一种船舶机舱屏障壁面气体射流火实验平台

1.本发明涉及火灾模拟技术领域，尤其涉及一种船舶机舱屏障壁面气体射流火实验平台。


背景技术：

2.随着imo(国际海事组织)以及各国环保要求的日趋严格，新能源lng(液化天然气)动力船舶成为未来海运和船舶行业的重点发展方向。但是，新能源lng的使用会带来新的火灾威胁，其机舱气体燃料泄漏容易诱发射流火灾现象。而作为整船心脏的船机舱在有限的空间内布置了动力设备、电力装置、管路以及船用油料柜等设施设备，空间屏障环境复杂，lng射流火容易撞击设备壳体壁面，从而形成屏障壁面气体射流火。
3.lng动力船舶机舱屏障壁面气体射流火不同与以往常规的气体射流火现象。首先，lng燃料供给管路发生泄漏的位置与具体朝向无法预知，而且航行与卸货过程中的船体摇晃或倾斜都将改变泄漏喷射角度，气体燃料泄漏初始喷射角度不同将导致气体射流火焰热浮力通量和剩余动量之间耦合与竞争机制复杂化，影响壁面气体射流火伸展行为，进而造成不同的火灾蔓延后果。其次，船舶机舱内屏障环境比较复杂，曲面和倾斜的非常规屏障壁面比较多。实际上，与传统开敞空间明显不同，船舶机舱配置有动力设备、电力装置、控制管路等，这些障碍物壁面也并非简单的竖直/水平壁面，具有一定倾斜角度的设备壁面以及圆形管道弯曲壁面等非常常见，lng气体射流火撞击该类非常规壁面过程中动量损失规律尚未明确，其撞击后形成的壁面气体射流火羽流行为特征会明显不同，将对船舶机舱火灾自动探测和自动灭火系统带来新的挑战。
4.然而，目前针对不同喷射角度、不同屏障壁面条件下的船舶机舱气体射流火燃烧特性研究比较少，相应的实验模拟研究平台更是缺少。为了针对lng动力船舶机舱气体燃料泄漏诱发的屏障壁面射流火展开系统研究，揭示其行为特征和演化机理，因此，亟需开发一种能够模拟船舶机舱气体射流火燃烧研究实验平台。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种船舶机舱屏障壁面气体射流火实验平台，可以模拟lng、lpg(液化石油气)等新能源动力船舶因气体燃料泄漏而发生的机舱屏障壁面射流火的燃烧特性，从而为船舶机舱屏障壁面气体射流火燃烧理论研究及相应的灭火技术和系统装备研发提供必要的实验条件。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.一种船舶机舱屏障壁面气体射流火火灾燃烧模拟实验平台，包括：
8.船舶机舱模拟舱，用于模拟船舶机舱环境；
9.射流火燃烧模拟系统，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部和外部，用于模拟气体射流火燃烧状况；
10.屏障物控制系统，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于模拟不同角度屏障物；
11.数据采集系统，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于测量所述气体射流火燃烧时的火灾参数，以分析所述气体射流火燃烧特性。
12.优选地，所述射流火燃烧模拟系统包括：
13.燃料气瓶，设置于所述船舶机舱模拟舱的外部，用于存储实验用的气体燃料；
14.减压阀，设置于所述船舶机舱模拟舱的外部，其进气端与所述燃料气瓶的瓶嘴密闭连接，用于调节所述燃料气瓶的出气压力；
15.气体流量控制器，设置于所述船舶机舱模拟舱的外部，其进气端通过一段所述供气管路与所述减压阀的出气端密闭连接，用于进一步调节实验出气压力；所述减压阀和所述气体流量控制器，可联合调节实现对所述实验气体燃料不同喷射速率的控制；
16.燃烧喷嘴，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，通过一段所述供气管路与所述气体流量控制器的出气端密闭连接，用于喷射所述实验气体燃料；
17.喷嘴支架，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，与燃烧喷嘴可拆卸的连接，用于支撑和固定燃烧喷嘴；
18.远程电子点火装置，包含控制端、打火端和导线，用于点燃所述实验气体燃料；其中，所述控制端设置于所述船舶机舱模拟舱的外部，其上设置有点火开关，用于控制点火；所述打火端设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，固定于燃烧喷嘴的点火有效距离内，用于产生电弧点燃所述实验气体燃料；所述控制端与所述打火端之间通过导线电连接。
19.优选地，所述屏障物控制系统包括：
20.壁板支架，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，与屏障壁板可拆卸的连接，用于支撑和固定屏障壁板；
21.屏障壁板，放置于所述壁板支架上，用于模拟船舶机舱屏障壁面。
22.优选地，所述数据采集系统包括：
23.压力计，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于测量射流火燃烧过程中船舶机舱模拟舱内的压力变化；
24.红外热像仪，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于获取射流火燃烧过程中船舶机舱模拟舱内温度场的整体分布及变化情况；
25.单色激光片光源，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于照射火羽流，以显示出火羽流的形态变化；
26.热电偶三维矩阵排列，设置于所述屏障壁板的上表面，用于测量实验过程中的火羽流温度；
27.速度探针三维矩阵排列，设置于所述屏障壁板的上表面，用于测量实验过程中的火羽流速度；
28.气体分析仪，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于检测燃烧后产生的各类气体浓度；
29.摄像机，设置于所述船舶机舱模拟舱的内部，用于记录所述气体燃料燃烧时的火焰燃烧过程。
30.优选地，所述摄像机为高清摄像机，包括：
31.垂直方位高清摄像机，设置于燃烧喷嘴正前方或正后方的上方，用于从垂直方位记录所述气体燃料燃烧时的火焰燃烧过程；
32.侧方位高清摄像机，设置于燃烧喷嘴的侧方，用于从侧方位记录所述气体燃料燃烧时的火焰燃烧过程。
33.优选地，所述船舶机舱模拟舱的顶面设有可开合的机舱腔室顶部开口，用于模拟不同通风状态下的机舱腔室，以分析受限空间和封闭空间不同条件下的所述气体射流火燃烧特性。
34.优选地，所述燃料气瓶中存储的燃料为lng或lpg燃料。
35.优选地，所述喷嘴支架可调节，通过调节喷嘴支架可以改变燃烧喷嘴的倾角，实现对不同喷射角度的控制。
36.优选地，所述壁板支架可调节，通过调节壁板支架可以改变屏障壁板的倾角，实现对屏障壁板不同角度的控制。
37.优选地，所述屏障壁板为平面或曲面等不同形状的屏障壁板，实现对船舶机舱内不同类型的屏障壁面的模拟。
38.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的船舶机舱屏障壁面气体射流火火灾燃烧模拟实验平台，具有如下有益效果：
39.1、本发明通过射流火燃烧模拟系统可模拟船舶机舱复杂环境下的气体射流火；其中，通过调节喷嘴支架可以改变燃烧喷嘴的倾角，可实现对不同喷射角度的控制；通过调节减压阀和气体流量控制器，可控制实验气体燃料的喷射速率，从而实现对船舶气体燃料泄漏的不同角度、孔径与速率的模拟。
40.2、本发明通过屏障物控制系统可模拟船舶机舱各种屏障物；其中，通过调节壁板支架可以改变屏障壁板的倾角，实现对屏障壁板不同角度的控制；通过更换平面或曲面等不同形状的屏障壁板，可实现对不同类型的屏障壁面的模拟。
41.3、本发明通过对船舶机舱模拟舱室顶部开口的开合角度控制，可模拟不同通风状态下的机舱腔室，以分析受限空间和封闭空间不同条件下的所述气体射流火燃烧特性。
42.4、本发明还可以通过数据采集系统实时记录船舶机舱气体射流火燃烧时的火灾参数，从而为不同场景下的船舶机舱气体射流火和屏障壁面作用下射流火燃烧特性的分析和研究提供数据支撑。
附图说明
43.图1为本发明中的船舶机舱屏障壁面射流火实验平台总体示意图；
44.图2为本发明中的热电偶与速度探针示意图；
45.图3为本发明中的平面屏障壁板和曲面屏障壁板示意图；
46.图4为本发明中的燃烧喷嘴和喷嘴支架示意图。
具体实施方式
47.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的船舶机舱屏障壁面气体射流火火灾燃烧模拟实验平台作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所
能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
48.需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
49.结合附图1～4所示，本实施例提供一种船舶机舱屏障壁面气体射流火火灾燃烧模拟实验平台，包括：船舶机舱模拟舱19，用于模拟船舶机舱环境；射流火燃烧模拟系统，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部和外部，用于模拟气体射流火燃烧状况；屏障物控制系统，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于模拟不同角度屏障物；数据采集系统，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于测量所述气体射流火燃烧时的火灾参数，以分析所述气体射流火的燃烧特性。
50.其中，参考附图1，所述射流火燃烧模拟系统包括：燃料气瓶1，设置于所述船舶机舱模拟舱19的外部，用于存储实验用的气体燃料；减压阀2，设置于所述船舶机舱模拟舱19的外部，其进气端与所述燃料气瓶1的瓶嘴密闭连接，用于调节所述燃料气瓶1的出气压力；气体流量控制器4，设置于所述船舶机舱模拟舱19的外部，其进气端通过一段所述供气管路3与所述减压阀2的出气端密闭连接，用于进一步调节实验出气压力；所述减压阀2和所述气体流量控制器4，可联合调节实现对所述实验气体燃料不同喷射速率的控制；燃烧喷嘴10，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，通过一段所述供气管路3与所述气体流量控制器4的出气端密闭连接，用于喷射所述实验气体燃料；喷嘴支架11，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内壁上，与燃烧喷嘴10可拆卸的连接，用于支撑和固定燃烧喷嘴10；远程电子点火装置5，包含控制端、打火端和导线，用于点燃所述实验气体燃料；其中，所述控制端设置于所述船舶机舱模拟舱19的外部，其上设置有点火开关，用于控制点火；所述打火端设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，固定于燃烧喷嘴10的点火有效距离内，用于产生电弧点燃所述实验气体燃料；所述控制端与所述打火端之间通过导线电连接。
51.进一步，所述燃料气瓶1中存储的燃料可以采用lng或lpg燃料。
52.进一步，参考附图4，所述喷嘴支架11为支撑腿高度可伸缩调节的支架，通过调节喷嘴支架11前后不同支撑腿的高度可以改变燃烧喷嘴10的倾角，实现对不同喷射角度的控制；优选的，安装在喷嘴支架11转动轴上的指针22和刻度盘23可以指示喷嘴倾角的大小。
53.进一步，所述船舶机舱模拟舱19的顶面设有可开合的机舱腔室顶部开口18，用于模拟不同通风状态下的机舱腔室，以分析受限空间和封闭空间不同条件下的所述气体射流火的燃烧特性。
54.具体的，由于实践中船舶lng燃料供给管路发生泄漏的位置与具体朝向无法预知，而且航行与卸货过程中的船体摇晃或倾斜都将改变泄漏喷射角度，气体燃料泄漏初始喷射角度不同将导致气体射流火焰热浮力通量和剩余动量之间耦合与竞争机制复杂化，影响壁面气体射流火伸展行为，进而造成不同的火灾蔓延后果。所以本发明采用可调节的喷嘴支架11，可以模拟不同的泄露喷射初始角度，进一步的，还可以采用具有远程控制调节功能的喷嘴支架11，实现在燃烧过程中即时改变泄露喷射方向，从而模拟因行进中的船舶摇晃或
倾斜而改变的各种泄漏喷射角度。另外，对所述减压阀2和所述气体流量控制器4进行调节，可实现对所述实验气体燃料不同喷射压力、速率的控制，从而模拟出气体燃料管路不同的泄露孔径和喷射压力。另外，燃料气瓶1中存储的燃料可以采用lng或lpg燃料，或者其他新能源气体燃料，以使本实验平台具有广泛的适应性和实用性。另外，由于不同通风状态下的机舱腔室具有不同的燃烧特性，所以本发明设置了模拟舱室顶部开口，且采用可开合设计，其开合角度可固定，从而模拟不同的受限空间及封闭空间。
55.其中，参考附图1、附图2，所述屏障物控制系统包括：壁板支架13，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内壁上；屏障壁板16，放置于所述壁板支架13上，且与壁板支架13可拆卸的连接，由壁板支架13进行支撑和固定，该屏障壁板16用于模拟船舶机舱屏障壁面。
56.进一步，所述壁板支架13的支撑腿高度可调节，通过调节壁板支架13可伸缩支撑腿的高度可以改变屏障壁板16的倾角，实现对屏障壁板不同角度的控制；优选的，安装在壁板支架13转动轴上的指针20和刻度盘21可显示屏障壁板16的倾角大小。
57.进一步，如附图3所示，所述屏障壁板16为平面16
‑
1或曲面16
‑
2等不同形状的屏障壁板，实现对船舶机舱内不同类型的屏障壁面的模拟。
58.具体的，由于船舶机舱内屏障环境比较复杂，与传统开敞空间明显不同，船舶机舱配置有动力设备、电力装置、控制管路等，这些障碍物壁面也并非简单的竖直/水平壁面，具有一定倾斜角度的设备壁面以及圆形管道弯曲壁面等非常常见，气体射流火撞击该类非常规壁面过程中动量损失规律尚未明确，其撞击后形成的壁面气体射流火羽流行为特征会明显不同，所以本发明采取了支撑腿高度可调节的壁板支架13和可更换的屏障壁板16，灵活模拟各种角度和形状的船舱障碍物壁面。
59.其中，参考附图1、附图2，所述数据采集系统包括：压力计6，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于测量射流火燃烧过程中船舶机舱模拟舱19内的压力变化；红外热像仪8，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于获取射流火燃烧过程中船舶机舱模拟舱19内温度场的整体分布及变化情况；单色激光片光源9，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于照射火羽流，以显示出火羽流的形态变化；热电偶三维矩阵排列14，设置于所述屏障壁板16的上表面，用于测量实验过程中的火羽流温度；速度探针三维矩阵排列15，设置于所述屏障壁板16的上表面，用于测量实验过程中的火羽流速度；气体分析仪17，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于检测燃烧后产生的各类气体浓度；摄像机，设置于所述船舶机舱模拟舱19的内部，用于记录所述气体燃料燃烧时的火焰燃烧过程。进一步，所述数据采集系统还包括一个数据的接收端，例如pc端，设置在所述船舶机舱模拟舱19外部，分别与上述各个数据采集装置无线通信连接，接收各个数据采集装置采集到的数据，并进行分析和显示。
60.进一步，所述摄像机可以采用高清摄像机，包括：垂直方位高清摄像机7，设置于燃烧喷嘴10正前方或正后方的上方，用于从垂直方位记录所述气体燃料燃烧时的火焰燃烧过程；侧方位高清摄像机12，设置于燃烧喷嘴10的侧方，用于从侧方位记录所述气体燃料燃烧时的火焰燃烧过程。
61.具体的，研究燃烧特性时火羽流是一项重要指标，本发明通过设置单色激光片光源9，摄像机、热电偶三维矩阵排列14，速度探针三维矩阵排列15来实现对火羽流数据的采集。其中，使用单色激光片光源9照射火羽流，以显示出火羽流的形态变化，使用摄像机记录
下来；热电偶三维矩阵排列14和速度探针三维矩阵排列15，均设置于屏障壁板16的上表面，用于测量实验过程中的火羽流温度和速度。同时，设置压力计6、红外热像仪8、气体分析仪17，采集燃烧过程中压力、温度场和产生气体及浓度等各项参数指标。最终，通过汇总各项火灾实验数据，从而分析出所述气体射流火的燃烧特性。
62.综上所述，本发明提供的船舶机舱屏障壁面气体射流火火灾燃烧模拟实验平台，通过调节喷嘴支架可以改变燃烧喷嘴的倾角，可实现对不同喷射角度的控制；通过调节减压阀和气体流量控制器，可控制实验气体燃料的喷射速率，从而实现对船舶气体燃料泄漏的不同角度、孔径与速率的模拟；通过调节壁板支架可以改变屏障壁板的倾角，实现对屏障壁板不同角度的控制；通过更换平面或曲面等不同形状的屏障壁板，可实现对不同类型的屏障壁面的模拟；通过对船舶机舱模拟舱室顶部开口的开合角度控制，可模拟不同通风状态下的机舱腔室，以分析受限空间和封闭空间不同条件下的所述气体射流火燃烧特性；通过数据采集系统实时记录船舶机舱气体射流火燃烧时的火灾参数，从而为不同场景下的船舶机舱气体射流火和屏障壁面作用下射流火燃烧特性的分析和研究提供数据支撑。本实施例提供的一种船舶机舱屏障壁面气体射流火火灾燃烧模拟实验平台的应用，可以揭示不同倾角、类型屏障壁面作用下的射流火燃烧动力学参数变化规律，阐释船舶舱室空间屏障壁面射流火羽流行为特征动力学演化机理，构建船舶舱室空间屏障壁面射流火羽流行为典型特征参数动力学预测模型，并为船舶机舱灭火技术和系统装备的研发提供理论支持。
63.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。