CN110441467A - 一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，包括变角度固体燃料实验台、供风***以及数据采集处理***。变角度固体燃料实验台可以根据实验要求变换实验材料尺寸，实验台侧边连接角度调节盘可以旋转任意角度，结合实验台与风洞的不同摆放方式可模拟不同方向和大小的环境风；实验台背部热电偶架为组合式矩形结构，配合正面可移动式热电偶架可以测量实验材料任意位置的温度，结合热流测量***以及摄像***完成实验相关参数的测量。本发明建立了一套研究耦合环境风和倾斜角度作用下建筑材料火蔓延模拟实验装置，供风***安全、便捷、精确，实验装置具有完备的参数测量***，可研究不同环境条件下建筑材料点燃到蔓延的完整过程。
Description
技术领域
本发明涉及火灾安全技术领域，更具体的说是设计一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，用于对不同风速、风向的强迫对流作用下的固体燃料燃烧及火蔓延行为的研究。
背景技术
随着现代建筑向大空间、多功能的方向发展，建筑内部使用的可燃材料的种类和数量也逐渐增多，极易诱发火灾，蔓延速度极快，对建筑安全产生了极大地威胁。建筑材料的燃烧是固体火蔓延的一种，由于其组成成分复杂，起火后火蔓延趋势难以掌控。因此固体表面火蔓延的研究对于建筑火灾的防治具有较大的实际意义。
在实际的火灾场景中，环境风和材料的倾斜角度是影响固体燃料燃烧速率和火蔓延速度的重要因素。环境风作用下建筑材料燃烧表面受到浮力与强迫对流的耦合作用，使得固体材料热量传递以及燃烧产物疏运过程与外界无风的情况有所不同；而不同的倾斜角度会使得火焰与材料的相对位置发生变化，从而改变材料表面受到的热量传递情况。
前人的研究分别针对环境风以及材料倾斜角度对固体燃料燃烧特性与火蔓延行为的影响进行了探讨。环境风的影响：Loh等人研究了环境风对水平热厚型PMMA火蔓延行为的影响，发现了环境风与火蔓延速度呈现线性关系；赵路遥揭示了顺风条件下热厚材料宽度对火焰结构与火蔓延速度的影响机制，基于修正Spalding数，建立了基于火焰驻离距离的火蔓延速度模型；Wu等人通过实验和数值模拟的方法研究了逆流火蔓延情况下风速对PMMA火蔓延速率的影响，发现流速增大会导致PMMA点燃延迟，火蔓延速率降低；Chao等人研究了外界气流流速与氧浓度耦合作用下顺流火蔓延规律，通过火焰长度、火焰温度反映出空气流速对火蔓延过程的影响大小；Ajay V.Singh等人研究了环境风对水平固体燃料燃烧燃烧速率的影响；方俊等人研究了非碳化材料PMMA着火时间和表面温升随风速和外加辐射热流的演化关系。材料倾斜角度的影响：陈潇等人研究了材料倾斜角度对材料燃烧速率及火焰形态的影响；M.J.Gollner等人研究了不同倾斜角度下PMMA的火蔓延速度变化规律，发现材料的火蔓延速度随着倾斜角度的增大而增大；H.Ohtani等人研究了不同倾角度下材料燃烧速率与传热系数的变化关系；Nakamura等人研究了热薄型PMMA在不同倾角下的热解着火和火蔓延过程，发现当材料角度在-90°～30°之间时，材料正面的着火时间随角度增大而增大。
通过对已有技术的调研分析可以看出，前人对固体燃料的研究大多集中在单一影响因素的条件下，研究环境风或倾斜角度作用下材料的火蔓延及燃烧特性，并不能测定环境风与倾斜角度耦合作用下材料燃烧的特征参数，与实际的火灾场景差距较大。且现有的实验方法测得的数据较为单一，未见相关专门的实验研究***。因此急需研发一种能够有效控制模拟实际环境中固体燃料火灾场景、能够精细测量实验参数的可燃物火蔓延特性实验装置。
为此，本发明设计和研制了一种固体燃料燃烧及蔓延的火灾模拟实验***，实现了可以模拟不同环境风速、风向、材料尺寸以及材料倾斜角度耦合作用下固体燃料燃烧及蔓延的实验装置，为研究固体燃料燃烧过程中温度分布、热流分布以及火焰形态等特征参数演变规律提供了一整套解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种环境风作用下变倾角固体燃料燃烧的模拟装置，为了能够在实验尺度下充分研究环境风对不同倾斜角度固体燃料的燃烧行为和火蔓延特性。
本发明采取以下技术方案：
一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，该装置包括变角度固体燃料实验台、供风***以及数据采集处理***；其中：
所述变角度固体燃料实验台的主体包括：底部支撑架、角度调节装置、材料支撑板、材料支撑框架、材料固定装置、火焰延长板以及测量***组成。所述底部支撑架、火焰延长板及材料支撑框架以铝型材为材质；所述角度调节装置、材料支撑板、材料固定条以不锈钢为材质。
所述角度调节装置由角度调节盘和角度固定螺栓构成。角度调节盘与底部支撑架通过螺栓相连接，角度固定螺栓与材料支撑框架相连。通过角度固定螺栓将材料支撑框架固定在指定角度，材料支撑框架与水平面的角度调节范围为0～180度。
所述固体燃料放置在材料支撑板中心，由左右两侧材料固定条固定。材料的两侧边由材料固定条进行密封。
所述火焰延长板与材料支撑板通过螺栓相连接，长度可以根据实验中火焰长度进行伸长或收缩。
所述数据采集处理***包括温度测量***、热流测量***、风速测量***及摄像***，其中：所述温度测量***包括两部分，一部分是在固体燃料内部放置的多根由上到下布置的热电偶，用于测量材料内部温度分布，另一部分是燃料侧边2-D导轨上的热电偶，通过电脑控制2-D导轨的位置进而测量材料上方火焰及气体温度分布；所述热流测量***包括在固体燃料内部放置的多个由上到下的热流计，用于测量固体接收到的火焰热流分布；所述风速测量***包括在变角度固体燃料实验台与风机之间放置竖向分布的风速测量装置；所述摄像***是在变角度固体燃料实验台一侧架设一台高速摄像机，用于实时监测固体燃料蔓延行为。
所述供风***，包括设置在试验台一侧小型风洞，风机侧固定有一面多阵列稳流管，用于提供均匀风流；所述风机设置调速阀门，风速可调；供风***四面由可透光玻璃围成，形成单向通风的实验环境，可以提供均匀稳定的环境风。
其中，所述的实验台不同构件之间由螺栓连接，构件可拆卸。为研究不同尺寸固体燃料燃烧特性，设计多个不同尺寸及测量位置的材料支撑板。
其中，所述固体燃料为可燃性固体材料，如亚克力、木质材料、建筑保温材料XPS、胶合板等。
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耦合复杂环境风和材料倾斜角度作用下固体燃料火蔓延行为及火焰特征参数实验装置，风向、风速可以调节，***安全便捷、数值精确。本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：
1.实验材料方面，本发明研究多种可燃性固体材料的火灾行为，如亚克力、木质材料、建筑保温材料XPS、胶合板等，可以依据实验目的选择相应的实验材料种类、尺寸，用于模拟不同环境下(风速，角度)材料的火蔓延行为。
2.实验台方面，实验台各个部件为可拆式结构，可以根据实验材料和测量要求更换材料支撑板。材料倾斜角度通过角度固定杆进行调节，角度调节盘显示固体燃料的倾斜角度，进而模拟不同角度的固体燃料燃烧的火灾场景。
3.环境风模拟方面，采用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％，实验台方向可以根据试验要求进行摆放，从而模拟不同的环境风速和风向，从而真实地模拟复杂环境风作用下建筑材料由点燃到蔓延的完整过程，可用于研究环境风对建筑材料火蔓延行为的影响机制；
4.实验参数测量方面，2-D导轨上的热电偶在电脑控制下可以在二维方向上任意移动且热电偶数量可根据要求进行设置，进而测量火焰在水平和竖直方向上的二维温度场，材料背面设有阵列式热电偶架，可测量材料内部温度分布；材料内部设有辐射与热流测量装置，便于研究不同风速及倾角对固体燃料火蔓延的影响机制。
附图说明
图1为本发明一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置的整体结构示意图；图中：1.风墙；2.整流管；3.风速测量装置；4.高速摄像机；
图2为变角度固体燃料火蔓延实验台的正面结构示意图；图中：5.火焰延长板；6.固定螺栓；7.2-D导轨横杆；8.热流计；9.2-D导轨竖杆；10.材料固定条；11.热电偶；12.材料支撑框架-横框；13.材料支撑板；14.材料支撑框架-竖框；15.角度调节盘；16.角度固定杆；17.底部支撑支架；
图3为变角度固体燃料火蔓延实验台的背面结构示意图；图中：8.热流计；12.材料支撑框架-横框；18.热电偶框架；
图4为材料固定条10的结构示意图；
图5为热电偶框架18的结构示意图；图中：11.热电偶；18.热电偶框架；19.卡套螺丝；
图6为2-D导轨结构示意图：图中：7.2-D导轨横杆；9.2-D导轨竖杆；11.热电偶。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明。
参见图1，本实施例中一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，包括变角度固体燃料火蔓延实验台、供风***以及数据采集***。整个实验模拟装置如图放置，从左到右分别是供风***、风速测量装置3、高速摄像机4和变角度固体燃料火蔓延实验台。高速摄像机4放置在实验台的左侧，用于拍摄记录实验过程中火焰的形态及其他实验现象。供风***包括风墙1和整流管2，风墙1包括共四面，将固体燃料火蔓延实验台围起来形成单向通风的空间。风墙1材料为可透光玻璃。
参见图2，材料底部支撑支架17为T字型铝合金框架。角度调节盘15与底部支撑支架17通过螺栓进行固定。角度调节盘15的圆心位于底部支撑支架17竖直杆的中心，角度调节盘15顶部与底部支撑支架17竖直杆的顶部相平齐。材料支撑框架由两个材料支撑框架-横框12与两个材料支撑框架-竖框14通过螺栓连接组成，材料支撑框架-竖框14的中点与底部支撑支架17、角度调节盘15通过同一个螺栓进行连接。角度调节盘15上有一半拱形镂空，角度固定杆16穿过角度调节盘15的半拱形镂空固定在材料支撑框架-竖框14的侧面，通过螺栓将材料支撑框架固定在一定的倾斜角度位置。材料支撑板13放置在材料支撑框架上，四个角通过螺栓与材料支撑框架进行固定。火焰延长板5通过固定螺栓6与材料支撑板13连接，火焰延长板5长度可以根据实验需要伸长或收缩。2-D导轨固定在材料支撑板13的右侧。热电偶固定在2-D导轨上，并通过电脑控制其位置。热流计8布置在材料支撑板13的中心，从上到下按照相同间距分布。热流计8从材料支撑板13背部通过螺纹孔旋转至材料支撑板13正面指定距离，并通过螺纹进行固定。实验材料放置于材料支撑板13的中心，通过材料固定条10经螺栓与材料支撑板13进行固定。
参见图3，热电偶框架18按照相同间距从上到下布置在材料支撑板13的背面，并通过螺栓进行固定。热流计8通过螺纹孔从材料支撑板13背面旋转至正面。
参见图4，材料固定条10横截面呈L型，其中较薄的不锈钢条部分覆盖在实验材料上，较厚的不锈钢条部分通过螺栓与材料支撑板13进行固定。材料固定条10的厚度根据材料厚度进行调整，将材料的侧面进行封闭。
参见图5，卡套螺丝19通过螺纹固定在热电偶框架18上，热电偶11从卡套螺丝19中间穿过，并通过卡套螺丝调整固定位置。
参见图6，2-D导轨由2-D导轨竖杆9与2-D导轨横杆7组成。2-D导轨竖杆9与2-D导轨横杆7通过横杆轨道相连接，热电偶11固定在2-D导轨竖杆9上。通过电脑可以控制2-D导轨竖杆9进行沿2-D导轨横杆7在水平方向上移动，控制热电偶11行沿2-D导轨竖杆进行上下移动。
实验1：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。首先，将实验台旋转至指定倾斜角度，实验台正面及背面温度测量***和热流测量***布置好，确保2-D导轨，热流计和热电偶运转正常。将实验材料固定在实验台中心处，热流计及实验台背部热电偶穿过实验材料上的预设孔，材料固定条将实验材料两侧包裹并固定于指定位置。调整摄像机位置并确定好拍摄比例。开启风机，逐步调节至指定频率，通过风向调节装置确定风向。实验准备就绪，用气体火源均匀点燃材料底部。点火的同时开始采集热流与温度数据，高速摄像机记录火焰蔓延以及演变过程。调节风机频率、风向控制装置配合装置旋转即可研究不同风向、风速的环境风作用下高层建筑材料火灾立体火蔓延现象。不同工况下(实验台倾斜角度、环境风风向、风速)的实验需要等待实验台材料冷却之后，重复准备步骤即可。
实验2：研究环境风对建筑着火材料熄灭影响机制。首先按实验1中所述方法布置并调试实验仪器。实验准备就绪，用气体火源均匀点燃材料底部。点火的同时开始采集热流与温度数据，高速摄像机记录火焰蔓延和演变的过程。调节风机频率，配合装置摆放角度即可研究不同风向、风速的环境风作用下高层建筑材料火灾由蔓延转变为熄灭的实验。逐渐增加实验风速，直到材料熄灭。对于多组实验(实验台倾斜角度、环境风风向、风速)，需要等待材料冷却之后，重复准备步骤即可。
Claims (3)
1.一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，其特征在于：该装置包括变角度固体燃料实验台、供风***以及数据采集处理***；其中：
所述变角度固体燃料实验台的主体包括：底部支撑架、角度调节装置、材料支撑板、材料支撑框架、材料固定装置、火焰延长板以及测量***组成，所述底部支撑架及材料支撑框架以铝型材为材质；所述角度调节装置、材料支撑板、材料固定装置以不锈钢为材质；
所述角度调节装置由角度调节盘和角度固定螺栓构成，角度调节盘与底部支撑架通过螺栓连接，角度固定螺栓与材料支撑框架相连，通过角度固定螺栓将材料支撑框架固定在指定角度，材料支撑框架与水平面的角度调节范围为0～180度；
所述固体燃料放置在材料支撑板中心，由左右两侧材料固定条固定，材料的两侧边由材料固定条进行密封；
所述火焰延长板与材料支撑板相连接，长度可以根据实验中火焰长度进行伸长或收缩；
所述数据采集处理***包括温度测量***、热流测量***、风速测量***及摄像***，其中：所述温度测量***包括在固体燃料内部放置的多束由上到下的热电偶，用于测量材料内部温度分布，以及燃料一侧2-D导轨上放置的热电偶，通过电脑控制2-D导轨的位置进而测量材料上方火焰及空气温度分布；所述热流测量***包括在固体燃料内部放置的多个由上到下的热流计，用于测量固体接收到的火焰热流分布；所述风速测量***是在变角度固体燃料实验台与风机之间放置一束风速测点；所述摄像***实在变角度固体燃料实验台一侧架设一台高速摄像机，用于实时记录固体燃料火灾行为；
所述供风***，包括设置在试验台一侧小型风洞，风机侧固定有一面多阵列稳流管，用于提供均匀风流；所述风机设置调速阀门，风速可调；供风***四面由可透光玻璃围成，形成单向通风的实验环境，可以提供均匀稳定的环境风。
2.根据权利要求1所述的一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，其特征在于：实验台不同构件之间由螺栓连接，构件可拆卸，为研究不同尺寸固体燃料燃烧特性，设计多个不同尺寸及测量位置的材料支撑板。
3.根据权利要求1所述的一种环境风作用下固体燃料变角度火灾蔓延实验装置，其特征在于：所述固体燃料为可燃性固体材料，具体为亚克力、木质材料、建筑保温材料XPS或胶合板。
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