CN107687930A - 一种燃烧风洞实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧风洞实验系统及实验方法，该系统由风洞主体、测试系统及量热系统组成，其中风洞结构主体包括风机、预热段、稳定段、收缩段和实验段、扩散段，可实现风洞均匀风场、剪切风场等实验条件，实验段内设置转角机构和燃料床平台，可开展不同风向条件下的燃烧模拟实验。实验平台可模拟实现0‑10m/s的风速连续调节，并且可以控制流场温度，可在风洞内开展中小尺度的火灾模拟实验，并能结合内置的圆型燃料床平台和量热系统开展复杂流场条件下气体泄漏扩散以及燃烧、火灾蔓延规律等方面的研究。

Description

一种燃烧风洞实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及一种复杂流场以及有风条件下泄漏扩散、火灾蔓延测试、模拟与分析的实验装置与测试方法，特别涉及一种燃烧风洞实验系统及实验方法。

背景技术

近年来，工业泄漏、火灾和区域内群落建筑火灾事故时有发生，这些火灾往往具有燃烧速度快、火灾荷载大、扑救难度高、易形成连锁灾害而造成重大损失的特征，因此一直是火灾科学和消防技术研究的热点。目前，人们通过数值模拟以及不同尺度的火灾实验，对工业泄漏、火灾和区域内群落建筑火灾事故的火灾危险性、防火设计方法以及灭火救援技术开展了大量研究，为此类建筑防火设计和灭火救援提供了强有力的理论支持。而针对有风条件下的气体泄漏扩散浓度迁移规律以及火灾蔓延规律，目前国内外的研究则开展的相对较少，尤其缺乏突发火风压作用下的区域群落建筑火灾蔓延以及防控灭火技术、应急处置方面的研究。

现实环境并不是稳定环境，而是具有变化风场条件下的复杂环境。可燃物质泄漏扩散燃烧、火焰蔓延可能因为风场而具有不同于稳定环境下的特殊规律。在风场条件下，危险源泄漏扩散区域、安全距离、火灾蔓延范围、烟气浓度迁移都会受到明显的影响，单一的应急救援和处置方案无法满足复杂多变的风场环境。因此，设立可以实现不同风场条件下的火灾模拟燃烧风洞实验系统，进一步开展突发火风压条件地下火灾向爆燃转捩的基础研究，以及复杂风场条件下火灾扑救技术的研究。燃烧风洞实验系统的开发对基础科学和消防实战都具有重大的意义。

发明内容

鉴于突发火风压作用下的区域群落建筑火灾蔓延以及防控灭火技术、应急置方面的需要，本发明提供一种燃烧风洞实验系统及实验方法，可以实现不同风场条件下的火灾模拟、火灾烟气流动模拟、风场条件下区域群落建筑火灾蔓延模拟等，具体技术方案是，所述风机段、预热段、稳定段为同一尺寸筒体，风机段由四台风机均匀布置组成多轴流风机并联组合供风系统，预热段内布置翅片散热管，通过冷热媒对空气进行加热，冷热媒接入外置加热系统进行加热, 且可控制温度，稳定段内部距离段尾2m 处设置阻尼格栅，实验段为小于稳定段尺寸的筒体，一侧壁设置数个玻璃视窗、门，旋转实验台的圆型实验平台置于风洞主体实验段内中间底面上，顶面与地面齐平，旋转实验台的其余部分置于风洞主体实验段外，上部设置数据采集传感器接口，收缩段位于稳定段与实验段连接处、速度在0-10m/s范围内连续可调，扩展段位于实验段末端，为方形喇叭口，量热系统的集烟罩口对准扩展段喇叭口，安装于扩展段外侧，风洞主体采用固定于地面上的支架支撑固定。

所述的旋转实验台，包括圆型燃料床平台、坡度手动调节旋钮、坡度水平限位、电子天平、圆周旋转电机、螺杆、升降电机、筒型实验柜、实验柜盖、导柱、A固定板、B固定板、支撑柱和螺母，升降电机固定于筒型实验柜内底面上，升降电机与螺杆一端连接，螺杆另一端拧入固定于B固定板下端面的螺帽内，连接螺杆上的螺母固定于A固定板上， A固定板上的螺母两旁对称固定轴套，两根导柱穿过轴套固定在B固定板下端面与筒型实验柜内底面上，在B固定板还固定有两个轴套，两根支撑柱穿过轴套固定在B固定板上端面与实验柜盖下端面，实验柜盖内端面固定圆周旋转电机，圆周旋转电机与圆型燃料床平台中心轴连接，在实验柜盖上端面固定电子天平，坡度水平限位、坡度手动调节旋钮、圆型燃料床平台各固定于电子天平平台上，开启圆周旋转电机和升降电机、调整坡度手动调节旋钮，坡度水平限位，可实现圆型实验平台360°旋转，0-15°仰角和高度的变化。

实验方法步骤如下,步骤一、根据实验要求开启外加热系统，使冷热媒在预热段内翅片散热管循环，对预热段空气预热；步骤二、根据实验要求开启对应风机，风通过预热段加热，通过稳定段中的阻尼格栅稳流，使流场稳定均匀，稳定均匀的流场通过收缩段加速在实验段中形成指定要求的流场；步骤三、测量实验段中的流场实际值，调整风机转速和预热段中热媒温度，使实验段的流场速度和温度达到实验要求；步骤四、关闭风机；步骤五、在实验段的旋转实验台上设置场景缩尺实验模型，并根据实验目的开启圆周旋转电机、升降电机，调整坡度水平限位、坡度手动调节旋钮，升降、旋转、倾斜圆型燃料床平台，使圆型燃料床平台上的实验模型设置条件满足实验要求；步骤六、火灾实验，点燃实验模型中火种，同时开启量热系统，实验图像通过视窗使用摄像机进行录制，采集称重变化数值，数据采集传感器接口输出采集数据，尾部烟气通过量热系统中的集烟罩收集，然后经过烟管到测试管段进行数据分析，采用耗氧法测试出热释放速率以及CO/CO2浓度、烟气生成速率等数据，后经排烟管道由排烟风机排出。步骤七、直至火种燃尽，关闭风机和外加热系统，扑灭明火，无烟气后关闭量热系统，整理恢复实验段原状。

本发明的技术效果是，可以实现不同风场条件下的火灾模拟、火灾烟气流动特性、火灾防控技术措施、防排烟技术与措施研究，风场条件下区域群落建筑火灾蔓延特性等方面的研究，可开展突发火灾风压条件下的火灾向爆燃转捩的基础研究，以及复杂风场条件下火灾扑救技术等方面的研究。该发明的应用对火灾基础科学和消防实战都具有重大的意义。

附图说明

图1是本发明的结构外形图；

图2是本发明的风洞主体结构立体图；

图3是本发明的风洞主体结构正视图；

图4是本发明的预热段结构立体图；

图5是本发明的实验段结构正视图；

图6是本发明的旋转实验平台结构正视图；

图7量热系统结构图。

具体实施方式

实施例一

油盘火在风场中的燃烧情况，要求风场环境3m/s，温度常温，测试火焰倾角、燃烧速率、热释放速率等参数。

如图1~7所示，燃烧风洞实验系统，由风洞主体、测试系统及量热系统8组成，风洞主体为总长38m、由不同边长的正方形筒体连接而成，分为风机段1、预热段2、稳定段3、阻尼格栅4、收缩段5、实验段6和扩展段9，测试系统由可升降旋转实验台7组成，所述风机段1、预热段2、稳定段3为3m*3m方形筒体，风机段1由四台风机1-1均匀布置组成多轴流风机并联组合供风系统，预热段2内布置翅片散热管，通过冷热媒对空气进行加热，冷热媒接入外置加热系统进行加热, 且可控制温度，稳定段3长10m，其内部距离段尾2m 处设置阻尼格栅4，实验段6尺寸为2m*2m*10m，对称壁设置数个玻璃视窗6-2、一侧壁设置门6-4，旋转实验台7的圆型燃料床平台7-2置于风洞主体实验段内中间底面上，顶面与地面齐平，旋转实验台7的其余部分置于风洞主体实验段外，上部设置数据采集传感器接口6-1，收缩段5位于稳定段3与实验段6连接处、长3m，扩展段9位于实验段6末端，尺寸为长5 m、边长2m-3m的方形喇叭口，量热系统（8）采用苏州菲尼克斯质检仪器有限公司PX-07-018型大型量热仪，其集烟罩8-1口对准扩展段9喇叭口，安装于扩展段9外侧，风洞主体采用固定于地面上的支架支撑固定。

测试系统包括圆型燃料床平台7-2、坡度手动调节旋钮7-3、坡度水平限位7-1、电子天平7-5、圆周旋转电机7-4、螺杆7-6、升降电机7-7、筒型实验柜7-8、实验柜盖7-9、导柱10、A固定板7-11、B固定板7-12、支撑柱7-13和螺母7-14，升降电机7-7固定于筒型实验柜7-8内底面上，升降电机7-7与螺杆7-6一端连接，螺杆7-6另一端拧入固定于B固定板7-12下端面的螺帽内，连接螺杆7-6上的螺母7-14固定于A固定板7-11上， A固定板7-11上的螺母7-14两旁对称固定轴套，两根导柱10穿过轴套固定在B固定板7-12下端面与筒型实验柜7-8内底面上，在B固定板7-12还固定有两个轴套，两根支撑柱7-13穿过轴套固定在B固定板7-12上端面与实验柜盖7-9下端面，实验柜盖7-9内端面固定圆周旋转电机7-4，圆周旋转电机7-4与圆型燃料床平台7-2中心轴连接，在实验柜盖7-9上端面固定称重平台7-5，坡度水平限位7-1、坡度手动调节旋钮7-3、圆型燃料床平台7-2各固定于电子天平7-5上，开启圆周旋转电机7-4和升降电机7-7、调整坡度手动调节旋钮7-3，坡度水平限位7-1，可实现圆型实验平台7-2的360°旋转，0-15°仰角和高度的变化。

测试步骤：

步骤一、检查预热系统，实验要求常温，不需要启动预热；

步骤二、开启风机1-1，并调整风机1-1转速使实验段6中产生稳定的3m/s的风速；

步骤三、记录好风机1-1转速等参数，关闭风机；

步骤四、在旋转实验台7的圆型燃料床平台7-2上布置油盘，调整圆型燃料床平台7-2参数，使油盘设置在指定位置；

步骤五、旋转实验台7的电子天平7-5清零，注入油料后开启摄像机、打开数据采集系统、量热系统8，点火后再次开启风机1-1至设定好参数；

步骤六、实验图像通过视窗6-2使用摄像机进行录制，所记录图像通过图片分析软件进行处理并取分析结果，电子天平7-5采集的质量数据记录到计算机，后续通过绘制质量-时间曲线确定燃烧质量损失速率。尾部烟气通过量热系统8中的集烟罩8-1收集，然后经过烟管8-2到测试管段8-3进行数据采集后经排烟管道8-4由排烟风机8-5排出，CO/CO2浓度等数据直接记录在电脑上，其他数据如热释放速率、烟气生成速率等参数由量热系统8中的软件计算分析后存储在计算机中；

步骤七、直至火种燃尽，关闭风机1-1，无烟气后关闭量热系统8，整理恢复实验段6原状。

Claims (3)

1.一种燃烧风洞实验系统，由风洞主体、测试系统及量热系统（8）组成，其特征在于：风洞主体由不同边长的正方形筒体连接而成，分为风机段（1）、预热段（2）、稳定段（3）、阻尼格栅（4）、收缩段（5）、实验段（6）和扩展段（9），测试系统由可升降旋转实验台（7）组成，所述风机段（1）、预热段（2）、稳定段（3）为同一尺寸筒体，风机段（1）由四台风机（1-1）均匀布置组成多轴流风机并联组合供风系统，预热段（2）内布置翅片散热管，通过冷热媒对空气进行加热，冷热媒接入外置加热系统进行加热, 且可控制温度，稳定段（3）内部距离段尾2m 处设置阻尼格栅（4），实验段（6）为小于稳定段（3）尺寸的筒体，一侧壁设置数个玻璃视窗（6-2）、门（6-4），旋转实验台（7）的圆型实验平台（7-2）置于风洞主体实验段内中间底面上，顶面与地面齐平，旋转实验台（7）的其余部分置于风洞主体实验段外，上部设置数据采集传感器接口（6-1），收缩段（5）位于稳定段（3）与实验段（6）连接处、速度在0-10m/s范围内连续可调，扩展段（9）位于实验段（6）末端，为方形喇叭口，量热系统（8）的集烟罩（8-1）口对准扩展段（9）喇叭口，安装于扩展段（9）外侧，风洞主体采用固定于地面上的支架支撑固定。

2.如权利要求1所述的一种燃烧风洞实验系统，其特征在于：所述的旋转实验台（7）包括圆型燃料床平台（7-2）、坡度手动调节旋钮（7-3）、坡度水平限位（7-1）、电子天平（7-5）、圆周旋转电机（7-4）、螺杆（7-6）、升降电机（7-7）、筒型实验柜（7-8）、实验柜盖（7-9）、导柱（10）、A固定板（7-11）、B固定板（7-12）、支撑柱（7-13）和螺母（7-14），升降电机（7-7）固定于筒型实验柜（7-8）内底面上，升降电机（7-7）与螺杆（7-6）一端连接，螺杆（7-6）另一端拧入固定于B固定板（7-12）下端面的螺帽内，连接螺杆（7-6）上的螺母（7-14）固定于A固定板（7-11）上， A固定板（7-11）上的螺母（7-14）两旁对称固定轴套，两根导柱（10）穿过轴套固定在B固定板（7-12）下端面与筒型实验柜（7-8）内底面上，在B固定板（7-12）还固定有两个轴套，两根支撑柱（7-13）穿过轴套固定在B固定板（7-12）上端面与实验柜盖（7-9）下端面，实验柜盖（7-9）内端面固定圆周旋转电机（7-4），圆周旋转电机（7-4）与圆型燃料床平台（7-2）中心轴连接，在实验柜盖（7-9）上端面固定电子天平（7-5），坡度水平限位（7-1）、坡度手动调节旋钮（7-3）、圆型燃料床平台（7-2）各固定于电子天平（7-5）平台上，开启圆周旋转电机（7-4）和升降电机（7-7）、调整坡度手动调节旋钮（7-3），坡度水平限位（7-1），可实现圆型实验平台（7-2）360°旋转，0-15°仰角和高度的变化。

3.采用权利要求1、2所述的一种燃烧风洞实验系统的实验方法，其特征在于：实验方法步骤如下,

步骤一、根据实验要求开启外加热系统，使冷热媒在预热段内翅片散热管循环，对预热段（2）空气预热；

步骤二、根据实验要求开启对应风机（1-1），风通过预热段（2）加热，通过稳定段（3）中的阻尼格栅（4）稳流，使流场稳定均匀，稳定均匀的流场通过收缩段（5）加速在实验段（6）中形成指定要求的流场；

步骤三、测量实验段（6）中的流场实际值，调整风机（1-1）转速和预热段（2）中热媒温度，使实验段（6）的流场速度和温度达到实验要求；

步骤四、关闭风机（1-1）；

步骤五、在实验段（6）的旋转实验台（7）上设置场景缩尺实验模型，并根据实验目的开启圆周旋转电机（7-4）、升降电机（7-7），调整坡度水平限位（7-1）、坡度手动调节旋钮（7-3），升降、旋转、倾斜圆型燃料床平台（7-2），使圆型燃料床平台（7-2）上的实验模型设置条件满足实验要求；

步骤六、火灾实验，点燃实验模型中火源，同时开启量热系统（8），实验图像通过视窗（6-2）使用摄像机进行录制，采集称重变化数值，数据采集传感器接口（6-1）输出采集数据，尾部烟气通过量热系统（8）中的集烟罩（8-1）收集，然后经过烟管（8-2）到测试管段（8-3）进行数据分析，采用耗氧法测试出热释放速率以及CO/CO2浓度、烟气生成速率等数据，后经排烟管道（8-4）由排烟风机（8-5）排出；

步骤七、直至燃料燃尽，关闭风机（1-1）和外加热系统，扑灭明火，无烟气后关闭量热系统（8），整理恢复实验段（6）原状。