一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置的制作方法

本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置属于火灾安全技术领域，特别涉及一种自然诱发和强制诱发火旋风在不同火源尺度、不同进气宽度、不同装置高度及不同旋转环量的模拟演示装置。

背景技术：

火旋风是一种火羽流和周围旋转环量相互耦合作用而诱发的特殊火行为，具有燃烧速率高、燃烧剧烈、火焰温度高等特点，常见于森林草原火灾和一些城市建筑火灾中。在实际火灾中，由于火旋风的强烈燃烧，难以扑灭，且火旋风火风头和热流方向会发生突变，难以预测，这将严重威胁扑救人员的安全。火旋风强烈的卷吸效果会将周围可燃物吸附进去燃烧，携带的大量燃烧物会散布到火区以外更远的地方，形成新的火源，诱发飞火，从而加速火灾的蔓延，造成更多的人员伤亡和财产损失。

对于火旋风现象的研究主要是通过实验模拟和数值模拟等方法，目前已经取得一定的成果。数值模拟模型比较简单，只能对实验结果辅助验证，因此模型实验是研究火旋风的重要方法，已经有很多专家学者设计了多种形成火旋风的装置，主要分为采用热驱动的自然诱发火旋风和采用机械驱动的强制诱发火旋风。这些装置一般都是独立的，同一装置不能同时实现演示两种诱发条件下的火旋风，不能有效对比研究不同诱发机制的火旋风。

技术实现要素：

本实用新型目的在于针对上述不足之处提供一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置，能够模拟热驱动式和机械驱动式两种驱动方式下的火旋风，且能够控制调节火源尺度、装置高度、进气宽度、旋转环量等参数，方便进行火旋风对比研究。

一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置采取以下技术方案实现：

一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置包括基板、旋转空心圆盘、外层圆筒、内层圆筒、梯形丝杆及滑块、燃料供给装置、机械虹膜叶片、驱动装置和测量装置部分；上述部件组合形成一个整体系统；

所述外层圆筒、内层圆筒布置于所述旋转空心圆盘上方，形成双层圆筒；

所述梯形丝杆及滑块固定于所述旋转空心圆盘下方，并与外层圆筒、内层圆筒连接；

所述燃料供给装置布置于所述旋转空心圆盘上方；

所述机械虹膜叶片布置于所述燃料供给装置上部，用于调节叶片开合程度；

所述测量装置布置于所述旋转空心圆盘一侧，测量设备可实现水平及垂直方向移动；

所述驱动装置布置于旋转空心圆盘下方和基板之间，为驱动旋转空心圆盘转动提供驱动力。

所述驱动装置包括外齿式回转轴承、伺服电机、电机调速器和联轴器。

所述外齿式回转轴承利用四根支撑丝杆将轴承内圈部分固定作为支架，外齿式回转轴承内圈部分和外齿式回转轴承外圈部分均开有螺丝孔并具有一定的承重能力，旋转时内圈不转动，外圈转动。

所述旋转空心圆盘的内圆与外齿式回转轴承外圈部分采用螺丝穿过螺丝孔连接并固定，外齿式回转轴承的外齿轮与直齿轮相咬合，直齿轮则通过联轴器与伺服电机的传动轴相连接，伺服电机则通过支架立式固定在基板上；伺服电机的传动轴与直齿轮同轴旋转，使直齿轮与外齿式回转轴承的外齿轮咬合并带动其旋转，从而使旋转空心圆盘实现绕外齿式回转轴承中心平稳旋转。

所述梯形丝杆通过两个丝杆支座固定于旋转空心圆盘底部，丝杆支座内有轴承，轴承旁边装有顶丝，采用轴承顶丝夹紧梯形丝杆与丝杆支座轴承连接；所述梯形丝杆具有自锁能力，无外力作用时可保持滑块静止不动；滑块紧贴旋转圆筒底部，保证滑块不会转动；梯形丝杆通过联轴器连接伺服电机，伺服电机可驱动梯形丝杆转动，梯形丝杆转动能够使滑块沿梯形丝杆沿水平方向平稳移动。

所述内层圆筒通过侧面设置的通孔与外层圆筒相配合固定，内层圆筒和外层圆筒同轴。所述外层圆筒、内层圆筒均采用有机玻璃圆筒。

进一步的，内层圆筒侧面的通孔至少设有五个，能通过不同位置的通孔与外层圆筒配合，从而实现内层圆筒和外层圆筒总高度的调节。

所述外层圆筒由对称的两个圆筒组成，这两个圆筒均为半圆筒体形状，两个圆筒上部开口，底部具有半圆环封底，便于增强外层圆筒结构的稳定性；外层圆筒的两个圆筒错开放置，形成开口缝隙，在热驱动或机械驱动下空气可从此缝隙进入圆筒内部，所述开口缝隙使空气进入圆筒后形成旋转环量，在旋转环量和燃烧造成的热羽流上升运动耦合作用下产生火旋风现象。

进一步的，在外层圆筒底部对称地设有两个开槽，通过开槽用螺丝与梯形丝杆上的滑块连接，所述连接用的螺丝至少使用3个，保证外层圆筒不会随便转动；伺服电机驱动梯形丝杆转动；所述梯形丝杆的转动使滑块沿水平方向移动，外层圆筒的两个圆筒分别与滑块连接，即可通过滑块的移动，带动外层圆筒的两个圆筒移动，从而调节外层圆筒的两个圆筒之间的开口缝隙宽度。

所述燃料供给装置包括燃料器和燃料管；所述燃料器通过上述四根支撑丝杆固定于外齿式回转轴承内圈，可调节支撑丝杆高度保证燃料盒与圆筒封底部分不直接接触，防止燃料盒高温熔化有机玻璃；在燃料器底部通过接口与燃料管相连，便于通过燃料管增减燃料器内的液体燃料。

进一步的，所述燃料器包括底座、燃烧盒；燃料盒设置在底座上，燃烧盒上部开口，使用时燃料在燃烧室内燃烧。

进一步的，在燃料盒上方相对固定有机械虹膜叶片，所述机械虹膜叶片结构包括叶片基座、叶片、摇杆、拨盘和拨杆，拨盘和叶片基座均为圆环形，在拨盘内圆与外圆之间均匀地分布斜向的摇杆滑动槽，在拨盘一侧固定设有拨杆；在叶片基座的外圆与内圆之间通过螺钉活动连接有摇杆，摇杆上固定有独立的扇形叶片相连，各扇形叶片交错分布在叶片基座的内圆中，形成叶片内孔；使用时，通过拨动拨杆和拨盘带动摇杆，摇杆带着叶片在摇杆滑动槽中滑动，从而改变叶片交错的位置，进而改变叶片内孔的大小，更进一步的调节燃料盒开口大小，达到控制火源尺度目的。为了设备的安全防护，在拨盘上还设有环形盖板。

所述伺服电机通过支架与外齿式回转轴承外圈配合，作为驱动动力。

所述电机调速器和伺服电机连接；电机调速器上设有开关和转速调节按钮，通过转动转速调节按钮调节电机转速，实现装置旋转部分的无极变速。

所述测量装置包括电机一、电机二、梯形丝杆一、梯形丝杆二、滑块、测量装置支架、热电偶和风速仪等测量设备；测量装置支架固定在旋转空心圆盘一侧，电机一固定在测量装置支架下部，梯形丝杆一通过联轴器与电机一连接，电机一驱动梯形丝杆一转动从而调节滑块一在测量装置支架上的高度；在滑块一上固定钣金，钣金上固定电机二及梯形丝杆二，电机二通过联轴器连接梯形丝杆二，梯形丝杆二上具有滑块二；在滑块二上固定有热电偶及风速仪等测量设备；电机二驱动梯形丝杆二转动使滑块二水平移动；电机一驱动梯形丝杆一，使滑块一在垂直方向上运动，实现不同高度的温度、风速数据测量；电机二固定在滑块一上，电机二驱动梯形丝杆二使滑块二在水平方向上移动，实现在水平方向上的温度，风速测量，两者相互配合可实现在竖直平面内任意一点的温度，风速等数据测量。

多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置，用于进行热驱动式自然诱发火旋风模拟和机械驱动式强制诱发火旋风模拟。

所述热驱动式自然诱发火旋风模拟，指的是点燃火源后，利用本装置结构形成生成涡，由中心火源自然诱发火旋风。

所述机械驱动式强制诱发火旋风模拟，指的是利用本装置结构，强制施加外加旋转环量形成生成涡，使得环境流体进入装置时具有一定的初始旋转，在燃烧造成的热羽流上升运动和旋转环量耦合作用下形成火旋风。

在进行热驱动式自然诱发火旋风模拟时，其具体过程包括如下步骤：

1）启动电机三，驱动梯形丝杆转动；梯形丝杆的转动使滑块沿水平方向移动，外层圆筒的两个圆筒分别与滑块连接，即可通过滑块的移动，带动外层圆筒的两个圆筒移动，从而调节外层圆筒的两个圆筒之间的开口缝隙宽度；

2）点燃燃料盒中的燃料，所述燃料可以采用酒精；随着燃烧的进行，内层圆筒内空气受热膨胀，密度变小，向竖直方向流动，形成对流柱，对流柱中的任一点和环境中同高度上的某一点之间会形成一个小的压力差；周围的环境空气通过步骤1）中形成的开口缝隙向对流柱运动，形成侧向的空气卷吸，在侧向空气卷吸和热羽流上升运动的复杂相互作用下，普通的对流柱消失，被高度旋转的圆柱形火焰所取代，形成火旋风。

在所述步骤2）中，通过利用内、外层圆筒侧面不同位置的通孔配合固定，控制内层圆筒和外层圆筒的总高度，研究不同装置高度作用下对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，利用电机三驱动梯形丝杆转动，精确调节外层圆筒的两个圆筒开口缝隙宽度，从而调节卷吸空气进气量，进而研究不同进气量对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，通过拨动机械虹膜叶片拨杆，可调节燃料盒开口大小，从而控制火源尺度，进而研究不同火源尺度对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，通过燃料管，可实现增减液体燃料剂量。

在进行机械驱动式强制诱发火旋风模拟时，其具体过程包括如下步骤：

1）通过利用内、外层圆筒侧面不同位置的通孔配合固定，控制内层圆筒和外层圆筒的总高度；启动电机三，驱动梯形丝杆转动，从而调节外层圆筒的两个圆筒之间的开口缝隙宽度；

2）点燃燃料盒中的燃料，所述燃料可以采用酒精；启动伺服电机，伺服电机通过已配合的齿轮带动外齿式回转轴承转动，从而使圆筒旋转，圆筒的旋转使空气流体通过步骤1）开口缝隙形成强制外加环量，在外加环量和热羽流上升运动的相互作用下，普通的池火变成高度螺旋上升的火旋风燃烧。

在所述步骤1）中，通过利用内、外层圆筒侧面不同位置的通孔配合固定，控制内层圆筒和外层圆筒的总高度，进而研究在机械驱动式强制诱发火旋风情况下，不同装置高度作用下对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，利用电机三驱动梯形丝杆转动，精确调节外层圆筒的两个圆筒开口缝隙宽度，从而调节空气进气量，进而研究在机械驱动式强制诱发火旋风情况下，不同进气量对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，通过拨动机械虹膜叶片拨杆，可调节燃料盒开口大小，从而控制火源尺度，进而研究在机械驱动式强制诱发火旋风情况下，不同火源尺度对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，设置调速电机可使圆筒旋转，且在旋转过程中可以无极变速，从而改变外加环量的大小，进而研究在机械驱动式强制诱发火旋风情况下，不同外加环量对火旋风的影响。

在所述步骤2）中，通过燃料管，可实现增减液体燃料剂量。

实用新型优点：

一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置可控制以下参数，但不限于以下几种参数的控制：

1）通过转动梯形丝杆，可精确调节外层圆筒的两个圆筒开口缝隙宽度，改变进气量。

2）通过电机调速器，可实现装置无极变速旋转，改变强制外加环量的大小。

3）通过配合内层圆筒侧面不同通孔，可调节内层圆筒和外层圆筒的总高度。

4）通过拨动机械虹膜叶片拨杆，可精确控制孔径大小，控制火源尺度。

5）通过燃料管，可实现增减液体燃料剂量。

本装置可同时模拟热驱动式和机械驱动式两种不同诱发条件下的火旋风，且设置机械虹膜叶片实现调节火源尺度，采用双层圆筒调节和控制圆筒总高度，设置回转轴承通过电机调速器实现无极变速，方便进行火旋风特性和形成机理对比研究。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置正面结构示意图；

图3为本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置底部结构示意图；

图4为本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置的机械虹膜叶片的结构示意图；

图5为本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置的机械虹膜叶片的部分结构爆炸图；

图6为本实用新型一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置的机械虹膜叶片的盖板示意图。

图中：1、外齿式回转轴承；2、旋转空心圆盘；3、梯形丝杆；4、电机三；5、滑块；6、燃料盒；7、燃料管；8、机械虹膜叶片；9、外层圆筒；10、内层圆筒；11、测量装置支架；12、电机二；13、电机一；14、测量仪器；15、梯形丝杆一；16、梯形丝杆二；17、直齿轮；18、联轴器；19、伺服电机；20、基板；21、丝杆支座；22、滑块一；23、钣金；24、滑块二；25、叶片基座；26、拨杆；27、叶片；28、摇杆；29、拨盘；30、摇杆滑动槽；31、盖板。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型做详细的说明。

参照附图1至3,一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置包括基板20、旋转空心圆盘2、外层圆筒9、内层圆筒10、梯形丝杆3及滑块、燃料供给装置、机械虹膜叶片8、驱动装置和测量装置部分；上述部件组合形成一个整体系统。

旋转空心圆盘2为直径400mm、厚度8mm的有机玻璃板，在其开8个直径为5mm的螺纹孔，4个直径6mm的通孔，1个直径为50mm的中心圆，并在此中心圆的周围开4个直径为8mm的通孔，距离圆心113.75mm对称开2个长160mm、宽10mm的开槽作为轨道。

外层圆筒9为2个半圆筒体形状结构，分为底部封底和筒体两部分，底部封底内径为296mm，外径为360mm，厚度6mm,在其距离圆心50mm增加有机玻璃板，在其上面开8个直径4mm的螺纹孔；筒体直径为300mm，高度为300mm,厚度5mm，在其侧面沿竖直方向开6个直径6mm的通孔，第一个通孔距离底部16mm，其余间距为50mm。

内层圆筒10为2个半圆筒体形状结构，直径为300mm，高度为300mm,厚度为3mm，其侧面底部开2个直径6mm的通孔，第一个通孔距离底部16mm，第二个距离底部66mm。

内层圆筒10通过螺丝相对固定在外层圆筒9内，内层圆筒10的外壁和外层圆筒9的内壁重合，位置关系为同轴心。通过内层圆筒侧面不同位置的通孔与外层圆筒配合，可实现调控圆筒总高度为300mm、350mm、400mm、450mm以及500mm等不同高度，进而研究不同高度的有机玻璃圆筒对火旋风的影响。

丝杆支座21利用平头螺丝和上述旋转空心圆盘2的8个直径5mm的螺纹孔连接，2个梯形丝杆3的直径均为8mm,长度均为350mm，丝杆导程为2mm。丝杆支座21内有轴承，轴承旁边装有顶丝，可用轴承顶丝加紧梯形丝杆3与丝杆支座轴承连接。梯形丝杆3具有自锁能力，无外力作用时可保持滑块静止不动。梯形丝杆3上有可移动的滑块5，滑块5带有直径4mm的螺纹孔，滑块5上有孔的一面和旋转空心圆盘2底部贴合，保证滑块5不会轴向转动。梯形丝杆3一端通过联轴器与电机三4相连接，电机三4可驱动梯形丝杆3转动使滑块5沿丝杆水平运动，每转一圈，滑块5移动2mm。上述外层圆筒9底部封底部分上8个4mm的螺纹孔采用平头螺丝穿过上述轨道和旋转空心圆盘2底部下梯形丝杆3上的滑块5连接，即可实现转动梯形丝杆3移动滑块5，从而使圆筒整体移动，实现精确调节外层圆筒9的两个圆筒缝隙开口宽度，进而控制进气量和风速。

外齿式回转轴承1的内径为65mm，外径为135mm,总高度为22mm，模数为2，齿数为70，内圈部分和外圈部分有直径为8mm的螺纹孔，4根丝杆与外齿式回转轴承1内圈部分相连接作为支架，旋转空心圆盘2利用螺丝通过4个直径为8mm的通孔固定在外齿式回转轴承1外圈上。

伺服电机19通过支架立式固定，电机空载最大转速为2800r/min，轴径为8mm，通过联轴器用直径10mm的连接轴和直齿轮相连，直齿轮内径10mm，模数为2，齿数为10，直齿轮和外齿式回转轴承1配合，实现外齿式回转轴承1和伺服电机19转速比为1:7。伺服电机19接入电源，连接电机调速器实现无极变速，从而控制外齿式回转轴承1和旋转空心圆盘2转速，进而调控圆筒的转速，实现控制进气量和外加环量大小。

燃料供给装置包括燃料器和燃料管7，燃料器包括底座、燃烧盒6；燃料盒6设置在底座上，燃烧盒6上部开口，使用时燃料在燃烧室内燃烧；所述燃料器通过四根支撑丝杆固定于外齿式回转轴承1内圈，可调节支撑丝杆高度保证燃料盒与圆筒封底部分不直接接触，防止燃料盒6高温熔化圆筒体的有机玻璃；在燃料器底部通过接口与燃料管7相连，便于通过燃料管7增减燃料器内的液体燃料。

机械虹膜叶片可利用夹具固定于燃料盒开口，改变机械虹膜叶片内孔直径即可调控燃料盒6开口大小，从而控制火焰高度、火源尺度大小及火焰燃烧速率。

参照附图4～6，机械虹膜叶片8结构包括叶片基座25、叶片27、摇杆28、拨盘29和拨杆26，拨盘29和叶片基座25为圆环形，在拨盘29的内圆与外圆之间均匀地分布斜向的摇杆滑动槽30，在拨盘29一侧固定设有拨杆26；在叶片基座25的外圆与内圆之间通过螺钉活动连接有摇杆28，摇杆28上固定有独立的扇形叶片27相连，各扇形叶片27交错分布在叶片基座25的内圆中，形成叶片内孔；使用时，通过拨动拨杆26和拨盘29带动摇杆28，摇杆28带着叶片27在摇杆滑动槽30中滑动，从而改变叶片27交错的位置，进而改变叶片内孔的大小，更进一步的调节燃料盒6开口大小，达到控制火源尺度目的。为了设备的安全防护，在拨盘上还设有环形盖板31。

图中所画的叶片数量不代表本实用新型设计的最佳数量，仅仅是示意图。机械虹膜叶片外圆直径为82mm,最大内孔直径为60mm，厚度为8mm,本实施例中，叶片数量为18片。叶片数量越多，形成的内孔越接近圆。机械虹膜叶片可调控直径为4-60mm。

所述测量装置包括电机一13、电机二12、梯形丝杆一15、梯形丝杆二16、滑块5、测量装置支架11、热电偶和风速仪等测量设备；测量装置支架11固定在旋转空心圆盘2一侧，电机一13固定在测量装置支架11下部，梯形丝杆一15通过联轴器与电机一13连接，电机一13驱动梯形丝杆一15转动从而调节滑块一22在测量装置支架11上的高度；在滑块一22上固定钣金23，钣金23上固定电机二12及梯形丝杆二16，电机二12通过联轴器连接梯形丝杆二16，梯形丝杆二16上具有滑块二24；在滑块二24上固定有热电偶及风速仪等测量设备；电机二12驱动梯形丝杆二16转动使滑块二24水平移动；电机一13驱动梯形丝杆一15，使滑块一22在垂直方向上运动，实现不同高度的温度，风速数据测量；电机二12固定在滑块一22上，电机二12驱动梯形丝杆二16使滑块二24在水平方向上移动，实现在水平方向上的温度，风速测量，两者相互配合可实现在竖直平面内任意一点的温度，风速等数据测量。

多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置，用于进行热驱动式自然诱发火旋风模拟和机械驱动式强制诱发火旋风模拟。

所述热驱动式自然诱发火旋风模拟，指的是点燃火源后，利用本装置结构形成生成涡，由中心火源自然诱发火旋风。

所述机械驱动式强制诱发火旋风模拟，指的是利用本装置结构，强制施加形成生成涡，使得环境流体进入装置时具有一定的初始旋转，在燃烧造成的高温气体向上运动和旋转流体耦合作用下形成火旋风。

热驱动式自然诱发火旋风的模拟过程包括：利用电机三驱动梯形丝杆转动，使两个一分为二的外圆筒水平错开产生开口缝隙，点燃燃料盒中的酒精燃料，随着燃烧的进行，有机玻璃圆筒内空气受热膨胀，密度变小，向竖直方向流动，形成对流筒，对流筒中的任一点和环境中同高度上的某一点之间会形成一个小的压力差。于是，周围的环境空气会通过开口缝隙向对流筒运动，形成侧向的空气卷吸，在侧向空气卷吸和热羽流上升运动的复杂相互作用下，普通的对流筒消失，被高度旋转的圆筒形火焰所取代，形成火旋风。

热驱动式自然诱发火旋风的模拟过程涉及的控制参数：在模拟热驱动方式下的火旋风时可通过配合内、外层圆筒侧面不同位置的通孔，控制有机玻璃圆筒总高度，研究不同装置高度作用下对火旋风的影响。利用电机三驱动梯形丝杆转动，可精确调节有机玻璃圆筒开口缝隙宽度，从而调节卷吸空气进气量，进而研究不同进气量对火旋风的影响。通过拨动机械虹膜叶片拨杆，可调节燃料盒开口大小，从而控制火源尺度，进而研究不同火源尺度对火旋风的影响。

机械驱动式强制诱发火旋风的模拟过程包括：设置调速电机，使有机玻璃圆筒（内、外圆筒组成的圆筒体）旋转，且在旋转过程中可以无极变速。有机玻璃圆筒的旋转使空气流体通过开口缝隙形成强制外加环量，在外加环量和热羽流上升运动的相互作用下，普通的池火变成高度螺旋上升的火旋风燃烧。

机械驱动式强制诱发火旋风模拟过程的控制参数：在机械驱动方式下的火旋风时可通过配合内、外层圆筒侧面不同位置的通孔，控制有机玻璃圆筒总高度，研究不同装置高度作用下对火旋风的影响。利用电机三驱动梯形丝杆转动，可精确调节有机玻璃圆筒开口缝隙宽度，由于有机玻璃圆筒是旋转状态，开口缝隙宽度的改变会使进气量发生变化，从而研究机械驱动式下不同进气量对火旋风的影响。通过拨动机械虹膜叶片拨杆，可调节燃料盒开口大小，从而控制火源尺度，进而研究不同火源尺度对机械驱动式火旋风影响。通过调节电机调速器，可在有机玻璃圆筒旋转过程中实现无极变速，改变有机玻璃圆筒旋转速度，从而改变外加环量的大小，进而研究外加环量对火旋风的影响。

本实用新型通过控制驱动装置，可实现模拟热驱动式和机械驱动式两种驱动方式下的火旋风，在实际使用后，验证了利用本实用新型装置结构能够控制火源尺度、装置高度、开口宽度、旋转环量等参数模拟不同工况下的火旋风，有助于对火旋风的进一步研究。