一种环境风作用下高层建筑立体火行为模拟实验装置的制作方法

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及一种环境风作用下高层建筑立体火行为模拟实验装置，其为存在复杂环境风作用下的高层建筑立体火行为与火焰特征参数的演变规律的实验与研究设备。

背景技术：

随着我国城市不断发展，为缓解用地紧张，越来越多的高层建筑逐渐兴起，高度越来越高，结构越来越复杂，功能越来越多样化，随之而来的是突出的高层建筑火灾问题，并有愈演愈烈之势。近年来发生很多大型建筑火灾事件，均形成了由腔室火灾到外壁面火蔓延再到上层建筑内部被引燃的“立体火蔓延”行为，比传统的外壁面火蔓延危害更大，造成了大量人员伤亡和财产损失，引起社会广泛而深刻的思考。

2010年上海静安胶州路教师公寓住宅由于电焊工无证违规操作，致使周围易燃物被焊渣引燃，造成脚手架突发大火。最终遇难人数58人，受伤70余人。2009年中央电视台(CCTV)新址北配楼工地发生大火，火势有80米到100米高，火灾共造成1人死亡和7人受伤。类似的案例还有012广州荔湾区光复路光复大厦13楼一房子发生火灾，在受限空间发生火灾后，火焰通过窗户向建筑外立面的窗户溢出，对上层建筑造成了很大的破坏。

另外，火灾的发生往往伴随着外界风的作用，高层建筑随竖直高度的增加风速将不断增大，在香港城区，海拔32m高度上风速约为3-8m/s，最大风速可超过40m/s。当风速范围为5-20m/s时，风速作用于建筑的风压将达到15-240Pa，而一般火焰产生的压差仅为5Pa。毫无疑问，外部环境风将会对火灾动力学、烟气蔓延及溢出火焰的热力学行为产生显著的影响，导致火灾发展特征不同于传统的无风条件下的研究。

在强烈的外界环境风作用下，会加剧溢出火焰“由外入内”的过程，促进高层建筑立体火蔓延行为的发展，从而引发严重的火灾蔓延事故。同时，由于环境风的风向复杂多变，极易产生侧向风将火焰吹向邻层引起更为严重的蔓延。目前国内对于高层建筑立体火蔓延(溢出火焰由外入内)行为研究较少，尤其是针对复杂环境风作用下的立体火蔓延行为的研究几乎处于空白，科研人员对此缺乏相关的认识，工程人员及火灾现场扑救与应急调度急需相应的预测模型作为辅助决策支持。因此，研究高层建筑立体火蔓延行为，尤其在环境风作用下其立体火蔓延行为具有非常重要的意义。

技术实现要素：

为了研究复杂环境风对高层建筑火灾立体火蔓延行为及火焰特征参数的影响，本发明提供一套可以研究环境风作用下高层建筑立体火蔓延行为的火灾模拟实验装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种环境风作用下高层建筑立体火行为模拟实验装置，包括高层建筑模型、火源模拟装置、旋转平台、三维可移动式热电偶架和方向可调式风洞，其中：

所述高层建筑模型为立方体壳状，外层为钢结构，内嵌陶瓷纤维板作为隔热材料，高层建筑模型共设有四个腔室，左下腔室为点火实验腔室，其余三腔室为火蔓延实验腔室，所有腔室均设有开口模拟建筑窗口，点火实验腔室开口为双层结构，外层为上下移动式防火卷帘，内层为左右推拉式防火板；火蔓延实验腔室开口设有凹槽并装有普通建筑用玻璃；高层建筑模型侧面设有高温玻璃观察窗，点火实验腔室背面设有温度测量孔、火蔓延实验腔室背面设有热流测量孔；

所述火源模拟装置为三层结构，上部立方式框架为双层错位孔扩散层，下部锥形框架内填充细沙石和金属丝网，火源模拟装置设置在下层燃烧腔室底面中心位置，用专用气管连接到燃气钢瓶，并设有流量及气压控制装置；

所述旋转平台为圆盘状，立设于圆形地面轨道上，其上方联接高层建筑模型，圆形地面轨道为齿条状，旋转平台底部设有与之啮合的齿轮，齿轮由传动轴驱动可实现绕平台中心的任意角度转动，旋转平台上设有角度刻度盘用以精确调节与风向夹角；

所述三维可移动式热电偶架为组合式长方形框架，其中间横杆为外圆内方型钢管，两端联接螺丝紧固件固定在两侧立柱上，螺丝紧固件在立柱上的竖向位置可任意调节，中间横杆上设有可横向移动的陶瓷管支架，陶瓷管支架为可伸缩装置，长度范围为0.6-1.5m，热电偶可布置在开口外任意位置且数量可调，两侧立柱与中间横杆均设有刻度尺用以精确调节热电偶位置；

所述方向可调式风洞为长方体通道，其截面为正方形，包括动力段、整流段、收缩段及实验段，动力由30kW离心式变速风机提供，并通过变频器调整频率控制风速，实验段设有风向调节装置及测速系统，风向调节装置由一系列可统一上下转动的调节板构成。

本发明与现有相比的优点在于：

本发明首次建立了一套研究复杂环境风对高层建筑立体火蔓延行为及火焰特征参数模拟实验装置，风向、风速调节系统安全便捷、数值精确，实验装置包括室内外温度、热流计等特征参数测量系统、室内火灾现象观察系统。本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：

(1)高层建筑立体火蔓延模拟方面，高层建筑模型点火实验腔室开口为双层结构，宽高尺寸调节方便，可研究开口尺度对立体火蔓延的影响机制，高层建筑模型侧面安装有高温玻璃，可方便观察下层点火实验层火灾增长、火焰溢出及上层火蔓延实验层的引燃、着火等高层建筑立体火蔓延完整过程；

(2)在环境风模拟方面，采用30kW离心式变速发动机可提供稳定连续的环境风，其风速波动小于2％，实验段设有风向调节装置，配合旋转平台，可以模拟实际情况下任意方向、风速(0-15m/s)的复杂环境风，能够真实地模拟复杂环境风作用下建筑火灾(室内火灾、外壁面蔓延、上层或邻层起火)发展的完整过程，可用于分析研究环境风对高层建筑立体火行为的影响机制；

(3)在火源模拟方面，由双层错位多孔扩散层连接锥形渐缩管构成，锥形渐缩管内部填充金属丝网和细沙石，可充分地降低气体流速并能很好地使气体均匀分布在燃烧器平面上，从而实现了真实地模拟建筑内部起火的现象，其下部由气管连接到燃气瓶，气管上连接有压力表及流量控制装置，满足方便调节与安全实验的需求；

(4)在火焰特征参数测量方面，三维可移动式热电偶架使得热电偶在三个方向上任意移动且其数量可任意设置，可以测量溢出火焰在竖向、径向及开口两侧方向的三维温度场，高层建筑模型设有多功能测量孔洞，可测量室内温度、压力分布；高层建筑模型上层开口面设有壁面辐射与热流测量装置，测量装置位置可任意布置，便于研究溢出火焰对上层建筑立体火蔓延的影响机制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为高层建筑模型结构示意图；

图3为模拟建筑开口结构示意图；

图4为旋转平台结构示意图，其中，图4(a)为整体示意图，图4(b)为局部放大图；

图5为火源模拟装置结构示意图，其中，图5(a)为立体模型图，图5(b)为分层示意图；

图6为三维可移动式热电偶架结构示意图，其中，图6(a)为整体示意图，图6(b)为局部放大图。

图中附图标记含义为：1为高层建筑模型，2为旋转平台，3为三维可移动式热电偶架，4为方向可调式风洞，5为离心式风机，7为风向调节装置，8为点火实验腔室，9为火蔓延实验腔室，10为玻璃窗，11为防火卷帘，12为防火板，13为凹槽，14为建筑玻璃，15为火源模拟装置，16为温度与压力测量孔洞，17为热流测量装置，18为圆形地面轨道，19为齿轮，20为传动轴，21为角度刻度盘，22为双层错位孔扩散层，23为锥形渐扩管，24为金属丝网，25为细沙石，26为外圆内方横杆，27为立柱，28为刻度尺，29为螺丝紧固件，30为陶瓷管支架。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，高层建筑立体火蔓延模拟实验装置包括高层建筑模型1、旋转平台2、三维可移动式热电偶架3、方向可调式风洞4。方向可调式风洞4包括动力段、整流段、伸缩段及实验段，动力段设有30kW离心式风机5，风机可通过调节频率控制动力输出，整流段设有多层整流网6，实验段设有可统一调节方向的风向调节装置7。

参见图2，高层建筑模型1为双层立方式框架状，外壳由钢表面连接而成，内嵌陶瓷纤维板为隔热材料，分为点火实验腔室8与火蔓延实验腔室9，上下两层均在两侧面设有高温玻璃窗10。点火实验腔室模拟建筑开口为双层结构，外层设有上下双向移动式防火卷帘11，内层设有左右双向可推拉式防火板12，可通过调整间距控制开口宽高尺寸，开口宽高尺寸调节范围为0-0.25m。火蔓延实验腔室开口处设有凹槽13，可安装普通建筑玻璃14。

参见图3，点火实验腔室底部中心位置设有火源模拟装置15，背面设有温度与压力测量孔洞16，火蔓延实验腔室背面设有热流测量装置17。

参见图4，旋转平台立设于圆形地面轨道18之上，其底部设有齿轮19啮合，齿轮由传动轴20驱动可实现在圆形地面轨道上转动，角度调节范围为0-180°，旋转平台上设有角度刻度盘21。

参见图5，火源模拟装置为气体燃烧器，共设有三层扩散稳流层，上部立方体框架为双层错位孔扩散层22，下部为锥形渐扩管23，其内部填充金属丝网24和细沙石25，可降低气流速度，并使气体燃料均匀分布在燃烧器表面。

参见图6，三维可移动式热电偶架由若干外圆内方横杆26与两侧立柱27构成，立柱和横杆上均设有刻度尺28，横杆由螺丝紧固件29固定在两侧立柱，横杆上设有可移动、可伸缩的陶瓷管支架30。

实验1，当用作研究复杂环境风对高层建筑立体火蔓延及火焰特征参数的影响机制时，首先，将室内外温度测量系统布置好，并确保三维可移动式热电偶架和室内多功能测量孔运转正常。将火源模拟装置通过气管和压力及流量控制装置连接气瓶作为实验用火源。通过调节点火实验腔室内外层开口间距确定开口宽度、高度。在火蔓延实验腔室放置木跺作为可燃物。开启风机，逐步调节至实验频率，且通过风向调节装置确定风向。实验准备就绪，将引燃纸点燃通过开口放入燃烧室内，迅速开启气瓶、流量计控制阀进行点火。点火的同时开始采集相关实验数据，通过调节流量控制火源功率，可以观察到室内火灾增长及最终立体火蔓延的现象，调节风机频率、风向控制装置配合旋转平台即可研究不同风向、风速的环境风作用下高层建筑火灾立体火蔓延现象。不同工况下(开口尺寸、环境风风向、风速)的实验需要等待建筑模型冷却之后，重复准备步骤即可。

实验2，当用作研究环境风对建筑外墙玻璃破裂影响机制时，首先在火蔓延实验腔室模拟开口凹槽处安装普通建筑用玻璃，同时将辐射与热流装置布置在三维可移动式热电偶架上，用以测量壁面辐射与热流数据。安装完毕按实验1中所述方法调节点火实验层开口尺寸、气体流量、环境风风向、风速，实验布置就绪即可点火实验，同时开始采集相关实验数据。不同工况下(开口尺寸、环境风风向、风速)的实验需要等待建筑模型冷却之后，重复准备步骤即可。