CN108320649B - 具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，设置腔室是由腔室支撑架支撑的可拆卸结构，分设为下层腔室和上层腔室，下层腔室为封闭腔，上层腔室为顶部开口腔，上层腔室设置为透明的玻璃侧壁，在腔室在一侧设置为可开启的腔室门；在上层腔室底部中央设置燃料盘；在腔室上方设置排烟系统；在腔室外部设置摄像机以记录烟气流动过程。本发明直接采用池火作为火源，能够模拟真实火灾环境下顶部开口处气体产生的压力；借助于烟气流场显示单元可以完整地模拟顶部开口处的烟气流动状态及流动形式，并能通过玻璃侧壁清晰地监测到整个实验过程和现象；燃料盘与天平分别置于实验装置的上层腔室和下层腔室，测量数据准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及火灾安全技术领域，更具体地说是涉及一种具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，用于对顶部开口的受限空间内烟气流动的研究。
背景技术
近年来随着经济全球化的迅猛发展，低成本的海上贸易表现突出，直接推动着航运业的发展。机舱作为船舶运行的动力源，由于其处在机械设备的集中地，且具有可燃物多，燃油储备量大，传热性强等特点，因此其存在着较高的火灾风险性。
通常根据火灾发生的场所不同，火灾可以分为开放空间火灾和受限空间火灾。顶部水平开口的舱室作为一种典型的受限空间，常用于模拟船舶机舱或是上下相连的舱室。这类舱室不具备门窗等竖直开口，仅能通过顶部开口与外界环境联通。发生火灾时，舱室顶部开口的通风和排烟效果有限，热烟气无法通过水平开口顺利及时排出，甚至在火源的卷吸作用下向下流动，形成回流。结果导致舱室内的热量不易散发，温度急剧上升，加剧火焰燃烧和传播。舱室内的高温及毒性给人员逃生和扑救带来了巨大难度，火灾过程消耗的大量氧气，无法从外界获得补充，易使人员缺氧而窒息。
由于顶部开口的受限空间的建筑结构及功能的特殊性，使得以往建筑中的理论模型无法直接应用于顶部开口的受限空间。因此对顶部开口的受限空间内烟气流动方面的研究，是火灾科学和船舶消防工程中亟待了解的现象和规律。对于顶部开口的受限空间火灾的研究，国内外一些研究人员开展了不同形式的实验研究。Tan和Jaluria利用盐水模拟实验台研究开口流动的方向性问题，并给出了双向流与单向流之间的临界压力差，且压力差随着密度差的增大而增大。但是，盐水实验中在开口处附加的压力差无法与真实池火燃烧情况产生的火焰膨胀产生的压力相比，因此，对于真实池火环境下顶部开口处的气体流动方式目前还不清楚。美国马里兰大学的Wakatsuki建立了边长为40cm的立方体舱室来研究顶部中间开口的池火燃烧过程中的临界氧气浓度。但由于该实验舱结构设计以及摄像机等条件的限制，无法对舱室开口处的烟气流动过程及流动形式进行观测。中国科学技术大学的黎昌海建立了1m×1m×0.75m的实验舱进行顶部拐角开口对池火燃烧影响的研究，该实验过程中将天平测量系统直接置于舱内，未考虑燃烧过程中舱内压力的变化对于天平测量的影响，且此舱仅一面设置有观察窗，视角造成的差异会导致实验中对燃烧过程的观测存在死角，不能真实客观地记录整个燃烧过程。
迄今为止，未有对顶部开口的受限空间内烟气流动过程进行全面研究的实验装置。
发明内容
为了充分研究真实火灾条件下顶部开口处的烟气流动状态、流动形式、流动过程以及流动过程对于腔室火行为的影响，本发明提供一种小尺寸的具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，包括腔室、燃料供给系统、排烟系统，以及数据采集处理系统；
所述腔室是由腔室支撑架支撑的可拆卸结构，分设为下层腔室和上层腔室，所述下层腔室为封闭腔，所述上层腔室为顶部开口腔，所述上层腔室设置为透明的玻璃侧壁，在所述腔室在一侧设置为可开启的腔室门；
所述燃料供给系统，包括位于腔室外部的燃料供应装置和位于上层腔室底部中央的燃料盘；所述燃料供应装置是在用于储放液态燃料的燃料容器与燃料盘之间设置油路相连通，在所述油路上设置有电磁阀，在燃料容器的油路出口处设置出油调节阀，在所述燃料盘的油路入口处设置进油调节阀；
所述排烟系统是在腔室上方正对上层腔室的顶部开口设置集烟罩，排烟风机与集烟罩通过排烟管道相连通，在所述排烟管道上设置调速阀门；
所述数据采集处理系统包括质量测量单元、温度测量单元、气体组分测量单元、风速测量单元、压力测量单元及烟气流场显示单元，其中：
所述质量测量单元是在下层腔室中设置称重天平，所述燃料盘是由贯穿上层腔室顶板的燃料盘支架支撑在所述称重天平上实现质量测量；
所述温度测量单元是在上层腔室中设置多束热电偶树，所述多束热电偶树的温度探测信号分别接入温度数据采集仪；
所述气体组分测量单元是在所述上层腔室中设置一气体组分测点，来自所述气体组分测点的被测气体接入气体分析仪进行气体组分测量；
所述风速测量单元是在所述上层腔室的顶部开口位置处设置烟气速度测点，来自所述烟气速度测点的检测信号接入风速仪；
所述压力测量系统是在上层腔室的顶板和底板上设置腔室内压力测点，来自所述腔室内压力测点上的压力检测信号接入压力数据采集仪；
所述烟气流场显示单元包括布置于上层腔室顶部开口位置的激光片光源，以及设置在腔室外部用于记录烟气流动过程的摄像机。
其中，所述多束热电偶树共有四束，分别为第一热电偶树，第二热电偶树，第三热电偶树和第四热电偶树；所述第一热电偶树用于测量火源位置附近的温度变化，第二热电偶树用于测量舱室空间内的温度变化，第三热电偶树用于测量舱壁附近的温度变化，第四热电偶树用于测量顶部开口处流动烟气温度变化；所述四束热电偶树的温度探测信号分别接入温度数据采集仪。
其中，所述下层腔室是以不锈钢为材质，所述上层腔室中的玻璃侧壁是以钢化玻璃为材质，所述腔室支撑架是以不锈钢方钢焊接而成。
其中，所述上层腔室的玻璃侧壁与下层腔室之间的连接处由密封条和密封胶进行密封。
其中，在所述燃料盘支架与上层腔室顶板之间设置有水封结构。
其中，所述液态燃料为乙醇、正庚烷、柴油、航空煤油或润滑油。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明直接采用池火作为火源，能够模拟真实火灾环境下顶部开口处气体产生的压力；本发明借助于烟气流场显示单元可以完整地模拟顶部开口处的烟气流动状态及流动形式，并能通过玻璃侧壁清晰地监测到整个实验过程和现象；将燃料盘与天平分别置于实验装置的上层腔室和下层腔室，测量数据准确可靠。
2、本发明在排烟管道上设置调速阀门，从而可以研究在不同排烟速度的情况下顶部开口烟气流动情况；
3、本发明腔室设置为可拆式结构，通过设置不同的侧壁材料可用于研究在不同壁面材料的条件下，壁面材料的物性参数对腔室内传热传质的影响。
4、本发明实验过程可控，重复性高，利用研究。
附图说明
图1为本发明所述实验模拟装置的结构示意图；
图2为本发明中腔体结构外部示意图；
图3为本发明中上层腔室顶板开口位置一示意图；
图4为本发明中上层腔室顶板开口位置二示意图；
图5为本发明中上层腔室顶板开口位置三示意图；
图6为本发明中腔体内热电偶布置结构示意图；
图7为本发明中燃料供应装置示意图；
图8为本发明中燃料盘支架结构示意图；
图中标号：1为下层腔室；2为玻璃侧壁；3为轮滑；4为燃料盘支架；5为燃料盘；6为称重天平；7为燃料供应装置；8为气体组分探测点；9为温度数据采集仪；10为气体分析仪；11为计算机；12a为第一摄像机；12b为第二摄像机；13为烟气速度测点；14为压力测点；15a为第一热电偶树；15b为第二热电偶树；15c为第三热电偶树；15d为第四热电偶树；16为风速仪；17为压力数据采集仪；18为排烟风机；19为调节阀门；20为排烟管道；21为集烟罩；22为激光片光源；23为腔室支撑架；24为腔室门；25为温度数据采集孔；26为数据线孔；27为罗盘式门把手；28为顶部开口；29为密封孔；30a为出油调节阀；30b为进油调节阀；31为电磁阀；32为燃料容器；33为水封盘。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
参见图1，本实施例中具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置包括腔室、燃料供给系统、排烟系统，以及数据采集处理系统；
如图1和图2所示，腔室是由腔室支撑架23支撑的可拆卸结构，分设为下层腔室1和上层腔室，下层腔室1为封闭腔，上层腔室为顶部开口腔，上层腔室设置为透明的玻璃侧壁2，在腔室在一侧设置为可开启的腔室门24，
图2所示，在腔室支撑架23的底部设置轮滑3，以便于整个装置的移动，在下层腔室1的侧部分别设置温度数据采集孔25和数据线孔26，在腔室门24上设置有罗盘式门把手27，上层腔室顶板设置为顶部开口28；图3、图4和图5示出了顶部开口28分处在上层腔室顶板的不同位置上，包括图3所示的正中位，图4所示的转角位置和图5所示的侧边位置，不同的开口位置是为研究开口与火源相对位置的情况，开口位置的不同对于顶部开口舱室火灾开口处烟气流动现象及过程存在不同的影响，通过密封孔29用密封条及螺栓进行紧固密封。
如图1和图7所示，燃料供给系统，包括位于腔室外部的燃料供应装置7和位于上层腔室底部中央的燃料盘5；燃料供应装置7是在用于储放液态燃料的燃料容器32与燃料盘5之间设置油路相连通，在油路上设置有电磁阀31，在燃料容器32的油路出口处设置出油调节阀30a，在燃料盘5的油路入口处设置进油调节阀3b；当出油调节阀30a和进油调节阀30b开启时，燃烧过程中由燃料容器32通过电磁阀31持续向燃料盘5输送燃料；当出油调节阀30a和进油调节阀30b关闭时，燃烧过程中仅消耗燃料盘5中的燃料。
图1所示，排烟系统是在腔室上方正对上层腔室的顶部开口设置集烟罩21，排烟风机18与集烟罩21通过排烟管道20相连通，在排烟管道20上设置调速阀门19。
质量测量单元是在下层腔室1中设置称重天平6，燃料盘5是由贯穿上层腔室顶板的燃料盘支架4支撑在称重天平6上实现质量测量。
图1和图6所示，温度测量单元是在上层腔室设置四束热电偶树，分别为第一热电偶树15a，第二热电偶树15b，第三热电偶树15c和第四热电偶树15d，其中，第一热电偶树15a用于测量火源位置附近的温度变化，第二热电偶树15b用于测量舱室空间内的温度变化，第三热电偶树15c用于测量舱壁附近的温度变化，第四热电偶树15d用于测量顶部开口处流动烟气温度变化。四束热电偶树的温度探测信号分别接入温度数据采集仪9；其中，第二热电偶树、第二热电偶树和第三热电偶树在竖直方向分别等距布置有十根热电偶，第四热电偶树有三根热电偶均匀布置于顶部开口处。
图1中示出，气体组分测量单元是在上层腔室中设置一气体组分测点8，来自气体组分测点8的被测气体接入气体分析仪10进行气体组分测量；
风速测量单元是在上层腔室的顶部开口位置处设置烟气速度测点13，来自烟气速度测点13的检测信号接入风速仪16；
压力测量系统是在上层腔室的顶板上设置腔室内压力测点14，来自腔室内压力测点14上的压力检测信号接入压力数据采集仪17；
烟气流场显示单元包括布置于上层腔室顶部开口位置的左右位置上的第一组激光片光源22a和第二组激光片光源22b；设置在腔室外部、用于拍摄第一激光片光源22a和第二激光片光源22b所呈现的烟气流动情况的第一摄像机12a，以及用于拍摄舱室内部火焰燃烧脉动情况的第二摄像机12b；计算机11用于相关的数据采集和数据分析。
参见图8，燃料盘支架4设置为“工”字型，在燃料盘支架4与上层腔室顶板之间设置有由杯式水封盘33构成的水封结构，用以隔绝上层腔室向下层腔室的气体泄漏。
具体实施中，下层腔室1的内腔为1.0m×1.0m×0.3m，以5mm的不锈钢板焊接而成；上层腔室的内腔为1.0m×1.0m×1.0m，上层腔室中的玻璃侧壁2是以5mm钢化玻璃为材质；腔室支撑架23是以4cm不锈钢方钢焊接而成，上层腔室的玻璃侧壁与下层腔室之间的连接处由密封条和密封胶进行密封，液态燃料为乙醇、正庚烷、柴油、航空煤油或润滑油。
Claims (6)
1.一种具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，其特征是：包括腔室、燃料供给系统、排烟系统，以及数据采集处理系统；
所述腔室是由腔室支撑架(23)支撑的可拆卸结构，分设为下层腔室(1)和上层腔室，所述下层腔室(1)为封闭腔，所述上层腔室为顶部开口腔，所述上层腔室设置为透明的玻璃侧壁(2)，在所述腔室在一侧设置为可开启的腔室门(24)；
所述燃料供给系统，包括位于腔室外部的燃料供应装置(7)和位于上层腔室底部中央的燃料盘(5)；所述燃料供应装置(7)是在用于储放液态燃料的燃料容器(32)与燃料盘(5)之间设置油路相连通，在所述油路上设置有电磁阀(31)，在燃料容器(32)的油路出口处设置出油调节阀(30a)，在所述燃料盘(5)的油路入口处设置进油调节阀(30b)；
所述排烟系统是在腔室上方正对上层腔室的顶部开口设置集烟罩(21)，排烟风机(18)与集烟罩(21)通过排烟管道(20)相连通，在所述排烟管道(20)上设置调速阀门(19)；
所述数据采集处理系统包括质量测量单元、温度测量单元、气体组分测量单元、风速测量单元、压力测量单元及烟气流场显示单元，其中：
所述质量测量单元是在下层腔室(1)中设置称重天平(6)，所述燃料盘(5)是由贯穿上层腔室顶板的燃料盘支架(4)支撑在所述称重天平(6)上实现质量测量；
所述温度测量单元是在上层腔室中设置多束热电偶树，所述多束热电偶树的温度探测信号分别接入温度数据采集仪(9)；
所述气体组分测量单元是在所述上层腔室中设置一气体组分测点(8)，来自所述气体组分测点(8)的被测气体接入气体分析仪(10)进行气体组分测量；
所述风速测量单元是在所述上层腔室的顶部开口位置处设置烟气速度测点(13)，来自所述烟气速度测点(13)的检测信号接入风速仪(16)；
所述压力测量系统是在上层腔室的顶板和底板上设置腔室内压力测点(14)，来自所述腔室内压力测点(14)上的压力检测信号接入压力数据采集仪(17)；
所述烟气流场显示单元包括布置于上层腔室顶部开口位置的激光片光源，以及设置在腔室外部用于记录烟气流动过程的摄像机。
2.根据权利要求1所述的具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，其特征是：所述多束热电偶树共有四束，分别为第一热电偶树(15a)，第二热电偶树(15b)，第三热电偶树(15c)和第四热电偶树(15d)；所述第一热电偶树(15a)用于测量火源位置附近的温度变化，第二热电偶树(15b)用于测量舱室空间内的温度变化，第三热电偶树(15c)用于测量舱壁附近的温度变化，第四热电偶树(15d)用于测量顶部开口处流动烟气温度变化；所述四束热电偶树的温度探测信号分别接入温度数据采集仪(9)。
3.根据权利要求1所述的具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，其特征是：所述下层腔室(1)是以不锈钢为材质，所述上层腔室中的玻璃侧壁(2)是以钢化玻璃为材质，所述腔室支撑架(23)是以不锈钢方钢焊接而成。
4.根据权利要求1所述的具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，其特征是：所述上层腔室的玻璃侧壁与下层腔室之间的连接处由密封条和密封胶进行密封。
5.根据权利要求1所述的具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，其特征是：在所述燃料盘支架(4)与上层腔室顶板之间设置有水封结构。
6.根据权利要求1所述的具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，其特征是：所述液态燃料为乙醇、正庚烷、柴油、航空煤油或润滑油。
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| CN103761919A (zh) * | 2014-01-29 | 2014-04-30 | 中国科学技术大学 | 一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置 |
| CN106875822A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-06-20 | 合肥工业大学 | 一种建筑外立面火灾模拟装置 |
| CN208706130U (zh) * | 2018-04-04 | 2019-04-05 | 中国科学技术大学 | 具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置 |
-
2018
- 2018-04-04 CN CN201810300321.1A patent/CN108320649B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004004633A (ja) * | 2002-03-25 | 2004-01-08 | Fujita Corp | 火災体験装置および方法 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 密闭腔室火灾温度的大涡模拟;金达华;;消防科学与技术(第05期);全文 * |
| 顶部开口舱室火灾特性的数值模拟研究;陈利源;刘燕红;刘伯运;易祥烈;;四川兵工学报(第04期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108320649A (zh) | 2018-07-24 |
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