CN101145296A

CN101145296A - 一种火旋风实验装置

Info

Publication number: CN101145296A
Application number: CNA2006101490766A
Authority: CN
Inventors: 姚斌; 秦俊; 刘乃安; 李权威; 安江涛
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: CN100585668C

Abstract

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及灾害燃烧的实验模拟装置。它由排烟管道、燃烧池、燃料添加系统和控制系统构成。排烟管道包括一个方柱形壳体，它与底座密合构成方柱形内空间，顶部中间有排烟管道，其侧壁上设有可开、关的进风口；所述燃烧池分别安装在四个滑块上，滑块向内移动时四个燃烧池两两紧密接触。燃料添加系统由在壳体外的盛放燃料容器及与之相连的软管组成。控制系统是控制燃料添加、燃烧池移动、点火装置开关的单片机及其操作系统。本实验装置将四个相同尺寸的小燃烧池布局在一个平面上，并通过控制使其能灵活地移动合并形成一个大燃烧池。可研究多个小燃烧池燃烧形成火旋风的条件及规律，也可进行单个大燃烧池的火旋风实验。

Description

一种火旋风实验装置

技术领域：

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及灾害燃烧的实验模拟装置。

背景技术：

在发生森林火灾和建筑群火灾时，燃烧造成高低不等的气压，会出现一种旋转火焰的强对流火灾现象，当旋转火焰的强度足够大时，就形成了火旋风，这时火焰高度成数量级增加。火旋风燃烧速度快，温度高，一旦发生将加大火灾的热释放速率，很难抑制和扑灭，使火灾的危险系数与破坏力急剧上升，火灾中火旋风一旦发生将会造成人员伤亡和重大的财产损失。由于在火旋风过程中火头和热流方向会发生突变，对扑火人员的生命安全带来严重影响。尽管自60～70年代起人们对火旋风就有研究，近年更引起人们的注意，在理论上和实验上也取得了一定成果，但是迄今为止还未能充分掌握其规律，例如对火旋风的温度场分布情况以及对其发生发展预测和如何采取有效的抑制措施等。在现有的技术资料中未发现有关这方面专用实验装置的报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够在实验室模拟火旋风、并能进行有关实验和研究的实验装置。

本发明的技术解决方案如下：

所述火旋风实验装置，其特征在于，它由排烟管道、燃烧池、燃料添加系统和控制系统构成，所述排烟管道包括一个方柱形壳体，它与底座密合构成方柱形内空间，顶部中间有与外间相通的孔，用作排烟管道以排出烟气，其四侧壁上设有可开启或关闭的进风口；所述燃烧池是四个能盛放燃料的敞口方形盒，它们分别安装在四个滑块上；该滑块上设有内孔螺纹，它们分别与安装在底座上的四根螺杆啮合，该螺杆轴线与壳体中轴线垂直，其长度能保证滑块向内移动时四个燃烧池两两紧密接触，每根螺杆上还设有驱动电机；每个燃烧池设有点火装置；所述燃料添加系统由设置在壳体外的盛放燃料容器及与之相连的软管组成，软管的另一端头分别与四个燃烧池内腔连通，并有阀门控制开启与关闭；所述控制系统是用以控制燃料添加、燃烧池移动、点火装置开关的单片机及其操作系统，该单片机有P0、P1、P2和P3四个输入/输出接口，每一个接口均是8位，P1口和P3口分别与电源及键盘连接，P0口的P0.5和P0.6两位分别与燃料添加阀门开关和点火器点火开关连接，P0口的P0.0～P0.4位和P2口的P2.0～P2.5位分别通过外围电路22与螺杆控制器的电机启动连接。所述四根螺杆的转动能够手动完成或由电机带动完成，手动完成装置是在螺杆的伸出端安装有转动把手。

本发明的实验装置通过四对螺杆螺母机构将四个相同尺寸的小燃烧池布局在一个平面上，并通过控制使其能灵活地移动合并形成一个大燃烧池。既可研究多个小燃烧池燃烧形成火旋风的条件及规律，又可方便地进行单个大燃烧池的火旋风实验。这种方式极大地提高了实验装置的操作灵活性，增加了实验的多样性。

下面通过实施例和附图作进一步描述。

附图说明

图1是本发明所述火旋风实验装置的一种实施例的结构示意图。

图2是本发明所述四个小燃烧池为分开状态时的示意图。

图3是本发明所述四个小燃烧池为合并状态时的示意图。

图4是本发明所述点火装置的一种实施例示意图。

图5是本发明所述滑块的一种实施例示意图。

图6是本发明所述控制系统的一种实施例电路图。

图7是本发明所述控制系统中点火器一种实施例电路图。

图8是本发明所述控制系统中加油器一种实施例电路图。

具体实施方式

参见图1，壳体1和底座2均为正方形，两者密合构成正方柱形内空间。壳体1的四个侧面采用耐火玻璃，便于实验时观察。四角及四个顶边采用不锈钢或其它金属制作以固定侧面的耐火玻璃，使其有足够的强度。在每个侧面的右边靠近不锈钢柱的地方分别开有切向进风口12，进风口门13以不锈钢柱为轴安装，可以方便地调节进风口的开度。试验进行时，在浮力影响下，空气切向进入，驱动流场旋转，从而产生火旋风。壳体顶部安装有集烟罩7和通到室外的排烟管道8，以排出烟气。底座2以金属材料制作，用来支撑安装在其上的壳体1等器件。参见图2，在底座2上安装有四根螺杆9和4根导轨10，它们的轴线与壳体1截面的对角线重合。该螺杆与滑块17(参见图5)内孔螺纹啮合，四个燃烧池3分别固定在四个滑块上。四根螺杆9分别由安装在其下部的电机11驱动，并受控制系统6的控制。如果是手动情况，则可将螺杆9的外段延伸到壳体外，并安装上把手即可。当螺杆9转动时，使安装在其上的滑块移动，进而带动固定在滑块上的燃烧池3的移动。点火装置4置于燃烧池3侧边，需要点火时在控制系统6的控制下驱动点火器控制电机16将点火器20移至小燃烧池3上方并点火，点燃后将点火器移开(参见图4)。燃烧池3通过软管14与壳体1外的燃料添加容器5相连，在燃料添加容器5底部设有阀门15，阀门的开启与关闭可手动操作或由控制系统6控制自动进行。本装置将四个相同尺寸(10cm×10cm)的小燃烧池3正交地布局在一个平面上，参见图2。可通过控制螺杆转动，方便地使其沿正交方向灵活地向内移动，合并形成一个大燃烧池(20cm×20cm)，参见图3。既可用作研究多个小燃烧池燃烧形成火旋风的条件及规律，又可进行单个大燃烧池的火旋风实验。本实验装置以酒精等液体可燃物为燃料。

参见图4，支架18由螺钉固定安装在小燃烧池3的侧面，点火器控制电机16安装在该支架18上，电机主轴为垂直方向，该电机主轴端部与直角支撑臂19的垂直段固定连接，点火器20固装在直角支撑臂19的水平段的头部。电机主轴转动时，带动该直角臂转动，从而使点火器20能位于小燃烧池3上方或远离小燃烧池3。所述点火器是常用的电弧发生器，需要点火时在控制系统6的控制下接通电源即可点火，然后迅速关闭电源并将点火器转到远离小燃烧池的地方。

参见图5，滑块17的底面上设两个导轨槽，它和底座2上的导轨相配合。中孔为内螺纹孔，与螺杆9啮合。螺杆9的转动使滑块17在导轨10上移动，从而带动小燃烧池3移动。滑块17上表面的两个螺纹孔用于与小燃烧池的连接。

参见图6、7、8，控制系统6由以单片机21为核心和外围电路22、点火器电路23、加油器电路24组成的控制电路构成，该单片机P0口的P0.0～P0.4位和P2口的P2.0～P2.5位均与外围电路22接，外围电路22除了有晶体管T1～T11，11只电阻R1～R11外，还设有CH1～CH5五个接插口。其中CH5连接点火控制器电机16，用于控制点火器的位置。CH1～CH4分别与四只螺杆控制电机11连接，由单片机21发出指令控制电机11正反转动带动螺杆9转动，从而控制小燃烧池所在位置。

在图7中，点火器电路23由晶体管T13、电阻R23、电阻R24、电磁阀U5和4脚插座CH8组成。其中，T13的基极与端口A6之间串接R23，发射极接VCC，集电极与U5的5端之间串接R24，U5的4端与CH8的1端接地，U5的3、2、1端分别与CH8的4、3、2端相接，CH8的1、4脚接至点火器4，端口A6与图6中单片机20的P2.7脚相接，由单片机通过P2.7脚发出指令控制点火器4给小燃烧池3点火。

参见图8，加油器电路24，由晶体管T14、晶体管T15、电阻R25和电阻R26、二极管D4，电磁阀U6和端口A7、A8、A9组成。其中，T14的发射极接VCC，基极与端口A7之间接R25，集电极通过R26接T15的基极，T15的发射极接地，U6和D4并接后D4的阳极接T15的集电极、D4的阴极接VCC2；端口A8接至电源VCC2，端口A9接至电磁阀开关的接地端，电磁阀开关的另一端接VCC2；端口A7接至单片机21的P0.7脚，由单片机程序通过P0口的P0.7位发出通知指令给加油器控制阀门15向小燃烧池燃烧油盘3加油。

上述实施例中，所用点火器20是高压电火花点火器，采用市场购买的FBGD-6D防爆型半导体电子点火器，点火控制器电机16是从市场购买的DC24V直流电机，螺杆驱动电机11是DC12V直流电机，控制系统6中的单片机21是ATM公司的89C51单片机。

Claims

1.一种火旋风实验装置，其特征在于，它由排烟管道、燃烧池、燃料添加系统和控制系统构成，所述排烟管道包括一个方柱形壳体，它与底座密合构成方柱形内空间，顶部中间有与外间相通的孔，用作排烟管道以排出烟气，其四侧壁上设有可开启或关闭的进风口；所述燃烧池是四个能盛放燃料的敞口方形盒，它们分别安装在四个滑块上；该滑块上设有内孔螺纹，它们分别与安装在底座上的四根螺杆啮合，该螺杆轴线与壳体中轴线垂直，其长度能保证滑块向内移动时四个燃烧池两两紧密接触，每根螺杆上还设有驱动电机；每个燃烧池设有点火装置；所述燃料添加系统由设置在壳体外的盛放燃料容器及与之相连的软管组成，软管的另一端头分别与四个燃烧池内腔连通，并有阀门控制开启与关闭；所述控制系统是用以控制燃料添加、燃烧池移动、点火装置开关的单片机及其操作系统。

2.如权利要求1所述的火旋风实验装置，其特征在于，所述控制系统中的单片机有P0、P1、P2和P3四个输入/输出接口，每一个接口均是8位，P1口和P3口分别与电源及键盘连接，P0口的P0.5和P0.6两位分别与燃料添加阀门开关和点火器点火开关连接，P0口的P0.0～P0.4位和P2口的P2.0～P2.5位分别通过外围电路与螺杆控制器的电机启动连接。

3.如权利要求1所述的火旋风实验装置，其特征在于，所述四根螺杆的伸出端安装有转动把手。