风幕高度可调范围0-3.8m。
[0015]其中，所述可移动风幕系统的风速大小通过改变风机频率来调节，风速范围O-Sm/
So
[0016]其中，所述可移动风幕系统风道内部放置直径为Icm的PVC塑料管，塑料管道长70cm,将可以塑料管道均匀布置在风道内部，构成整流段，使空气均匀的从整流段流出，从而保证提供稳定的外界风速。
[0017]其中，所述火源可位于楼梯井、竖井、前室、房间和走廊的底面。
[0018]其中，所述火源可采用正庚烷、甲醇、木垛、液化火等多种标准燃料模拟实际可燃物。
[0019]其中，所述火源也可采用甲醇火，利用烟饼产生的烟颗粒示踪模拟火灾烟气，烟饼与甲醇油盘保持一定距离，实验时，先点燃烟饼，然后点燃甲醇，甲醇燃烧时卷吸空气，产生的浮力作用驱使烟饼产生的烟气在实验台内流动，即可较为清晰地模拟火灾烟气在高层建筑内的蔓延情况和从楼梯井和竖井中排出的过程。
[0020]本实用新型的优点和积极效果为:
[0021]( I)在安全性和环境友好方面，采用甲醇油池火作为火源，燃烧充分完全，产物清洁；同时，利用烟饼产生的烟气模拟火灾烟气，环境友好，无污染，对人体无不良刺激；
[0022](2)在烟气运动模拟实验效果方面，实验台依据Froude相似理论，完整地模拟外界风作用下高层建筑楼梯井、竖井、前室、房间、走廊等建筑构件内烟气流动状态，并能通过实验台前侧钢化玻璃观察窗清晰地监测到实验过程中火灾和烟气蔓延现象；
[0023](3)在外界风模拟效果方面，可移动风幕系统位置、高度和风速可以自由调节，风道内部放置直径为Icm的PVC塑料管能够提供稳定的外界风速；
[0024](4)在实验操作方面，楼梯井、竖井、前室、房间、走廊侧墙上具有可关闭的开口，可用于实验人员布置测量装置和清洗实验台；楼梯井和竖井可以通过方形法兰和前室、房间、走廊等构件自由组合连接，满足不同实验需求，使用方便；
[0025](5)在实验测量系统方面，先进完备的温度、速度、压力和辐射热流测量系统，烟气成分分析系统，流场测量系统，观测系统等可以对烟气流动参数和烟控效果进行全方位的观测和研究；
[0026](6)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。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型所述竖井整体结构示意图；
[0028]图2为本实用新型所述楼梯井整体结构示意图；
[0029]图3为本实用新型所述前室和房间整体结构示意图；
[0030]图4为本实用新型所述走廊整体结构示意图；
[0031]图5为楼梯井和竖井左侧窗户、风速仪探头和烟气成分分析仪探头位置示意图(左视图)；
[0032]图6为楼梯井和竖井中间的热电偶和压力探头位置示意图(前视图)；
[0033]图7为楼梯井和竖井右侧辐射热流计位置示意图(右视图)；
[0034]图8为前室和房间热电偶位置示意图(前视图)；
[0035]图9为走廊热电偶位置示意图(前视图)；
[0036]图10为本实用新型所述可移动风幕系统整体结构示意图。
[0037]图中标号:1-竖井左侧窗户；2_竖井左侧壁(防火板和钢板);3_竖井激光片光源；4-竖井后侧壁(防火板和钢板);5_竖井右侧壁(防火板和钢板)；6-竖井前侧壁(钢化玻璃)；7-竖井右侧方形法兰；8_竖井支架；9_楼梯井左侧窗户；10-楼梯井左侧壁(防火板和钢板);11-楼梯井激光片光源；12-楼梯后侧壁(防火板和钢板)；13-楼梯右侧壁(防火板和钢板);14_楼梯井前侧壁(钢化玻璃);15_楼梯井每层楼梯平台；16-楼梯井每层倾斜楼梯段；17-楼梯右侧方形法兰；18_楼梯井支架；19_前室左侧方形法兰；20_前室前侧壁(钢化玻璃)；21-前室左侧壁(防火板和钢板)；22-前室后侧壁(防火板和钢板)；23-联通前室和房间的门洞；24_房间后侧壁(防火板和钢板)；25-房间右侧壁(防火板和钢板)；26-房间右侧与室外相连的门洞；27_房间前侧壁(钢化玻璃);28_前室和房间支架；29_前室和房间前方摄像机；30_走廊左侧方形法兰；31_走廊前侧壁(钢化玻璃)；32-走廊左侧壁(防火板和钢板);33-走廊后侧壁(防火板和钢板)；34-走廊右侧壁(防火板和钢板)；35-走廊右侧与室外相连的门洞；36_走廊支架；37_走廊前方摄像机；38_竖井和楼梯井烟气成分分析仪探头；39_左侧壁窗户前视图；40_竖井和楼梯井高温热线风速仪探头；41_竖井和楼梯井铠装热电偶；42_竖井和楼梯井压力探头；43_竖井和楼梯井辐射热流计；44_右侧方形法兰；45-如室和房间销装热电偶；46_如室如视图；47_房间如视图；48_走廊销装热电偶；49_走廊前视图；50_可移动风幕系统底端轮子；51_风道内风机；52_长方体风道；53_可移动风幕系统整体支架；54_电动葫芦钢丝绳；55_电动葫芦滑轮；56_直径为1cm PVC塑料管。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本实用新型。
[0039]参见图1，竖井总高为3.5m，其中竖井支架8高0.5m，采用角钢搭建；竖井横截面尺寸为0.75mX0.5m。竖井左侧壁2中间有六个尺寸为0.4mX0.3m的窗户I，窗户I采用平开方式，可以自由打开和关闭，内镶5mm厚的钢化玻璃。左侧壁面2外表面为5mm厚的钢板，内衬为8_厚的防火板。竖井后侧壁4、竖井右侧壁5和竖井左侧壁2的结构一样。竖井前侧壁6为8_厚的钢化玻璃，四周采用高温密封处理，激光片光源3固定在竖井顶端，用于观察竖井内烟气流动状态。竖井低端方形法兰7尺寸为0.35mX0.3m，可以与前室左侧方形法兰19和走廊左侧方形法兰30连接。
[0040]参见图2，楼梯井总高为3.5m，其中楼梯井支架18高0.5m，采用角钢搭建；楼梯井横截面尺寸为0.75mX0.5m。楼梯井左侧壁10中间有六个尺寸为0.4mX 0.3m的窗户9，窗户9采用平开方式，可以自由打开和关闭，内镶5mm厚的钢化玻璃。左侧壁面10外表面为5mm厚的钢板，内衬为8mm厚的防火板。楼梯井后侧壁12、楼梯井右侧壁13和楼梯井左侧壁10的结构一样。楼梯井前侧壁14为8mm厚的钢化玻璃，四周采用高温密封处理，激光片光源11固定在楼梯井顶端，用于观察楼梯井内烟气流动状态。楼梯每层都安装两个楼梯平台15和两个倾斜楼梯段16，材料都由钢板和防火板组成。楼梯平台15尺寸为0.15mX0.5m,倾斜楼梯段16尺寸为0.23mX0.51m，倾斜角度为50°。楼梯井低端方形法兰7尺寸为
0.35mX0.3m，可以与前室左侧方形法兰19和走廊左侧方形法兰30连接。
[0041]参见图3，前室和房间长宽高为0.5mX0.5mX0.5m。前室左侧21、前室后侧22、房间后侧24、房间右侧25、前室房间顶部和底部均由5mm厚的钢板和8mm厚的防火板组成,前室前侧20和房间前侧27为8mm厚的钢化玻璃，四周采用高温密封处理，用于观察前室和房间内烟气流动状态。前室左侧法兰19可与竖井法兰7和楼梯井法兰17相连接；前室和房间通过尺寸为0.35mX0.3m门洞23连接。房间右侧通过0.35mX0.3m门洞26与室外连接。前室和房间支架28高0.5m，采用角钢搭建。摄像机29放置在前室和房间前面，记录火焰形态和烟气流动状态。
[0042]参见图4，走廊长宽高为2mX 0.5mX 0.5m。走廊左侧21、走廊后侧22、走廊右侧25、走廊顶部和底部均由5mm厚的钢板和8mm厚的防火板组成；走廊前侧31为8mm厚的钢化玻璃，四周采用高温密封处理，用于观察走廊内烟气流动状态。走廊左侧法兰30可与竖井法兰7和楼梯井法兰17相连接；走廊右侧通过0.35mX0.3m门洞35与室外连接。走廊支架36高0.5m，采用角钢搭建。摄像机37放置在走廊前面，记录火焰形态和烟气流动状态。
[0043]参见图5，竖井和楼梯井左侧壁面每层中间安装一个窗户39，窗户39尺寸为
0.4m X 0.3m,烟气成分分析仪探头38和风速仪探头40布置在左侧壁面中间，每层各布置一个，用于测量窗户39处的风速和烟气成分。烟气成分分析仪探头38和风速仪探头40水平间隔距离为0.02m，竖向间隔距离为0.5m。
[0044]参见图6，竖井和楼梯井中间布置一串铠装热电偶41 (29个)和一串压力探头42(29个)，用于测量竖井和楼梯井内部的温度分布和压强分布。铠装热电偶41和压力探头42水平间隔距离为0.02m，竖向间隔距离为0.lm。
[0045]参见图7，竖井和楼梯井右侧壁面上布置一串辐射热流计43，共11个，用于测量竖井和楼梯井内部热烟气的辐射热流，辐射热流计43竖向间隔距离为0.25m。竖井和楼梯井右侧壁面上法兰44尺寸为0.35mX0.3m,与前室左侧方形法兰19和走廊左侧方形法兰30连接。
[0046]参见图8,前室46和房间47布置一个热电偶阵列45,共60根热电偶45,用于测量前室和房间内的火焰和烟气温度分布。
[0047]参见图9，走廊49布置一个热电偶阵列48，共105根热电偶48，用于测量走廊内的火焰和烟气温度分布。
[0048]参见图10，移动风幕系统包括风幕支架53、支架底端轮子50、风机51、风道52、电动葫芦钢丝绳54、电动葫芦滑轮55等，风幕支架53高为3.8m,采用角钢搭建，支架横向和纵向距离分别为Im和2m，支架53下方有轮子50，用于水平方向移动风幕系统。风道52长宽高为1.5mX0.8mX0.8m，采用钢板搭建，并焊接密封而成，其中风机51固定在风道52左端，风机51频率可以调节，提供不同风速，风速范围为0-8m/s ;风道52左端放置许多直径为IcmPVC塑料管56，确保能够提供稳定的外界风速。风道52通过葫芦钢丝绳54和电动葫芦滑轮55可以竖向调节高度。
[0049]本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
[0050]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，以便于本【技术领域】的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于【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实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型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高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，包括实验台主体、可移动风幕系统以及配套测控系统； 所述实验台主体，是与实际高层建筑实际尺寸成一定比例的建筑模型，包括楼梯井、竖井、前室、房间、走廊建筑构件，整体采用钢板搭建，并焊接密封而成，其对外的门和窗采用平开方式，并作高温密封处理，使之关闭时达到密封效果；实验台主体支架采用角钢搭建；实验台主体的前侧均采用钢化玻璃外墙，所述钢化玻璃方便观察建筑内部实验过程和现象，该钢化玻璃与所述角钢之间也作高温密封处理；实验台主体的其他侧面以及楼梯井内楼梯踏步均由耐高温防火板和钢板组成；楼梯井、竖井、前室、房间、走廊建筑构件均有开口，可以通过方形法兰联通； 所述可移动风幕系统，包括风幕支架、支架底端滑轮、风机、风道、电动葫芦钢丝绳、电动葫芦滑轮组成；所述风幕支架采用角钢搭建，所述支架底端轮子，用于水平方向移动风幕系统，所述风道采用钢板搭建，并焊接密封而成；所述电动葫芦钢丝绳和滑轮用于调节风机和风道高度； 所述配套测控系统，包括火焰和烟气温度测量系统、风速测量系统、压力测量系统、烟气成分分析系统、烟气流场测量系统、烟气辐射热流测量系统；所述火焰和烟气温度测量系统包括楼梯井和竖井中间一串竖向热电偶和前室、房间和走廊内部热电偶阵列；所述风速测量系统包括布置于楼梯井和竖井左侧窗户处以及前室、房间、走廊门口处的高温风速探头阵列及与其电信号连接的数据处理装置；所述压力测量系统包括布置于楼梯井和竖井内部的压力探头及与其电信号连接的数据处理装置；所述烟气成分分析系统包括布置于楼梯井和竖井内部的烟气成分测量探头及与其电信号连接的数据处理装置；所述烟气流场测量系统包括布置于楼梯井和竖井 底部以及实验台右侧开口的激光片光源，在实验台正面设置摄像机，以观察实验台内片光面上的烟气流动状况，所述烟气辐射热流测量系统包括布置在楼梯井和竖井壁面上的辐射热流计与其电信号连接的数据处理装置。
2.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述楼梯井和竖井可以通过方形法兰和前室、房间、走廊构件自由组合连接，满足不同实验需求。
3.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述实验台按实际建筑的1:6的比例建造，共分为6层，所述楼梯井、竖井、前室、房间、走廊侧墙上具有可自由关闭的开口，也可用于实验人员布置测量装置和清洗实验台。
4.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述楼梯井、竖井、前室、房间、走廊壁面均有由耐高温防火板和钢板组成，与实际建筑壁面传热情况类似，实验结果更加准确。
5.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述可移动风幕系统不仅位置可以自由移动，而且风机和风道高度可以自由调节，支架的柱子起固定和支撑作用，柱子上有U形小槽，风道与U形小槽通过滑轮相接触，减少风机上下的摩擦力，增加风机运动的稳定性，U形小槽上有小孔，将风机上升到需要的高度后，将安全棒插到风幕下U形小槽上的小孔里面，以防钢丝绳断裂，增加安全性，风幕高度可调范围0-3.8m。
6.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述可移动风幕系统的风速大小通过改变风机频率来调节，风速范围0_8m/s。
7.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述可移动风幕系统风道内部放置直径为Icm的PVC塑料管，塑料管道长70cm,将可以塑料管道均匀布置在风道内部，构成整流段，使空气均匀的从整流段流出，从而保证提供稳定的外界风速。
8.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述火源可位于楼梯井、竖井、前室、房间和走廊的底面。
9.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述火源可采用正庚烷、甲醇、木垛、液化火多种标准燃料模拟实际可燃物。
10.根据权利要求1所述的一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，其特征在于，所述火源也可采用甲醇火，利用烟饼产生的烟颗粒示踪模拟火灾烟气，烟饼与甲醇油盘保持一定距离，实验时，先点燃烟饼，然后点燃甲醇，甲醇燃烧时卷吸空气，产生的浮力作用驱使烟饼产生的烟气在实验台内流动，即可较为清晰地模拟火灾烟气在高层建筑内的蔓延情况和从楼梯井和竖井中排出的过程。
【文档编号】G09B25/00GK203706566SQ201420057338
【公开日】2014年7月9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, 师文喜, 李开源, 李林杰, 原向勇, 范传刚, 高子鹤 申请人:中国科学技术大学