CN102460537B - 用于真实火源模拟的漂浮气体的使用 - Google Patents

Abstract

对真实火源的产物流进行模拟而无需再现与真实火源相关的热环境的方法和装置，包括释放具有密度小于空气的适合密度的气体或气体混合物，以对来自真实火源的烟雾运动进行模拟。在一些实施方式中，漂浮气体与人造烟雾例如示踪气体或惰性染料(例如微粒)结合来提供从释放装置释放的替代烟雾的位置和流动特性的可视化表示。在另一实施方式中，显示气体密度差的光学技术用于将漂浮气体的运动可视化。释放装置包括控制系统，其遵循规定的基于时间的流速，以对不同火源配置和生长速率进行模拟。

Description

用于真实火源模拟的漂浮气体的使用

本申请要求于2009年5月11日提交的美国临时申请序列第61/177,041号的优先权。该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

目前，在消防安全领域，需要对建筑烟雾管理系统是否能够如所设计地那样发挥作用进行测试。由于使用大火源来测试这些系统并不实际，所以希望有用于测试上述系统的其它方法。目前，使用烟雾弹或其它类似发烟装置来对烟雾管理系统进行测试，但这些技术缺乏真实感，所以在建筑内部没有产生可导致环境损害或破坏的显著能量释放的情况下，很难准确地再现驱动真实火源中的实际烟雾运动的浮力。

附图的简要说明

图1为根据一个实施方式的用于惰性漂浮气体控释的系统的示意图。

图2为根据第二实施方式的用于惰性漂浮气体控释的系统的示意图。

图3为根据第三实施方式的用于惰性漂浮气体控释的系统的示意图，该系统具有圆形释放装置。

图4为根据第四实施方式的用于惰性漂浮气体控释的系统的示意图，该系统具有圆形释放装置。

具体实施方式

在下面的详细描述中列出了多个具体细节，例如漂浮气体类型和释放装置的配置，从而可彻底理解下文所讨论的优选实施方式。结合优选实施方式所讨论的细节不应理解为对本发明的限制。此外，为了便于理解，将某些方法步骤描述为分开的步骤；然而，这些步骤不应解释为必须截然不同的，也不依赖于其执行。

在没有对来自真实火源的烟雾运动进行模拟的显著能量释放的情况下，产生合适浮力的替换方式为将密度小于周围空气密度的气体或气体混合物释放来模拟真实火源的烟雾运动。气体可为惰性气体并可以相对于周围空气自然地具有浮力(“自然地具有浮力”应理解为气体相对于周围空气本身具有浮力)。在一个实施方式中，自然地惰性漂浮气体为氦气，或包括至少50％的氦气、或75％以上的氦气、或90％以上的氦气、或95％以上的氦气的气体混合物。

本发明应用于对烟雾管理系统进行测试。然而，应理解，在需要对来自真实火源的产物流进行模拟而无需再现与真实火源相关的热环境的任何情况下，都可使用该方法和装置。

在一些实施方式中，漂浮气体与人造烟雾例如示踪气体(如六氟化硫)或惰性染料(如微粒)结合来提供从装置释放的替代烟雾的位置可视化表示和流动特性。在其它实施方式中，显示气体密度差的光学技术用于使漂浮气体的运动可视化。例如，显示气体密度差的光学装置提供从装置释放的漂浮气体的运动的可视化表示。在一些实施方式中，释放的惰性气体可用单色准直光源或多色准直光源来示出，并使用纹影或阴影系统来可视化。

方法和装置可包括对不同火源配置以及通过控制系统的火源生长速率进行模拟的装置，控制系统遵循规定的基于时间的流速。

由于火源的几何形状和尺寸与所导致的产生的流的特性和状况之间存在关系，因而在一些实施方式中的方法和装置包括改变配置以及改变漂浮惰性气体释放的面积及释放气体的压力的能力。对漂浮惰性气体的流动和释放面积的控制允许使用该方法和装置对火的生长速率进行模拟。所模拟的火的生长速率可再现特定燃料的生长速率和配置或一般的生长速率，例如“t-平方”的火源(即其中为放热速率，α为生长速率常数，t为时间)。惰性漂浮气体被释放处的垂直高度还可以改变以产生等效源，但由于与较低的垂直高度处夹带空气的速率相比，空气夹带入漂浮流的速率较低，因而使所需的气体流减少。所使用的系统压力范围从需要克服释放装置的管道系统中的水力损失的压力到与产生弗劳德数(Froude number，Fr)一致的压力，其中，在与产生弗劳德数一致的压力下，喷嘴或其它释放孔的一对直径内的流将与动量驱动的火源相反地模拟浮力驱动的火源。漂浮惰性气体的使用提供了用于相对高温流效应的低公差以及真实火源的燃烧产物的表面沉积应用中的实际装置。

如上所述，在一些实施方式中使用气体混合物。与只使用单一气体例如氦气相比而言，气体混合物的使用提供了更准确地控制气体浮力的机制。在其它实施方式中，将气体加热来控制浮力。另外的实施方式可采用气体混合物以及对混合气体加热来控制浮力。此外，除使用气体混合物之外，出于对所需浮力进行细致调整的目的，还可将示踪气体与漂浮气体混合用于可视化的目的。

本发明应用于对烟雾管理系统进行测试。烟雾管理系统为包括可用于控制烟雾运动的所有方法的工程系统。与建筑内的有害火源相关的烟雾管理系统被设计为在所有出口通道和避难通路区域内保持耐受环境，以使居住者具有安全到达出口或避难区域的必需的时间。除建筑居住者之外，烟雾管理还有益于消防员和减少财产损失。烟雾管理的方法包括分隔、稀释、加压、空气流动和浮力机制。这些可单独使用或与在火情中管理烟雾的条件联合使用。

与烟雾管理系统的设计和安装相关的标准需要验收测试来测量所安装的系统是否能够符合特定性能设计标准。根据历史情况，烟雾管理系统的验收测试使用从“烟雾弹”到真实火源范围的多种火源/烟源。由于“烟雾弹”不能产生与真实火源产生的燃烧产物相同的浮力压力差，所以使用从其生成的人造烟雾并不是实际可行的替代物。在验收测试中使用真实火源具有明显的安全性和财产保护问题，使得它们的使用不安全且不实际。因此，这些明显限制不允许对所有的特定性能设计标准进行测试。

图1示出根据本发明的一个实施方式的系统100的示意图。该系统包括控制器110，控制器110连接至由其启动的阀120，并对从源130至释放装置140的惰性漂浮气体流进行控制，在该实施方式中，释放装置140包括具有多个形成于其中的开口的室。流量传感器150连接在阀120与释放装置140之间，以对进入释放装置的漂浮气体流量进行测量并向控制器110提供该流的流量输入指示。控制器110使用该输入来控制阀120。系统传感器160对由释放装置140生成的羽状烟柱的一个或多个特性进行测量。尽管在图1中示出系统传感器160位于释放装置140的内部，但应理解，在其它实施方式中，系统传感器160还可放置在释放装置140外部。在其它实施方式中，多个系统传感器160设置在不同的空间位置处(例如不同高度)。在一些实施方式中，系统传感器160对气体羽状烟雾的速度和温度进行测量。该信息被反馈至控制器110，并在控制器110的控制算法中与流量传感器150的输出一同使用来控制阀120。将系统传感器160与流量传感器150一同使用提高了控制器110和图1所示的系统准确模拟真实火源的能力。在其它实施方式中，仅使用流量传感器150或仅使用系统传感器160。

图1示出根据第二实施方式的系统200的示意图。系统200与系统100类似但包括加热器170，加热器170配置为在控制器110的控制下将来自供应源130的气体加热。加热器170由控制器110进行额外控制。本领域技术人员将认识到，在包括气体混合物的漂浮气体实施方式中，加热器170可只对成分中的一种成分进行加热，或者可将不同的加热器170分别用于各个成分。

在一些实施方式中，释放装置140包括一系列管和喷嘴，其以对矩形、圆形或其它配置的“2-D”火(例如液池火)进行模拟的方式来布置。具有圆形配置的实施方式的示例为图3示出的系统300。系统300包括控制器110，控制器110连接至阀120以对由控制器110启动的阀120进行控制，控制器110对从源130至控制阀排380的惰性漂浮气体流进行控制。与图1的实施方式中仅使用单个阀的情况相比，多个控制阀的使用增加了对漂浮气体释放的控制精度。流量传感器150连接在阀120与控制阀排380之间来对进入释放装置340的漂浮气体流进行测量，并向控制器110提供该流的流量指示。控制器110使用该输入来控制阀120。由控制器110启动的阀排380以具有在其中形成的多个开口344(例如简单的孔或者固定或可调整的喷嘴)的一系列同轴圆形管342的形式对到达释放装置340的多个段(section)的惰性漂浮气体流进行控制。流量传感器排390连接在栅形阀排380与释放装置340之间，以对进入释放装置的漂浮气体流进行测量，并向控制器110提供该流流量的输入指示。控制器110使用该输入来对控制阀排180进行控制，阀排380中的各个阀对释放装置340中的各个管342的流进行控制。系统传感器160对释放装置340生成的羽状烟雾的一个或多个特性进行测量。在图3中，系统传感器160定位在释放装置340上。在一些实施方式中，系统传感器160对气体羽状烟雾的速度和温度进行测量。该信息被返回至控制器110，并在控制器110的控制算法中与流量传感器150的输出一同使用来控制阀120。将系统传感器160与流量传感器150和传感器390一同使用提高了控制器110和图3所示的系统准确模拟真实火源的能力。在其它实施方式中，并没有使用所有这些传感器。

图4示出与图3所示的系统300类似的系统400，但还包括用于漂浮气体源130的加热器170。如上所述，在使用多个气源的情况下可使用多个加热器170，或可将单个加热器用于多个气源中的一个或多个气源。

在其它实施方式中，释放装置通过立方体的、锥形体的或其它体积配置来模拟“3-D”火源。优选地，各种配置由相似且较小的段构成，以在应用改变时允许装置的尺寸改变为所模拟火源的最大尺寸(即所模拟气体被释放作用的区域)。所模拟火源的生长速率还可由流入单独段的流或通过释放装置内部的每个喷嘴或每组喷嘴(在上述实施方式中，还有多个阀120，单个阀用于释放装置内部的每个喷嘴或每组喷嘴)的可变流来控制。在一些实施方式中，还存在多个系统传感器160。

提供的上述示例仅用于说明的目的而不被解释为限制。虽然参考了多个实施方式，但本文所使用的用语为说明性和描述性用语，而不是限制性用语。此外，尽管示出了对特殊的装置、材料和实施方式的参考，但并不限制本文公开的特殊性。此外，实施方式扩展至功能上等同的结构、方法及用途，例如在所附的权利要求范围内的结构、方法及用途。

此外，摘要的目的在于使专利局和公众，尤其是科学家、工程师和本领域中对专利或法律用语和措辞不太熟悉的人，能够通过粗略浏览而快速地确定本申请的技术公开的性质。摘要在任何程度上不会限制本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种对来自真实火源的烟雾流进行模拟的方法，包括以下步骤：

确定与所述真实火源相对应的烟雾的速度分布；以及

控制来自释放装置的加压漂浮气体的释放，使得所述漂浮气体的速度分布与所述真实火源的速度分布基本相同，由此，将所述漂浮气体用作真实火源的燃烧产物流的替代物。

2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在所述漂浮气体被释放的同时改变所述释放装置的配置，以改变所模拟的火源的几何形状。

3.如权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：控制所述漂浮气体的流速，以及控制释放惰性漂浮气体的表面积。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述释放步骤通过使用来自传感系统的输入来执行，所述传感系统配置为对所述释放装置外部的漂浮气体的流速进行测量。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述释放步骤通过使用控制器来执行，所述控制器配置为控制漂浮气体的流量。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制器生成流量水平控制信号。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制器接收来自与所述释放装置关联的传感系统的信号。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制器为模拟控制器，所述模拟控制器通过使用调谐控制系数从输入信号生成控制输出。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述模拟控制器为PID控制器。

10.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制器为数字控制器，其计算维持预定的流速所需的漂浮气体的流量。

11.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制器释放漂浮气体来模拟t平方火源。

12.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述释放装置的垂直高度改变，以减少由于较低垂直高度处的等效源的气体流中夹带空气而所需要的漂浮气体。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述漂浮气体在具有烟雾处理系统的结构内部被释放，并且所述方法还包括监控进入所述烟雾处理系统的烟雾流的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述漂浮气体包括可见的示踪气体，所述监控步骤通过由人对所述可见的示踪气体进行可视观察来执行。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述漂浮气体是惰性的。

16.如权利要求1所述的方法，其中，所述漂浮气体是自然具有浮力的。

17.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：使用显示气体密度差的光学装置来提供从所述装置释放的所述漂浮气体运动的可视表示。

18.一种对来自真实火源的烟雾流进行模拟的系统，包括：

电控阀，具有第一开口和第二开口，所述第一开口能连接至加压漂浮气体供应源；

控制器，连接以对所述阀进行控制；

流量传感器，具有连接至所述阀的第二开口的入口、出口以及连接至所述控制器的测量输出；

释放装置，连接至所述流量传感器的所述出口；

其中，所述控制器配置为控制所述阀随所述流量传感器的测量输出而变化，从而将具有与所需真实火源相对应的烟雾剖面的漂浮气体释放。

19.如权利要求18所述的系统，还包括系统传感器，所述系统传感器配置为对从所述释放装置释放的所述漂浮气体的特性进行测量，并与所述控制器连接以将所述特性的指示传递至所述控制器，其中，所述控制器还控制所述阀随所述指示进行变化。

20.如权利要求18所述的系统，还包括加热器，所述加热器配置为将来自所述气体供应源的加压气体加热，并连接至所述控制器。