CN108877455A - 一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置，模块化实验主体与实际高层建筑按照缩比例建造，其由多个外形大小相同的、矩形体结构的电梯井单元、房间单元、支撑单元纵横叠加组合而成；房间单元左右侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积，上下侧面密封，前后侧面为观察窗；电梯井单元一侧面具有可开启的操作门，与其相对的另一侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积，上下侧面贯通或可采用盖板模块密封；温度测量装置置于各个房间单元内部；压力测量装置置于电梯井单元内；风速测量系统置于各个房间单元水平之间开口处。本发明能够通过模块化组合开展多种楼层、多种结构的高层建筑火焰动力学、烟气蔓延机制以及烟气控制效果模拟试验。

Description

一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟高层建筑火灾试验的装置，具体来说，是一种模块化高层建筑火灾实验模拟装置，用于对自然通风与正压通风情况下高层建筑火灾的火焰动力学、烟气蔓延机制以及烟气控制效果进行模拟实验。

发明内容

社会经济不断发展，随着城市化建设不断推进，高层建筑成为城市建筑的主体，高层建筑火灾安全问题也得到人们的普遍重视。高层建筑中有许多竖井、电梯井、楼梯井等结构，一旦发生火灾，烟气会受到烟囱效应的作用，沿着这些竖向通道迅速蔓延至建筑各区域，对于火灾救援与人员疏散造成重大威胁。研究表明，火灾烟气的高温性、毒害性与遮光性极易对受困人员造成危害，故研究高层建筑火灾烟气蔓延机制与烟气控制对高层建筑火灾救援与疏散具有重大意义。

自然排烟与机械排烟是烟气控制的两种主要方式，而移动式正压排烟设备作为机械排烟的重要手段之一，其便携性好、灵活性高，能够有效控制烟气通过竖向进入其他楼层，并且能够控制消防电梯井，楼梯井等疏散通道内的烟气，延长可用的火灾救援与人员疏散时间。

全尺寸实验需要耗费大量的财力，还需要各方面人力配合，且进行一次实验时间较长。与全尺寸实验相比，缩尺寸实验不仅成本较低，且重复性与操作性都更优，但如何选用缩尺寸实验装置是本领域急需解决的技术问题。

背景技术

本发明的目的是提供一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置，可以在实验室模拟多种结构的高层建筑火灾蔓延情况，采用移动式正压通风装置对高层建筑进行通风排烟，研究其烟气蔓延机制及烟气控制效果，探究适用于高层建筑火灾烟气控制的策略。

本发明采取以下技术方案：

一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置，包括模块化实验主体、火焰燃烧单元6、测量系统、烟气收集处理装置、正压排烟设备；所述模块化实验主体与实际高层建筑按照缩比例建造，其由多个外形大小相同的、矩形体结构的电梯井单元4、房间单元3、支撑单元5纵横叠加组合而成；所述房间单元3左右侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积，上下侧面密封，前后侧面为观察窗；所述支撑单元5为立方体框架结构；所述电梯井单元4一侧面具有可开启的操作门，与其相对的另一侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积；所述电梯井单元4上下叠加设置为一列，其内部竖直向贯通，上下侧面可采用盖板模块密封，整体位于模块化实验主体的边侧，操作门所在侧面朝外；正压排烟设备能够设置于：模块化实验主体边侧部位的房间单元3贯通侧面的任意位置；所述火焰燃烧单元6可设置于任意一房间单元3内部；所述测量系统包括温度测量装置、压力测量装置、风速测量装置；所述温度测量装置包括置于各个房间单元内部的热电偶阵列以及与其连接的数据传输与采集装置；所述压力测量装置包括置于电梯井单元4内的压力探头以及与其连接的数据传输与采集装置；所述风速测量系统包括置于各个房间单元3水平之间开口处的风速探头以及与其连接的数据传输与采集装置；所述测量系统的控制中心与所述温度测量装置、压力测量装置、风速测量装置分别信号连接。

进一步的，压力传感器探头置于电梯井单元4内部中间位置；风速测量探头置于各个房间单元3横向贯通面处。

进一步的，所述模块化实验主体与实际高层建筑按照1:4比例缩比建造。

进一步的，所述模块化实验主体的各个单元为钢材质，单元之间采用法兰连接；各个单元水平方向之间通过开口进行连接，开口处设置盖板安装法兰，通过更换不同开度的盖板调节开口尺寸。

进一步的，所述操作门用于设备调试和实验台内壁清洁；所述观察窗为可拆卸构造。

进一步的，所述火焰燃烧单元6为气体火源燃烧器，可置于任意房间单元内，气体火源燃烧器侧边设置供气管，供气管出口位于燃烧器中心底部，燃烧器内部通过两种尺寸的陶瓷球对气流进行调整，保证出气口气流的相对均匀，粗陶瓷球位于燃烧器下层，细陶瓷球位于燃烧器上层，上下层间通过金属格栅进行分隔。

进一步的，所述烟气收集处理装置包括实验台主体上部的集烟罩1和相应的烟气净化和排放装置，通过水洗、吸附、过滤等方式对烟气进行后处理。

进一步的，电梯竖井壁设有可以安装和固定热电偶、压力传感器、风速探头的固定装置。

进一步的，火焰燃烧单元6用可变热释放速率气体火源燃烧器模拟。

本发明的有益效果在于：

1)在安全性与环保性方面，利用气体燃料燃烧产生火源，利用火灾烟气处理装置进行废气处理，不会造成环境污染；

2)在模拟烟气运动方面，该实验台利用弗劳德相似原理，可模拟自然通风与正压通风情况下高层建筑火灾烟气运动情况；

3)在模拟火源方面，研制可变热释放速率的气体火源燃烧器，燃烧器可置于任意单元体内。

4)在测量系统方面，采用完备的温度测量系统、风速测量系统、压力测量系统等对高层建筑火灾烟气蔓延机制、火焰动力学与烟气控制效果进行分析；

5)实验台为各电梯井单元体、电梯前室单元体和房间单元体组装而成，该实验台可拆卸组装，运输方便，实验台层高可根据实验要求进行搭配，从而模拟多种楼层、多种结构的高层建筑火灾场景；

6)实验台各单元体水平之间可以通过可变开口进行连接，通过更换不同尺寸的门板以改变门开度；

7)实验台各单元体设置有方便拆卸的观察窗，可配合流场显示系统观察记录内部烟气与火焰运动情况；

8)电梯竖井单元侧面设置操作门，可用于安装和调试测试设备、清洁单元内部壁面；

9)该实验台较于全尺寸实验台成本低，实验操作性与重复性好，较之数值模拟软件精确性更好。对于研究高层建筑火灾自然排烟与正压排烟情况下烟气蔓延机制与烟气控制策略具有指导意义和应用价值。

10)模块化的结构设计，结构简单，安装方便，可以自由组装搭配；

11)支撑单元可以简化结构设计；

12)房间单元左右侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积，设计巧妙。

附图说明

图1是本发明模块化高层建筑火灾试验模拟装置的正面示意图。

图2是模块化实验主体各单元的示意图。

图3是房间单元的示意图。

图4是支撑单元的示意图。

图5是电梯井单元的示意图。

图6是封板的示意图。

图7是燃烧器的俯视图。

图8是图7中A-A向剖视图。

图9是测量点位置与功能示意图。

图中，1.集烟罩，2.电梯前室单元，3.房间单元，4.电梯井单元，5.支撑单元，6.燃烧器单元，7.盖板模块，3a.可变开口，3b.观察窗，5a.支架，4a.电梯井可变开口，4b.观察窗，4c.测量孔，4d.操作门，6a.供气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-图9，一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置，包括模块化实验主体、火焰燃烧单元6、测量系统、烟气收集处理装置、正压排烟设备；所述模块化实验主体与实际高层建筑按照缩比例建造，其由多个外形大小相同的、矩形体结构的电梯井单元4、房间单元3、支撑单元5纵横叠加组合而成；所述房间单元3左右侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积，上下侧面密封，前后侧面为观察窗；所述支撑单元5为立方体框架结构；所述电梯井单元4一侧面具有可开启的操作门，与其相对的另一侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积；所述电梯井单元4上下叠加设置为一列，其内部竖直向贯通，上下侧面可采用盖板模块密封，整体位于模块化实验主体的边侧，操作门所在侧面朝外；正压排烟设备能够设置于：模块化实验主体边侧部位的房间单元3的贯通侧面的任意位置；所述火焰燃烧单元6可设置于任意一房间单元3内部；所述测量系统包括温度测量装置、压力测量装置、风速测量装置；所述温度测量装置包括置于各个房间单元内部的热电偶阵列以及与其连接的数据传输与采集装置；所述压力测量装置包括置于电梯井单元4内的压力探头以及与其连接的数据传输与采集装置；所述风速测量系统包括置于各个房间单元3水平之间开口处的风速探头以及与其连接的数据传输与采集装置；所述测量系统的控制中心与所述温度测量装置、压力测量装置、风速测量装置分别信号连接。

在此实施例中，参见图9，压力传感器探头置于电梯井单元4内部中间位置；风速测量探头置于各个房间单元3横向贯通面处。

在此实施例中，所述模块化实验主体与实际高层建筑按照1:4比例缩比建造。

在此实施例中，所述模块化实验主体的各个单元为钢材质，单元之间采用法兰连接；各个单元水平方向之间通过开口进行连接，开口处设置盖板安装法兰，通过更换不同开度的盖板调节开口尺寸。

在此实施例中，所述操作门用于设备调试和实验台内壁清洁；所述观察视窗为可拆卸构造。

在此实施例中，参见图1、7、8，所述火焰燃烧单元6为气体火源燃烧器，置于任意房间单元内，气体火源燃烧器侧边设置供气管，供气管出口位于燃烧器中心底部，燃烧器内部通过两种尺寸的陶瓷球对气流进行调整，保证出气口气流的相对均匀，粗陶瓷球位于燃烧器下层，细陶瓷球位于燃烧器上层，上下层间通过金属格栅进行分隔。

在此实施例中，参见图1，所述烟气收集处理装置包括实验台主体上部的集烟罩1和相应的烟气净化和排放装置，通过水洗、吸附、过滤等方式对烟气进行后处理。

在此实施例中，电梯竖井壁设有可以安装和固定热电偶、压力传感器、风速探头的固定装置。

本实施例的详细参数说明请继续参见图1-9，模块化高层建筑火灾实验模拟装置主体，包括电梯竖井、电梯前室模拟房间等单元以及支撑模块，各个单元连接法兰均设置于外侧，保证了单元内部联通区域光滑无阻隔，支撑模块也可替代任一单元，单元体上部有封板覆盖，保证其密封性，各单元体可根据实验要求自行组合。以某7层模拟装置为例，参见图1，其总高4.2m,电梯竖井、防烟前室、普通房间和支撑等各单元的长宽高都为0.5m×0.5m×0.6m，在一、四、七层设置电梯竖井、防烟前室、普通房间三种单元，模拟三种高度开口对竖井烟气蔓延的影响规律，其它楼层除设置电梯竖井单元外，利用支撑单元进行结构支撑。各个单元水平方向之间通过可变开口进行连接，通过更换不同的门板，可以调整门的开度。各房间单元都设置有观察窗可观察烟气与火焰运动。电梯竖井、电梯前室房间单元还设置有操作门，可用于调整测量仪器和清洁内壁，其内壁设置有测量孔，用于安装测量仪器。集烟罩置于实验台上部，用于收集实验过程中产生的烟气。

参见图7-8，该装置为气体火源燃烧器，用于模拟火源，燃烧器直径为0.10米，高度为0.10米，上层采用3mm陶瓷球进行填充，填充厚度为40mm，下层采用10mm陶瓷球进行填充，填充厚度为60mm；燃烧器与丙烷供气管道相连，通过减压阀、质量流量计、稳压罐、阀门调节丙烷供气流量，从而改变火源功率。

参见图9，电梯竖井内部设置有K型铠装热电偶和压力探头，电梯前室和普通房间设置有K型铠装热电偶，用于测量各个功能单元内的温度及压力分布。

参见图9，电梯井与电梯前室连接水平开口处设置有风速测点，用于测量开口处烟气运动速度。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：

包括模块化实验主体、火焰燃烧单元(6)、测量系统、烟气收集处理装置、正压排烟设备；

所述模块化实验主体与实际高层建筑按照缩比例建造，其由多个外形大小相同、矩形体结构的电梯井单元(4)、房间单元(3)、支撑单元(5)纵横叠加组合而成；

所述房间单元(3)左右侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积，上下侧面密封，前后侧面为观察窗；

所述支撑单元(5)为立方体框架结构；

所述电梯井单元(4)一侧面具有可开启的操作门，与其相对的另一侧面贯通，并可用调节板调节贯通面的面积；所述电梯井单元(4)上下叠加设置为一列，其内部竖直向贯通，上下侧面可采用盖板模块密封，整体位于模块化实验主体的边侧，操作门所在侧面朝外；

正压排烟设备能够设置于：模块化实验主体边侧部位的房间单元(3)的贯通侧面的任意位置；

所述火焰燃烧单元(6)可设置于任意一房间单元(3)内部；

所述测量系统包括温度测量装置、压力测量装置、风速测量装置；所述温度测量装置包括置于各个房间单元内部的热电偶阵列以及与其连接的数据传输与采集装置；所述压力测量装置包括置于电梯井单元(4)内的压力探头以及与其连接的数据传输与采集装置；所述风速测量系统包括置于各个房间单元(3)水平之间开口处的风速探头以及与其连接的数据传输与采集装置；所述测量系统的控制中心与所述温度测量装置、压力测量装置、风速测量装置分别信号连接。

2.如权利要求1所述的模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：压力传感器探头置于电梯井单元(4)内部中间位置；风速测量探头置于各个房间单元(3)横向贯通面处。

3.如权利要求1所述的模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：所述模块化实验主体与实际高层建筑按照1:4比例缩比建造。

4.如权利要求1所述的模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：所述模块化实验主体的各个单元为钢材质，单元之间采用法兰连接；各个单元水平方向之间通过开口进行连接，开口处设置盖板安装法兰，通过更换不同开度的盖板调节开口尺寸。

5.如权利要求1所述的模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：所述操作门用于设备调试和实验台内壁清洁；所述观察窗为可拆卸构造。

6.如权利要求1所述的模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：所述火焰燃烧单元(6)为气体火源燃烧器，可置于任意房间单元内，气体火源燃烧器侧边设置供气管，供气管出口位于燃烧器中心底部，燃烧器内部通过两种尺寸的陶瓷球对气流进行调整，保证出气口气流的相对均匀，粗陶瓷球位于燃烧器下层，细陶瓷球位于燃烧器上层，上下层间通过金属格栅进行分隔。

7.如权利要求1所述的模块化高层建筑火灾试验模拟装置，其特征在于：所述烟气收集处理装置包括实验台主体上部的集烟罩(1)和相应的烟气净化和排放装置，通过水洗、吸附、过滤等方式对烟气进行后处理。

8.根据权利要求1所述的一种模块化高层建筑火灾实验模拟装置，其特征在于：电梯竖井壁设有可以安装和固定热电偶、压力传感器、风速探头的固定装置。

9.根据权利要求1所述的一种模块化高层建筑火灾实验模拟装置，其特征在于：火焰燃烧单元(6)用可变热释放速率气体火源燃烧器模拟。