CN109459257B - 一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，应用在风洞试验装置领域，包括内置建筑模型的风洞；风洞一端为进风口，一端为出风口；进风口外侧设有风机，进风口沿径向布设有整流栅；风洞内侧下方设有基座；基座靠近进风口一侧为点火试验段；点火试验段包括呈矩阵状设置的若干点火单元；点火单元包括电子点火器、电动缸、燃料罐、点火嘴和耐火波纹层；建筑模型设置于点火试验段与出风口之间；其面朝进风口的一侧外表面设有第一温度传感器。本试验系统可实现模拟不同着火点位置、火势大小，以及不同风速、风向、地貌等因素相耦合的情况下，对建筑机构受火温度的影响。

Description

一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统

技术领域

本发明属于风洞试验装置领域，具体涉及一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统。

背景技术

山林或森林大火的火势蔓延迅速，难以扑灭的很大一部分原因在于，山林或森林地区风向较大且紊乱，导致火势不定向扩散，各种林木越烧越旺、火情越久越烈。

随着国家经济的发展，不少房地产建筑，如农村瓦房、度假酒店、私人别墅，都修筑在了山林周边，更或是山林之内。而国家目前对防火规范也日趋重视，对于修筑在这类风势不稳定，在风火耦合作用下极易受到火灾威胁的建筑结构的修筑地点及建筑用材就尤为考究。

建筑结构受火灾威胁的大小主要体现在，建筑结构受火温度(即直接作用在构件上的表面温度)是否达到其结构燃点。而不同的着火点位置、火势大小，耦合的不同风速、风向，以及着火点与建筑结构之间的地形地貌，都是决定建筑结构受火温度的重要因素。

然而，目前还没有一套完整的试验系统，能够模拟不同着火点位置、火势大小，以及不同风速、风向、地貌等因素相耦合的情况下，对建筑机构受火温度的影响，即不能研究以上因素下建筑结构表面是否能达到额定受火温度温度、达到额定受火温度温度所需的时间，以及最高可达到的受火温度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，实现模拟不同着火点位置、火势大小，以及不同风速、风向、地貌等因素相耦合的情况下，对建筑机构受火温度的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，包括内置建筑模型的风洞；所述风洞一端为进风口，一端为出风口；所述进风口外侧设有风机，进风口沿径向布设有整流栅；所述整流栅可上下、左右调节其导流方向，所述风洞内侧下方设有基座；所述基座靠近进风口一侧为点火试验段；所述点火试验段包括呈矩阵状设置的若干点火单元；所述点火单元包括电子点火器、电动缸、燃料罐、点火嘴和耐火波纹层；所述电子点火器、电动缸和燃料罐并排设置于基座内；所述点火嘴连接于电动缸的伸缩轴顶部，其具有一个燃烧腔室；所述电子点火器和燃料罐分别通过一根冗余设置的点火电极线和燃气输气管与该燃烧腔室导通；所述燃气输气管上设有电控流量阀；所述耐火波纹层环绕点火嘴周向设置，将点火嘴相对耐火波纹层的上下两侧空间隔绝；所述建筑模型设置于点火试验段与出风口之间；其面朝进风口的一侧外表面设有第一温度传感器。

优选的，所述建筑模型具有多层，每一层均设有第一温度传感器。

优选的，每一层建筑模型上的第一温度传感器至少设有3个，且多个第一温度传感器不呈直线状布置。

优选的，所述耐火波纹层由耐火橡胶材料制成。

优选的，还包括垂直设置在各点火单元之间的燃料棒；所述燃料棒内填充有具有一定湿度的木屑和树叶；所述建筑模型内部相应设有用于测量烟气浓度的光学密度计。

优选的，所述建筑模型相对进风口、出风口的两侧均开设有通气孔，其内部为中空结构；建筑模型结构内部设有第二温度传感器。

优选的，所述建筑模型结构内部还设有烟气特性测量系统；所述烟气特性测量系统包括 O₂传感器、CO₂传感器和CO传感器。

优选的，所述建筑模型结构内部还设有热通量传感器。

优选的，所述风洞在出风口一侧与一套抽排烟系统接通。

优选的，所述风洞内壁面敷设60mm厚的硅酸铝纤维毡。

本发明的有益效果在于：本试验系统可实现模拟不同着火点位置、火势大小，以及不同风速、风向、地貌等因素相耦合的情况下，对建筑机构受火温度的影响。通过进行该试验并分析试验结果，对山间建筑结构的修筑地点选择及建筑材料选择等方面，具有重大的指导意义。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例一立体结构示意图(省略各传感器)；

图2为图1的正面剖视图；

图3为图2中点火试验段局部放大示意图；

图4为图1中一个点火嘴被顶起时状态示意图；

图5为图4的正面剖视图；

图6为实施例二正面剖视图；

图7为实施例三中第一温度传感器布置示意图。

附图中标记如下：建筑模型1、风洞2、整流栅3、基座4、电子点火器5、点火电极线51、电动缸6、燃料罐7、燃气输气管71、电控流量阀72、点火嘴8、耐火波纹层9、第一温度传感器10、燃料棒11、光学密度计12、第二温度传感器13、O₂传感器14、CO₂传感器15 和CO传感器16、热通量传感器17、抽排烟系统18。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1～3，一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，包括内置建筑模型1的风洞2；所述风洞2一端为进风口，一端为出风口；所述进风口外侧设有风机(常规设置，图中未示出)，风机可根据试验需求自行调节风速和风力大小，其为成熟的现有技术，如变频风机即可实现，故不赘述。

进风口沿径向布设有整流栅3；所述整流栅3可上下、左右调节其导流方向，进而调节风向。具体整流栅3调节导流方向的方式可以为手动式，也可以为自动式，具体可参照已有的空调导流隔栅技术，其为成熟的现有技术，故不赘述。

风洞2内侧下方设有基座4；所述基座4靠近进风口一侧为点火试验段；所述点火试验段包括呈矩阵状设置的若干点火单元；本实施例中为3X2矩阵形式的点火单元；点火单元包括电子点火器5、电动缸6、燃料罐7、点火嘴8和耐火波纹层9；所述电子点火器5、电动缸6和燃料罐7并排设置于基座4内；所述点火嘴8连接于电动缸6的伸缩轴顶部，其具有一个燃烧腔室，用于燃气供给于此后的点燃和持续燃烧；所述电子点火器5和燃料罐7分别通过一根冗余设置的点火电极线51和燃气输气管71与该燃烧腔室导通，冗余设置是为后续的顶升动作做准备；所述燃气输气管71上设有电控流量阀72，用以控制燃气供给速率，进而控制点火/火势大小；这里的燃料罐7内存储的燃料可以为液态丙烷，其成本低廉易于获取；所述耐火波纹层9环绕点火嘴8周向设置，将点火嘴8相对耐火波纹层9的上下两侧空间隔绝；所述建筑模型1设置于点火试验段与出风口之间；其面朝进风口的一侧外表面设有第一温度传感器10。

点火单元点火时，通过燃料罐7内的燃料经燃气输气管71运送至点火嘴8，再由电子点火器5的点火电极线51点燃产生持续的燃烧效果。

需要模拟不同地势地貌时，通过电动缸6的伸缩轴顶起点火嘴8(可以不是正在燃烧着的那个点火嘴)，耐火波纹层在点火嘴的连接牵引下，向上凸起，模拟山间地貌，如图4、5。

试验时，首先选择输入条件，包括通过风机选择风速/风力，通过整流栅3选择风向、通过电控流量阀72的开度大小选择火势大小，通过不同位置的点火单元的点火选择着火点位置与建筑模型之间的距离，通过不同位置的点火单元耐火波纹层的升起形成不同的地势地貌，模拟山间复杂的地势环境对风流的影响。试验就绪，开始试验测温的同时，利用计时器开始计时，同时设定出额定的受火温度，及根据建筑材料或其内部结构将会达到的燃点温度，如 400摄氏度。

最后由建筑模型1面朝进风口的一侧外表面设有第一温度传感器10输出温度检测结果。第一温度传感器10直接反应了建筑结构面朝火灾一侧的受火温度，其检测结果主要反映两部分信息：1、第一温度传感器达到设定的受火温度(如400摄氏度)所需时间，其将反映出在既定输入条件产生的火情下，多久后建筑结构会受到影响并开始发生火灾；2、第一温度传感器在整个过程中可达到的最高温度，其将反映在既定输入条件产生的火情下，对建筑结构能产生最高的温度影响会有多大，对实际建筑修筑的指导意义就在于，可以结合试验出的最高温度选择燃点超过该温度的建筑材料。

综上，本试验系统可实现模拟不同着火点位置、火势大小，以及不同风速、风向、地貌等因素相耦合的情况下，对建筑机构受火温度的影响。通过进行该试验并分析试验结果，对山间建筑结构的修筑地点选择及建筑材料选择等方面，具有重大的指导意义。

此外，需要特别说明的是，本试验系统中的电子点火器、电动缸、电控流量阀等电子类结构的控制方式，均通过PLC系统集成控制，其为无比成熟的控制技术，故本申请不做赘述。以及，这里所述的第一温度传感器，以及下文中提及的第二温度传感器、热通量传感器、光学密度计、O₂传感器、CO₂传感器和CO传感器等的信号检测与接收，均可通过相应的变送器将采集到的数据输送给动态数据采集仪，然后再形成可输出的形式显示至计算机或导入至 PLC系统里，其也为成熟的先有技术，故本申请不做赘述。

进一步的，本实施例中，建筑模型1具有三层，每一层均设有第一温度传感器10，以此可模拟在既定输入条件产生的火情下，风火耦合后对不同楼层高度的受火温度影响。

进一步的，本实施例中，耐火波纹层9由耐火橡胶材料制成，现有技术(含已公开专利) 中有多种耐火橡胶材料，其受热变形阀值可达1000摄氏度以上，可以满足使用要求。

进一步的，本实施例中，建筑模型1相对进风口、出风口的两侧均开设有通气孔(图中未示处)，其内部为中空结构，用以真实的模拟建筑结构中具有门窗的情况，以及火灾情况下火情蔓延至室内的情况；建筑模型1结构内部设有第二温度传感器13，第二温度传感器用以反应出在既定输入条件产生的火情下对室内温度变化的影响，相对基础模型而言在试验同时多了一种输出结果，具体信息的体现可参考第一温度传感器。第一温度传感器和第二温度传感器可采用耐受高温的热电偶。

进一步的，本实施例中，建筑模型结构内部还设有热通量传感器17，热通量、又称为热流，是指单位时间内通过某一面积的热能。该热能对室内环境或是室内的人具有较大的影响，如产生不适甚至窒息感，因此通过热通量传感器反应既定输入条件产生的火情下对室内热能变化的影响具有很好的实际应用意义。

实施例二

如图6，与实施例一的区别在于，本实施例中，还包括垂直设置在各点火单元之间的燃料棒11；所述燃料棒11内填充有具有一定湿度的木屑和树叶，其在火焰作用下会产生烟气，真是模拟山林间火情蔓延时“烟火缭绕”的情况；所述建筑模型1内部相应设有用于测量烟气浓度的光学密度计12，进而反映出涌入室内的烟气浓度，分析出其可能会对室内人员产生的影响。

进一步的，本实施例中，建筑模型1结构内部还设有烟气特性测量系统；所述烟气特性测量系统包括O₂传感器14、CO₂传感器15和CO传感器16，在能够获取烟气浓度的基础上，这里继续测量烟气各项成分的浓度，其中O₂、CO₂、CO是燃烧过程中室内含量最高气体(除 N₂外)，研究其在既定输入条件产生的火情下的含量，对室内人员是否能正常呼吸，或是是否会CO中毒具有很好的指导意义与参考价值。

进一步的，本实施例中，风洞2在出风口一侧与一套抽排烟系统18接通，因为本实施例中风洞内会出现大量烟火，因此选择一套抽排烟系统会极大的净化试验环境。

进一步的，本实施例中，风洞2内壁面敷设60mm厚的硅酸铝纤维毡(图中未示处)，其具有耐高温、导热率低的特点，可确保风洞内试验环境和温度的稳定。

实施例三

如图7，与实施例一的区别在于，本实施例中，每一层建筑模型1上的第一温度传感器 10设有3个，且3个第一温度传感器10不呈直线状布置，相对直线状而言，该布置形式可同时分析出在x和y向温度分布规律，即若是多个第一温度传感器呈直线状布置，如在x向布置，那么仅能反映出x向的温度分布规律。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，包括内置建筑模型的风洞；所述风洞一端为进风口，一端为出风口；所述进风口外侧设有风机，进风口沿径向布设有整流栅；

所述整流栅可上下、左右调节其导流方向，其特征在于：

所述风洞内侧下方设有基座；所述基座靠近进风口一侧为点火试验段；所述点火试验段包括呈矩阵状设置的若干点火单元；

所述点火单元包括电子点火器、电动缸、燃料罐、点火嘴和耐火波纹层；所述电子点火器、电动缸和燃料罐并排设置于基座内；所述点火嘴连接于电动缸的伸缩轴顶部，其具有一个燃烧腔室；所述电子点火器和燃料罐分别通过一根冗余设置的点火电极线和燃气输气管与该燃烧腔室导通；所述燃气输气管上设有电控流量阀；所述耐火波纹层环绕点火嘴周向设置，将点火嘴相对耐火波纹层的上下两侧空间隔绝；

所述建筑模型设置于点火试验段与出风口之间；其面朝进风口的一侧外表面设有第一温度传感器；

所述建筑模型具有多层，每一层均设有第一温度传感器；

每一层建筑模型上的第一温度传感器至少设有3个，且多个第一温度传感器不呈直线状布置。

2.根据权利要求1所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：所述耐火波纹层由耐火橡胶材料制成。

3.根据权利要求1所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：所述建筑模型相对进风口、出风口的两侧均开设有通气孔，其内部为中空结构；建筑模型结构内部设有第二温度传感器。

4.根据权利要求1所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：所述建筑模型结构内部还设有热通量传感器。

5.根据权利要求1所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：还包括垂直设置在各点火单元之间的燃料棒；所述燃料棒内填充有具有一定湿度的木屑和树叶；所述建筑模型内部相应设有用于测量烟气浓度的光学密度计。

6.根据权利要求5所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：所述建筑模型结构内部还设有烟气特性测量系统；所述烟气特性测量系统包括O₂传感器、CO₂传感器和CO传感器。

7.根据权利要求5所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：所述风洞在出风口一侧与一套抽排烟系统接通。

8.根据权利要求1所述的风火耦合作用下对建筑结构影响试验系统，其特征在于：所述风洞内壁面敷设60mm厚的硅酸铝纤维毡。