CN107290128A - 一种车厢窗口处气流状态示踪装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车厢窗口处气流状态示踪装置及实验方法。开启风机使空气在管道内循环，烟气发生器开启，烟气由干管、支管、流量调节阀、缓冲管、释放管和释放孔释放到车厢窗口处，调节风机的转速来控制流量，使烟气在车厢内迹线清晰可见；摄像机拍摄释放出的烟气图像存储到计算机，直观显示车厢内空气的实时流动状态，判断窗口处的风向；风速仪采集的风速数据通过数据采集器记录并导入计算机后通过数据采集器绘制入口处时间和速度曲线，据此计算得到车厢窗口处的换气量，从而为后续发生火灾空间的风场模拟及火灾耗氧量计算提供数据，对于消防研究中的火灾状态判断具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于空气流场测试技术领域，特别涉及一种车厢窗口处气流状态示踪装置及实验方法，主要用于如内燃机车运行状态下的窗口处气流动状态测定和机车内部的气流状态测定等。
背景技术
消防科学研究中常常需要测量车厢窗口处的气流状态，如内燃机车运行状态下的窗口处气流动状态测定，机车内部的气流状态测定等。空气作为火灾发生的三要素之一，对于火灾发生发展、火灾状态、火灾扑救时机的选择都有很大的影响，是消防研究中必须分析和测试的重点。目前车厢内火灾研究中的空气量测定大多依靠在窗口处指定位置布置风速仪的方法，以点流场代替整个面的流场进行进气量的估算，存在着较大的计算误差，一是测试过程中，无法判定窗口处及车厢内部的流动状态，因此往往忽略空气扰动产生的局部回流影响因素。二是由于运动车体复杂风场的方向实时变化，这些复杂的气流状态依靠现有的风速仪难以测定和测准。三是，风速仪设置后只能测定指定方向的风速，而实际在窗口处流动的空气往往和窗口有一定的角度，风速仪的测试结果无法准确描述实际气流状态。此外，空气在车厢内部的流动状态也无法得知，更无法判断火灾时风场对于火灾蔓延的影响。因此构建车厢窗口处气流状态示踪装置对于此类问题的研究显得尤为重点。
发明内容
本发明的目的，旨在为消防研究过程中提供一种测试车厢窗口处气流状态的示踪装置并针对该装置提出测试方法，弥补现有研究手段的不足和空白。
本发明可实现实时显示窗口处气流迹线，直观的判断气流方向，与摄像机、数据采集器、风速仪等设备结合使用还可以分析气流流速，进一步可计算车厢窗口处空气流通量，此参数可以作为消防研究过程中的实验控制参数或模拟边界条件。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种车厢窗口处气流状态示踪装置，包括烟气发生器、储烟罐、风机、流量调节阀、电源，其特征在于：还包括干管、支管、缓冲管、释放管，所述缓冲管、释放管和流量调节阀构成烟气释放组管，在两端封堵的缓冲管的两侧，间隔对称的连接数对释放管，每根释放管的外侧为封堵状态，在数对释放管上分别间隔竖直向下的设有数个烟气释放孔，在缓冲管中间一侧的缓冲管上设有流量调节阀，流量调节阀的输出口与缓冲管和数对释放管相通；
所述储烟罐分别与烟气发生器和风机连接，风机依次通过干管和支管分别与至少一组释放组管流量调节阀的输入端连接，电源为烟气发生器和风机提供电源；所述干管、支管、缓冲管、释放管和储烟罐均为透明材质。
一种车厢窗口处气流状态示踪装置的实验方法，其特征在于：
步骤一，设计计算；
第一、确定释放烟气量，烟气量的确定应根据车厢的体积和机械排风和自然排风状态及车厢窗口的大小和形式确定；
第二、根据车厢窗口的大小和形式确定烟气释放组管布局，烟气释放组管的管路设计需满足释放烟气能够覆盖整个窗口，设计原则为垂直于缓冲管上的数对释放管的间距不大于350mm，数对释放管水平方向应布满整个窗口，释放管上的数个烟气释放孔的孔径为40mm，方向竖直向下，数个烟气释放孔的数量根据设计流速不大于2.5m/s和烟气量确定，均匀分布；
第三、缓冲管的设计是防止烟气在较长管道中运行，累计沿程阻力过大而使释放管上各个烟气释放孔的出流偏差过大，因此设计中应在缓冲管内尽量降低动压提高静压，缓冲管截面尺寸应根据烟气量和设计速度不大于1.5m/s计算；
第四、干管和支管的管径的选取按照烟气量和设计速度不大于2.5m/s，支管上设置流量调节阀；
第五、储烟罐作为压力平衡和烟气储存用容器，顶端开口，体积采取10s的烟气量；
第六、风机3采用直流无刷变频风机，风量需满足烟气量的1.5倍，压力满足压力损失计算；
第七、烟气发生器采用数码烟雾机，烟雾密度和空气接近，可长时间悬浮在空气中且没有毒害，综合成本较低，烟气量及产生烟气速度最小应大于2倍的烟气量，并可连续发生烟雾；
步骤二，系统连接调试；该装置配合风速仪、摄像机和与计算机连接的数据采集器，可直观的显示流场状态，数个风速仪采用三杯式风速仪，与示踪装置的释放管平行布置，数个风速仪与释放孔的位置和数量对应，也可根据实验需求适当增减，风速仪通过补偿导线与数据采集器连接；数据采集器将数据传输到计算机，并通过计算机绘制时间和风速曲线，实现时时显示风速的效果；摄像机至少布置两台，拍摄窗口平行面一台，拍摄窗口垂直面一台，摄像机可以直观拍摄出烟气流动状态，经过计算机图像分析可以得到流动迹线，结合风速仪测得的速度数据结果获取整个空间的流场状态；
步骤三，进行试验；实验过程包括烟气生成及导入、烟气流量调节、流场示踪及数据收集，实验开始时，流量调节阀保持全开启状态；需先开启风机使空气在管道内循环，同时预热烟气发生器，待烟气发生器预热完成后开启，烟气依次由干管、支管、流量调节阀、缓冲管、释放管和释放孔释放到车厢窗口处，调节风机的转速来控制流量，使得释放管路释放孔中的烟气喷射距离不大于释放管的间距，之后调节流量调节阀实现精调，使烟气在车厢内迹线清晰可见又不至过快充满整个空间；烟气量通过烟气发生器的控制或启动关断的方法调节，以烟气时刻充满储烟罐作为控制标准，开始实验数据的采集和记录视频；
风速仪采集风速数据并将数据以电压信号的形式传输给数据采集器，数据采集器连续记录数据并通过计算机端的软件将电压信号计算还原为风速数据，同时绘制风速和时间曲线，摄像机拍摄烟气示踪装置所释放出的烟气，并将图像存储到计算机，摄像机记录的时间应与计算机时间保持一致；
步骤四，实验结束及整理；
实验结束后，关闭烟气发生器，待烟气耗尽后依次关闭风机和流量调节阀；
摄像机的录像存储至计算机，通过视频编辑软件导入时间坐标，可以直观显示车厢窗口处空气的实时流动状态，判断车厢窗口处的风向；风速仪采集的风速数据通过数据采集器记录并导入计算机后通过数据采集器的软件绘制入口处时间和速度曲线，可以据此计算得到车厢通过窗口处的换气量，从而为后续发生火灾空间的风场模拟及火灾耗氧量计算提供数据。
本发明具有以下优点：
1.根据示踪装置及方法可实现车厢窗口处复杂气流流动状态的现场测定。可通过烟气发生装置、风机的选择和流量调节阀的控制，实现不同强度流场测定和迹线显示，弥补风速采集仪测试系统只能采集风速数据而无法判定风速实时方向和气流现实状态的缺点。建立烟气示踪装置的时间短、费用低、实验效率高且可重复利用，可广泛应用于复杂气流测试的需求中，为消防研究提供基础数据和环境参数，如列车运行中窗口空气流动的状态测定等。
2.在车厢窗口处形成烟幕，烟气流量稳定可调，适用于车厢不同窗口大小和形式，迹线清晰可辨，烟气流量流向调试简单，示踪装置管路采用透明塑料，可直观查看烟气在系统中的流动状态，方便调节压力使烟气均匀流出。
3.该装置可以配合风速仪、摄像机、数据采集器等设备直观的显示气流状态，实验步骤少、安全可靠，可用于后期空气量计算结果的修正，有利于车厢窗口处气流状态的科学测定，进而可准确计算流通空气量，对于消防研究中的火灾状态判断具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的使用状态图。
具体实施方式
如图1所示，一种车厢窗口处气流状态示踪装置，包括烟气发生器1、储烟罐2、风机3、流量调节阀4、电源5，还包括干管6、支管7、缓冲管8、释放管9。
缓冲管8、释放管9和流量调节阀4构成烟气释放组管，在两端封堵的缓冲管8的两侧，间隔对称的连接数对释放管9，每根释放管9的外侧为封堵状态，在数对释放管9下面上，分别间隔竖直向下的设有数个烟气释放孔9-1，在缓冲管8中间一侧的缓冲管8上设有流量调节阀4，流量调节阀4的输出口与缓冲管8和数对释放管9相通；
将储烟罐2分别与烟气发生器1和风机3连接，风机3依次通过干管6和支管7分别与至少一组释放组管流量调节阀4的输入端连接，电源5为烟气发生器1和风机3提供电源。
干管6、支管7、缓冲管8、释放管9和储烟罐2均为透明材质。
如图2所示，一种车厢窗口处气流状态示踪装置的实验方法：以机车窗口流场为例进行示踪装置的设计及工作过程详述。
机车尺寸为8m（长）*3m（宽）*2.9m（高），窗口尺寸为1.1m（宽）*1.7m（高）。
步骤一，设计计算；
第一、确定释放烟气量，烟气量的确定应根据车厢体积和机械排风和自然排风状态及车厢窗口大小及形式确定。
第二、根据车厢窗口大小确定烟气释放组管布局，烟气释放组管的管路设计需满足释放烟气能够覆盖整个窗口，设计原则为垂直于缓冲管8上的数对释放管9的间距不大于350mm，数对释放管9水平方向应布满整个窗口，释放管9上的数个烟气释放孔9-1的孔径为40mm，方向竖直向下，数个烟气释放孔9-1的数量根据设计流速不大于2.5m/s和烟气量确定，均匀分布。
第三、缓冲管8的设计是防止烟气在较长管道中运行，累计沿程阻力过大而使释放管9上各个烟气释放孔9-1的出流偏差过大，因此设计中应在缓冲管8内尽量降低动压提高静压，缓冲管8截面尺寸应根据烟气量和设计速度不大于1.5m/s计算。
第四、干管6和支管7的管径的选取按照烟气量和设计速度不大于2.5m/s，支管7上设置流量调节阀4。
第五、储烟罐2作为压力平衡和烟气储存用容器，顶端开口，体积采取10s的烟气量。
第六、风机3采用直流无刷变频风机，风量需满足烟气量的1.5倍，压力满足压力损失计算。
第七、烟气发生器1采用数码烟雾机，烟雾密度和空气接近，可长时间悬浮在空气中且没有毒害，综合成本较低，烟气量及产生烟气速度最小应大于2倍的烟气量，并可连续发生烟雾。
步骤二，系统连接调试；该装置可以配合风速仪10、摄像机11和与计算机12连接的数据采集器13，可直观的显示气流状态，数个风速仪10采用三杯式风速仪，与示踪装置的释放管9平行布置，数个风速仪10原则上与释放孔9-1的位置和数量对应，也可根据实验需求适当增减，风速的采集方向应通过空白示踪实验结果设定；风速仪10通过补偿导线与数据采集器13连接；数据采集器13将数据传输到计算机12，并通过计算机12绘制时间和风速曲线，实现时时显示风速的效果；摄像机11至少布置两台，拍摄窗口平行面一台，拍摄窗口垂直面一台，摄像机11可以直观拍摄出烟气流动状态，经过计算机12图像分析可以得到流动迹线，结合风速仪10测得的速度数据结果获取整个空间的气流状态。
步骤三，进行试验；实验过程包括烟气生成及导入、烟气流量调节、气流示踪及数据收集，实验开始时，流量调节阀4保持全开启状态；需先开启风机3使空气在管道内循环，同时预热烟气发生器1，待烟气发生器1预热完成后开启，烟气依次由干管6、支管7、流量调节阀4、缓冲管8、释放管9和释放孔9-1释放到车厢窗口处，调节风机3的转速来控制流量，使得释放管路释放孔9-1中的烟气喷射距离不大于释放管9的间距，之后调节流量调节阀4实现精调，使烟气在车厢内迹线清晰可见又不至过快充满整个空间，烟气量通过烟气发生器1的控制或启动关断的方法调节，以烟气时刻充满储烟罐2作为控制标准，开始实验数据的采集和记录视频；
风速仪采集风速数据并将数据以电压信号的形式传输给数据采集器13，数据采集器13连续记录数据并通过计算机12端的软件将电压信号计算还原为风速数据，同时绘制风速-时间曲线。摄像机11拍摄烟气示踪装置所释放出的烟气，并将图像存储到计算机，摄像机11记录的时间应与计算机12时间保持一致。
步骤四，实验结束及整理；
实验结束后，关闭烟气发生器1，待烟气耗尽后依次关闭风机3和流量调节阀4。
摄像机12的录像存储至计算机，通过视频编辑软件导入时间坐标，可以直观显示车厢内空气的实时流动状态，判断车厢内和窗口处风向，风速仪10采集的风速数据通过数据采集器13记录并导入计算机12后通过数据采集器的软件绘制入口处时间和速度曲线，可以据此计算得到车厢通过窗口处的换气量，从而为后续发生火灾空间的风场模拟，火灾耗氧量计算等提供数据。
Claims (2)
1.一种车厢窗口处气流状态示踪装置，包括烟气发生器（1）、储烟罐（2）、风机（3）、流量调节阀（4）、电源（5），其特征在于：还包括干管（6）、支管（7）、缓冲管（8）、释放管（9），所述缓冲管（8）、释放管（9）和流量调节阀（4）构成烟气释放组管，在两端封堵的缓冲管（8）的两侧，间隔对称的连接数对释放管（9），每根释放管（9）的外侧为封堵状态，在数对释放管（9）上分别间隔竖直向下的设有数个烟气释放孔（9-1），在缓冲管（8）中间一侧的缓冲管（8）上设有流量调节阀（4），流量调节阀（4）的输出口与缓冲管（8）和数对释放管（9）相通；
所述储烟罐（2）分别与烟气发生器（1）和风机（3）连接，风机（3）依次通过干管（6）和支管（7）分别与至少一组释放组管流量调节阀（4）的输入端连接，电源（5）为烟气发生器（1）和风机（3）提供电源；所述干管（6）、支管（7）、缓冲管（8）、释放管（9）和储烟罐（2）均为透明材质。
2.一种采用权利要求1所述的车厢窗口处气流状态示踪装置的实验方法，其特征在于：
步骤一，设计计算；
第一、确定释放烟气量，烟气量的确定应根据车厢的体积和机械排风和自然排风状态及车厢窗口大小及形式确定；
第二、根据车厢窗口大小及形式确定烟气释放组管布局，烟气释放组管的管路设计需满足释放烟气能够覆盖整个窗口，设计原则为垂直于缓冲管（8）上的数对释放管（9）的间距不大于350mm，数对释放管（9）水平方向应布满整个窗口，释放管（9）上的数个烟气释放孔（9-1）的孔径为40mm，方向竖直向下，数个烟气释放孔（9-1）的数量根据设计流速不大于2.5m/s和烟气量确定，均匀分布；
第三、缓冲管（8）的设计是防止烟气在较长管道中运行，累计沿程阻力过大而使释放管（9）上各个烟气释放孔（9-1）的出流偏差过大，因此设计中应在缓冲管（8）内尽量降低动压提高静压，缓冲管（8）截面尺寸应根据烟气量和设计速度不大于1.5m/s计算；
第四、干管（6）和支管（7）的管径的选取按照烟气量和设计速度不大于2.5m/s，支管（7）上设置流量调节阀（4）；
第五、储烟罐（2）作为压力平衡和烟气储存用容器，顶端开口，体积采取10s的烟气量；
第六、风机（3）采用直流无刷变频风机，风量需满足烟气量的1.5倍，压力满足压力损失计算；
第七、烟气发生器（1）采用数码烟雾机，烟雾密度和空气接近，可长时间悬浮在空气中且没有毒害，综合成本较低，烟气量及产生烟气速度最小应大于2倍的烟气量，并可连续发生烟雾；
步骤二，系统连接调试；该装置配合风速仪（10）、摄像机（11）和与计算机（12）连接的数据采集器（13），可直观的显示流动状态，数个风速仪（10）采用三杯式风速仪，与示踪装置的释放管（9）平行布置，数个风速仪（10）与释放孔（9-1）的位置和数量对应，也可根据实验需求适当增减，风速仪（10）通过补偿导线与数据采集器（13）连接；数据采集器（13）将数据传输到计算机（12），并通过计算机（12）绘制时间和风速曲线，实现时时显示风速的效果；摄像机（11）至少布置两台，拍摄窗口平行面一台，拍摄窗口垂直面一台，摄像机（11）可以直观拍摄出烟气流动状态，经过计算机（12）图像分析可以得到流动迹线，结合风速仪（10）测得的速度数据结果获取整个空间的气流状态；
步骤三，进行试验；实验过程包括烟气生成及导入、烟气流量调节、气流示踪及数据收集，实验开始时，流量调节阀（4）保持全开启状态；需先开启风机（3）使空气在管道内循环，同时预热烟气发生器（1），待烟气发生器（1）预热完成后开启，烟气依次由干管（6）、支管（7）、流量调节阀（4）、缓冲管（8）、释放管（9）和释放孔（9-1）释放到车厢窗口处，调节风机（3）的转速来控制流量，使得释放管路释放孔（9-1）中的烟气喷射距离不大于释放管（9）的间距，之后调节流量调节阀（4）实现精调，使烟气在车厢内迹线清晰可见又不至过快充满整个空间；烟气量通过烟气发生器（1）的控制或启动关断的方法调节，以烟气时刻充满储烟罐（2）作为控制标准；开始实验数据的采集和记录视频；
风速仪（10）采集风速数据并将数据以电压信号的形式传输给数据采集器（13），数据采集器（13）连续记录数据并通过计算机（12）端的软件将电压信号计算还原为风速数据，同时绘制风速和时间曲线，摄像机（11）拍摄烟气示踪装置所释放出的烟气，并将图像储存到计算机，摄像机（11）记录的时间应与计算机（12）时间保持一致；
步骤四，实验结束及整理；
实验结束后，关闭烟气发生器（1），待烟气耗尽后依次关闭风机（3）和流量调节阀（4）；
摄像机（12）的录像存储至计算机，通过视频编辑软件导入时间坐标，可以直观显示车厢窗口处的实时流动状态，判断车厢窗口处的风向；风速仪（10）采集的风速数据通过数据采集器（13）记录并导入计算机（12）后通过数据采集器的软件绘制入口处时间和速度曲线，可以据此计算得到车厢通过窗口处的换气量，从而为后续发生火灾空间的风场模拟及火灾耗氧量计算提供数据。
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