CN109658802B - 一种综合管廊火灾实验平台系统与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合管廊火灾实验平台系统与实验方法，综合管廊火灾模拟实验室内设置有可自由调节位置线性火源实验架、适用于管廊火灾的大功率火源量热系统；火焰高度测定和烟气层厚度测定装置设置在综合管廊火灾模拟实验室之外，用以对综合管廊燃烧舱区域进行高清录像，并对所录视频进行处理得到火焰高度与烟气层厚度随时间变化曲线；可自由调节位置线性火源实验架设置在综合管廊火灾模拟实验室之内，可实现水平方向和竖直方向的精准移动和定位。本发明可实现多种空间位置下综合管廊内部火灾的模拟实验，实时测量火源质量损失率、热释放速率、火源火焰高度、管廊内烟气层厚度等数据，为综合管廊的火灾科学研究打下基础。

Description

一种综合管廊火灾实验平台系统与实验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟火灾实验系统，具体涉及一种综合管廊火灾实验平台系统与实验方法，属于消防安全技术领域。

背景技术

城市综合管廊也称为共同沟，是建造于地下隧道空间，将多种市政管线集于一体的现代化、集约化城市基础设施，这种综合管廊包括了电力、电信、给排水、燃气等各类专业管线，特别是电缆和天然气管线仓容易发生火灾、燃气泄露等事故，因此存在较大的火灾安全隐患。

目前国内对综合管廊火灾规律的研究及其防控技术的相关研究较少，相对于其他地下空间，管廊横截面较小，且被分成若干个舱室，不利于灭火救援的开展，因此，火灾的防范至关重要。目前的火灾报警装置多是在电力舱内顶部安装传感器，并连接至控制中心，其对于火灾的监测并不准确且反应缓慢，误报警频发或是在火灾较大范围蔓延后控制中心才能收到火灾警报，错过了火灾抢救的最佳时机；且根据综合管廊电缆舱的电缆排布，火源有可能发生在管廊横截面的各个位置，但是现有技术缺乏综合性的模拟实验仪器，针对综合管廊内大功率火源的热释放速率，现有公开的量热方法与设备很难满足管廊火灾量热的要求。中国专利文献CN201510957424.1公开了一种基于氧耗原理的锥形量热仪，但是公开的烟气的收集方式难以满足狭长型大功率火源产生的烟气，会造成烟气的溢散，严重影响量热系统的精度。

发明内容

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种综合管廊火灾实验平台系统与实验方法，可以得到综合管廊内火焰高度和烟气层厚度随时间变化曲线，并可以将线性火源设置在综合管廊的任意各个位置，并能精确得到任意时刻火源的质量损失率与热释放速率，为综合管廊的火灾预防工作提供理论基础。

为实现上述发明目的，本发明提供一种综合管廊火灾实验平台系统，包括综合管廊火灾模拟实验室、火焰高度测定和烟气层高度测定装置、可自由调节位置的线性火源实验架以及适用于管廊火灾的大功率火源量热系统；

综合管廊火灾模拟实验室包括首层燃烧舱和二层气体收集分析舱，上下两层舱室通过位于一端的竖向烟井连通；二层气体收集分析舱包括依次设置的整流区、质量流量测定区、气体采样区和风机安装区，风机安装区内设置的风机将首层燃烧层产生的烟气通过一端的竖向烟井依次抽至整流区、质量流量测定区、气体采样区；

空气样品采样面和线性火源实验架设置在首层燃烧舱内，空气样品采样面设置在线性火源实验架的上方；线性火源实验架包括水平调节模块、水平移动定位模块、竖向移动定位模块和连接件，水平调节模块用于调节实验架的水平度，水平移动定位模块用于调节试验架的宽度，竖向移动定位模块用于调节实验架的垂直高度，连接件用于连接多组实验架以调节实验架的长度；

火焰高度测定和烟气层高度测定装置包括高清摄像机和计算机图像处理系统，高清摄像机设置在实验室外并正对火源部位进行摄像，并将拍摄的录像发送至计算机图像处理系统进行图片处理，得到随时间变化的火焰高度曲线和烟气层厚度曲线；

大功率火源量热系统包括设置在质量流量测定区中的双向气体压力探针以及设置在气体采样区中的烟气样品采样面。

线性火源实验架可以自由调节线性火源在燃烧舱中的位置；风机通过离心负压将烟气通过一端的竖向烟井依次吸至整流区进行烟气整流、至质量流量测定区利用双向气体压力探针定该位置的质量流量、至气体采样区通过烟气样品采样面进行气体采样测试；高清摄像机对火源部位摄像并将拍摄的录像发送至计算机图像处理系统进行图片处理，得到随时间变化的火焰高度曲线和烟气层厚度曲线。

进一步的，线性火源实验架中的水平调节模块包括水平调节螺栓，水平仪，水平支架和水平调节板；水平移动定位模块包括若干均匀间隔平行布置在横梁上的折叠滑轨；竖向移动定位模块包括竖直固定在横梁两端的支撑杆；

水平支架固定在折叠滑轨的伸缩端，水平调节板通过螺栓固定在水平支架的上端，水平支架上端分别沿着横向和纵向设置两个水平仪，水平支架上端且位于两个水平仪之间通过螺栓固定有一个质量传感器，水平调节螺栓均匀分布在质量传感器的四周并沿水平调节板的中心线对称设置，水平调节螺栓底部与水平支架紧密连接，水平调节螺栓上端通上下两个螺母与水平调节板相连；油槽被放置在质量传感器上；

横梁的两端开设有安装支撑杆的通槽，支撑杆上均布若干竖向定位孔，并通过水平销钉与横梁的两端定位相连，支撑杆的底端固定有底座，支撑杆的顶端固定有上顶板。

横梁与支撑杆之间通过不同竖向定位孔的连接可以实现火源在垂直方向的移动与定位；利用横梁上布置的折叠滑轨可以实现火源在宽度方向的调节定位；根据水平仪的测试结果，通过调节相应位置的水平调节螺栓的上下螺母来调整水平调节板的水平度。

进一步的，所述横梁的两端侧面开设有U型凹槽，连接件的两端具有与U型凹槽对应的凸起，凸起上开设有销钉孔，并通过销钉与两侧的横梁相连，连接件上端同样设有水平仪。

多个实验架可以通过连接件相连，以实现长距离线性火源的布置与实验测定。

进一步的，所述首层燃烧舱设置竖向烟井的一端封闭，另一端设置折叠闸门，首层燃烧舱的两侧墙体一侧采用混凝土墙壁，另一侧采用防火玻璃墙。

所述折叠闸门通过改变下降高度，能够实现燃烧舱一端30％～100％的封闭，一方面保证实验过程中烟气不溢出，另一方面可根据实验要求改变通风因子开展模拟实验。

进一步的，混凝土墙壁上垂直安装若干条形光源，其高度与燃烧舱高度相同，并朝向防火玻璃墙端照射；高清摄像机设置在防火玻璃墙的外侧且正对条形光源处。

竖向烟井内设有若干导流板，导流板初始位置为水平，可同步实现0°～60°度的旋转。所述竖向烟井连通燃烧舱与气体收集分析舱，其主要作用将燃烧后的烟气充分混合均匀，然后输送至气体收集分析舱；角度调节的依据为燃烧舱室的火源功率大小，火源功率越大，旋转角度就越大。

整流区为一段采用混凝土浇筑的十字形格栅，十字形格栅将水平烟道四等分。通过十字形栅格可以稳定烟气流场，降低烟气流速，避免出现大规模、明显的湍流现象，提高实验结果的精确度。

上顶板通过蜗杆传动机构与支撑杆相连。根据管廊尺寸，调节旋转蜗杆，实现顶板的上下高度调节。

双向气体压力探针为一组纵向排布的双向气体压力探针，利用压力差来测定该位置的质量流量；烟气样品采样面为“十字架”形状的中空圆管，包括竖直集气管和水平集气管，集气管上均布若干采集孔，采集孔朝向气体流动的下游方向，避免吸入灰尘；“十字架”的中心连通一根吸气软管。

通过采集孔采集的烟气通过中心的吸气软管抽离至分析测试区进行气体测试分析。

空气样品采样面为中空长管，管壁一侧均匀布置若干采集孔，管壁的中心连通一根吸气软管；中空长管的设置高度高于横梁的高度，采集孔背向横梁。

采集孔采集的气体通过中心的吸气软管抽离至分析测试区进行气体测试分析。

一种综合管廊火灾实验平台系统的实验方法，包括以下步骤：

第一步，布置安装线性火源实验架：

1)、根据测试管廊长度选择多组线性火源实验架，并将实验架纵向放置在燃烧舱内；

2)、旋转蜗杆调节上顶板的高度，使上顶板与燃烧舱的顶棚压紧，保证各实验架的稳定；

3)、将各实验架的横梁调整到火源的设计高度，通过水平销钉与定位孔的连接将横梁和支撑杆固定；

4)、利用连接件将多组实验架两两串联，并通过销钉进行紧固；观察连接件上的水平仪，若为水平状态则代表各实验架的竖向移动定位模块的定位的高度一致；若为非水平状态则根据水平仪测试的结果调整相应实验架的竖向移动定位模块，使各实验架高度一致并保持水平；

5)、拉伸折叠滑轨至实验设计位置，并保证各实验架的调节水平模块在同一设计位置上；

6)、将长线性油槽放置于各实验架的质量传感器上，为保证实验架的水平稳定，将油槽沿实验架的中心线对称放置，并将燃料倒入油槽中；观察水平调节板上的纵向和横向水平仪，根据水平仪的测试结果，旋转相应位置的水平调节螺栓的上下螺母至相应高度，直至水平仪显示水平；然后将质量传感器与计算机通过线缆连接；

第二步，设置火焰高度测定和烟气层厚度测定装置：

1)、将高清摄像仪设置在燃烧舱外，且正对火源，在图像处理系统中标定火源的最低点(A_fo,B_fo)，设定垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离为x_a；

2)、点亮设置在燃烧舱内的条形光源，高清摄像仪正对条形光源，在图像处理系统中标定条形光源的最低点(A_lo,B_lo)，设定垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离为x_b；

第三步，安装空气样品采样面：

空气样品采样面的安装位置与实验台平行且高于实验台的位置，采集孔背向实验台；圆管采集孔采集的气体通过中心的吸气软管抽离至分析测试区；

第四步，第四步开启大功率火源量热系统：

打开折叠闸门，开启风机，然后打开双向气体压力探针的信号采集装备、打开烟气样品采样面和空气样品采样面的抽气泵，让系统在无火源的状态下空转5～10min，在置换实验平台内空气的同时采集基线数据；

第五步，开始实验：

1)、开启高清摄像仪、图像处理系统、质量传感器，上述设备空转1min之后开始对油槽点火，待材料引燃后关闭折叠闸门；

2)、正对火源的高清摄像仪采集的高清录像实时传输至图像处理系统，图像处理系统对高清录像逐帧进行灰度化处理，在灰度图基础上进行二值化处理，即对每一个像素点的灰度值进行重新赋值，所依据公式如下：

f(A,B)≥246,则f(A,B)＝255

f(A,B)＜246,则f(A,B)＝0

式中：f(A,B)为图片上任意坐标像素点的灰度值；

3)、计算机图像处理系统自动检测到处理后灰度值为255的最高点，并读取该位置像素点的坐标(A_fmax,B_fmax)；当出现间断工况时，只读取从火焰根部(A_fo,B_fo)开始第一个连续区的最高点坐标；软件自动计算最高点像素点与火焰根部像素点的垂直距离|B_fmax-B_fo|，并根据垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离x_a，计算出每一帧图片中的火焰高度值|B_fmax-B_fo|x_a＝h_f，并绘制随时间变化的火焰高度曲线；

4)、设置在条形光源正对面的高清摄像机进行摄像，图像处理系统对高清录像逐帧进行灰度化处理，所述计算机图像处理系统在灰度图基础上进行二值化处理，即对每一个像素点的灰度值进行重新赋值，二值化处理依据公式如下：

f(A,B)≥170,则f(A,B)＝255

f(A,B)＜170,则f(A,B)＝0

式中：f(A,B)为图片上任意坐标像素点的灰度值；

5)、计算机图像处理系统自动检测到处理后灰度值为255的最高点，并读取该位置像素点的坐标(A_lmax,B_lmax)；软件自动计算最高点像素点与条形光源根部(A_lo,B_lo)所在位置上的像素点的垂直距离|B_lmax-B_lo|，并根据垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离x_b，计算出每一帧图片中烟气遮挡后的条形光源高度|B_lmax-B_lo|x_b＝h_l，根据条形光源的实际高度H，进一步计算出该位置处每一帧图片中的烟气层的厚度H-h_l，并绘制随时间变化的烟气层厚度曲线；

6)、质量传感器自动记录实验台质量随时间变化情况，分析得到实时质量损失速率

双向气体压力探针实时测定该时刻管道中烟气的质量流量

7)、抽气泵通过空气样品采样面和烟气样品采样面上的各吸气软管，将采集的气体分别输送至各自的分析测试区，实时分析出该时刻烟气中CO的体积占比X_CO，烟气中氧气的体积占比

参与燃烧的气体中水蒸气的体积占比

参与燃烧的空气中氧气的体积占比

以及参与燃烧的空气中CO²的体积占比

空气样品采样面t₀时刻测定的数据与烟气样品采样面、双向气体压力探针t₀+t时刻采集的数据共同带入原理公式中，计算t₀时刻的火源热释放速率

所述t赋值区间为5～10s，量热系统自动对t进行赋值：风速大，t赋值趋近于5；风速小，t赋值趋近于10；

所依据原理公式如下：

式中，δ的表达式如下：

M_air＝29kg/kmol

α≈1.1

本发明中可实现长距离线性火源的布置与实验测定，并能够精确测量火源实时的质量损失率；适用于管廊火灾的大功率火源量热系统，通过采集测定参与燃烧和燃烧后气体的成分和质量流量，精确绘制线性火源在不同工况下的热释放速率曲线；可实现多种空间位置下综合管廊内部火灾的模拟实验，可以实时测量火源质量损失率、热释放速率、火源火焰高度、管廊内烟气层厚度等数据。本发明弥补了现有综合管廊火灾实验仪器不足的问题，为综合管廊的火灾科学研究打下基础。

附图说明

图1为本发明综合管廊火灾实验平台系统立体结构示意图；

图2为本发明线性火源实验架立体结构示意图；

图3为本发明线性火源实验架水平调节模块结构示意图；

图4为本发明线性火源实验架竖向移动定位模块立体结构示意图；

图5为本发明连接件立体结构示意图；

图6为本发明折叠滑轨示意图；

图7为本发明烟气样品采样面结构示意图；

图8为本发明空气样品采样面结构示意图；

图9为本发明烟气层厚度实时测定原理图；

图中：1、上顶板；2、油槽；3质量传感器；4、水平调节板；5、水平支架；6、支撑杆；7、底座；8、折叠滑轨；9、连接件；10、横梁；11、水平调节螺栓；12、水平仪；13、定位孔；14、水平销钉；15、销钉；16、销钉孔；17、一级滑轨；18、二级滑轨；19、钢珠；20、三级滑轨；21、竖直集气管；22、水平集气管；23、采集孔；24、吸气软管；25、风机安装区；26、风机；27、气体采样区；28、烟气样品采样面；29、质量流量测定区；30、双向气体压力探针；31、气体收集分析舱；32、整流区；33、导流板；34、竖向烟井；35、空气样品采样面；36、燃烧舱；37、条形光源；38、折叠闸门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

如图1所示，一种综合管廊火灾实验平台系统，包括综合管廊火灾模拟实验室、火焰高度测定和烟气层高度测定装置、可自由调节位置的线性火源实验架以及适用于管廊火灾的大功率火源量热系统；

综合管廊火灾模拟实验室包括首层燃烧舱36和二层气体收集分析舱31，上下两层舱室通过位于一端的竖向烟井34连通；二层气体收集分析舱包括依次设置的整流区32、质量流量测定区29、气体采样区27和风机安装区25，风机安装区25内设置的风机26将首层燃烧层产生的烟气通过一端的竖向烟井34依次抽至整流区32、质量流量测定区29、气体采样区27；

本实施例中，整流区32与竖向烟井34之间距离为1～2m，质量流量测定区29位于整流区32下游，二者之间距离1～2m，气体采样区27位于质量流量测定区29下游，二者之间距离0.2～0.4m，风机安装区25位于气体收集分析舱31末端，风机26采用轴流式消防风机，且能够在280度的气温条件下运行0.5h。

空气样品采样面34和线性火源实验架设置在首层燃烧舱内，空气样品采样面34设置在线性火源实验架的上方；线性火源实验架包括水平调节模块、水平移动定位模块、竖向移动定位模块和连接件9，水平调节模块用于调节实验架的水平度，水平移动定位模块用于调节试验架的宽度，竖向移动定位模块用于调节实验架的垂直高度，连接件用于连接多组实验架以调节实验架的长度；

火焰高度测定和烟气层高度测定装置包括高清摄像机和计算机图像处理系统，高清摄像机设置在实验室外并正对火源部位进行摄像，并将拍摄的录像发送至计算机图像处理系统进行图片处理，得到随时间变化的火焰高度曲线和烟气层厚度曲线；

大功率火源量热系统包括设置在质量流量测定区29中的双向气体压力探针30以及设置在气体采样区27中的烟气样品采样面28。

线性火源实验架可以自由调节线性火源在燃烧舱中的位置；风机26通过离心负压将烟气通过一端的竖向烟井34依次吸至整流区32进行烟气整流、至质量流量测定区29利用双向气体压力探针30定该位置的质量流量、至气体采样区27通过烟气样品采样面28进行气体采样测试；高清摄像机对火源部位摄像并将拍摄的录像发送至计算机图像处理系统进行图片处理，得到随时间变化的火焰高度曲线和烟气层厚度曲线。

如图2至图4所示，线性火源实验架中的水平调节模块包括水平调节螺栓11，水平仪12，水平支架5和水平调节板4；水平移动定位模块包括若干均匀间隔平行布置在横梁10上的折叠滑轨8；竖向移动定位模块包括竖直固定在横梁10两端的支撑杆6；

水平支架5固定在折叠滑轨8的伸缩端，水平调节板4通过螺栓固定在水平支架5的上端，水平支架5上端分别沿着横向和纵向设置两个水平仪12，水平支架上端且位于两个水平仪之间通过螺栓固定有一个质量传感器3，水平调节螺栓均匀分布在质量传感器3的四周并沿水平调节板4的中心线对称设置，水平调节螺栓11底部与水平支架5紧密连接，水平调节螺栓11上端通上下两个螺母与水平调节板4相连；油槽2被放置在质量传感器3上；

本实施例中采用的质量传感器3量程为0-500kg，精度为0.05％。

横梁10的两端开设有安装支撑杆的通槽，支撑杆6上均布若干竖向定位孔13，并通过水平销钉14与横梁的两端定位相连，支撑杆6的底端固定有底座7，支撑杆6的顶端固定有上顶板1。

横梁10与支撑杆6之间通过不同竖向定位孔13的连接可以实现火源在垂直方向的移动与定位；利用横梁10上布置的折叠滑轨8可以实现火源在宽度方向的调节定位；根据水平仪12的测试结果，通过调节相应位置的水平调节螺栓11的上下螺母来调整水平调节板4的水平度。

本实施例中，折叠滑轨8采用一种钢制三折抽拉式钢珠滑轨，包括一级滑轨17、二级滑轨18和三级滑轨20，三个滑轨依次套嵌并通过钢珠19相连，如图6所示，折叠滑轨8的水平行程为73.6cm，当折叠滑轨8水平安装时，额定负载为228N，实验架水平移动定位模块的额定负载为1368N。

如图4和图5所示，所述横梁10的两端侧面开设有U型凹槽，连接件9的两端具有与U型凹槽对应的凸起，凸起上开设有销钉孔16，并通过销钉15与两侧的横梁相连，连接件9上端同样设有水平仪12。

多个实验架可以通过连接件9相连，以实现长距离线性火源的布置与实验测定。

本实施例中采用三个实验架相连，且为了保证连接的可靠性，连接件9的截面为矩形，连接件9上的销钉孔16为矩形孔。

如图1所示，所述首层燃烧舱设置竖向烟井的一端封闭，另一端设置折叠闸门38，首层燃烧舱的两侧墙体一侧采用混凝土墙壁，另一侧采用防火玻璃墙。

所述折叠闸门38通过改变下降高度，能够实现燃烧舱36一端30％～100％的封闭，一方面保证实验过程中烟气不溢出，另一方面可根据实验要求改变通风因子开展模拟实验。

进一步的，混凝土墙壁上垂直安装若干条形光源37，其高度与燃烧舱36高度相同，并朝向防火玻璃墙端照射；高清摄像机设置在防火玻璃墙的外侧且正对条形光源处。

本实施例中，条形光源37采用波长为590nm的黄色光源。

竖向烟井34内设有若干导流板33，导流板33初始位置为水平，可同步实现0°～60°度的旋转。所述竖向烟井34连通燃烧舱与气体收集分析舱31，其主要作用将燃烧后的烟气充分混合均匀，然后输送至气体收集分析舱31；角度调节的依据为燃烧舱室的火源功率大小，火源功率越大，旋转角度就越大。

整流区32为一段采用混凝土浇筑的十字形格栅，十字形格栅将水平烟道四等分。通过十字形栅格可以稳定烟气流场，降低烟气流速，避免出现大规模、明显的湍流现象，提高实验结果的精确度。

如图4所示，上顶板1通过蜗杆传动机构与支撑杆6相连。根据管廊尺寸，调节旋转蜗杆，实现顶板的上下高度调节。

如图1所示，双向气体压力探针30为一组纵向排布的双向气体压力探针30，利用压力差来测定该位置的质量流量；如图7所示，烟气样品采样面28为“十字架”形状的中空圆管，包括竖直集气管21和水平集气管22，集气管上均布若干采集孔23，采集孔23朝向气体流动的下游方向，避免吸入灰尘；“十字架”的中心连通一根吸气软管24。

通过采集孔23采集的烟气通过中心的吸气软管24抽离至分析测试区进行气体测试分析，抽气流速控制在5L/min左右。

如图8所示，空气样品采样面35为中空长管，管壁一侧均匀布置若干采集孔23，管壁的中心连通一根吸气软管24；中空长管的设置高度高于横梁的高度，采集孔23背向横梁。

采集孔23采集的气体通过中心的吸气软管24抽离至分析测试区进行气体测试分析，抽气流速控制在2L/min左右。

一种综合管廊火灾实验平台系统的实验方法，包括以下步骤：

第一步，布置安装线性火源实验架：

1)、根据测试管廊长度选择多组线性火源实验架，并将实验架纵向放置在燃烧舱36内；

2)、旋转蜗杆调节上顶板1的高度，使上顶板1与燃烧舱36的顶棚压紧，保证各实验架的稳定；

3)、将各实验架的横梁10调整到火源的设计高度，通过水平销钉14与定位孔13的连接将横梁10和支撑杆6固定；

4)、利用连接件9将多组实验架两两串联，并通过销钉15进行紧固；观察连接件9上的水平仪12，若为水平状态则代表各实验架的竖向移动定位模块的定位的高度一致；若为非水平状态则根据水平仪12测试的结果调整相应实验架的竖向移动定位模块，使各实验架高度一致并保持水平；

5)、拉伸折叠滑轨8至实验设计位置，并保证各实验架的调节水平模块在同一设计位置上；

6)、将长线性油槽2放置于各实验架的质量传感器3上，为保证实验架的水平稳定，将油槽2沿实验架的中心线对称放置，并将燃料倒入油槽2中；观察水平调节板4上的纵向和横向水平仪12，根据水平仪12的测试结果，旋转相应位置的水平调节螺栓11的上下螺母至相应高度，直至水平仪12显示水平；然后将质量传感器3与计算机通过线缆连接；

第二步，设置火焰高度测定和烟气层厚度测定装置：

1)、将高清摄像仪设置在燃烧舱36外，且正对火源，在图像处理系统中标定火源的最低点(A_fo,B_fo)，设定垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离为x_a；

2)、点亮设置在燃烧舱36内的条形光源37，高清摄像仪正对条形光源37，在图像处理系统中标定条形光源的最低点(A_lo,B_lo)，设定垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离为x_b；

第三步，安装空气样品采样面：

空气样品采样面35的安装位置与实验台平行且高于实验台的位置，采集孔23背向实验台；圆管采集孔23采集的气体通过中心的吸气软管24抽离至分析测试区；

第四步，第四步开启大功率火源量热系统：

打开折叠闸门38，开启风机26，然后打开双向气体压力探针30的信号采集装备、打开烟气样品采样面28和空气样品采样面35的抽气泵，让系统在无火源的状态下空转5～10min，在置换实验平台内空气的同时采集基线数据；

第五步，开始实验：

1)、开启高清摄像仪、图像处理系统、质量传感器3，上述设备空转1min之后开始对油槽2点火，待材料引燃后关闭折叠闸门38；

2)、正对火源的高清摄像仪采集的高清录像实时传输至图像处理系统，图像处理系统对高清录像逐帧进行灰度化处理，在灰度图基础上进行二值化处理，即对每一个像素点的灰度值进行重新赋值，所依据公式如下：

f(A,B)≥246,则f(A,B)＝255

f(A,B)＜246,则f(A,B)＝0

式中：f(A,B)为图片上任意坐标像素点的灰度值；

3)、计算机图像处理系统自动检测到处理后灰度值为255的最高点，并读取该位置像素点的坐标(A_fmax,B_fmax)；当出现间断工况时，只读取从火焰根部(A_fo,B_fo)开始第一个连续区的最高点坐标；软件自动计算最高点像素点与火焰根部像素点的垂直距离|B_fmax-B_fo|，并根据垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离x_a，计算出每一帧图片中的火焰高度值|B_fmax-B_fo|x_a＝h_f，并绘制随时间变化的火焰高度曲线；

4)、设置在条形光源37正对面的高清摄像机进行摄像，图像处理系统对高清录像逐帧进行灰度化处理，所述计算机图像处理系统在灰度图基础上进行二值化处理，即对每一个像素点的灰度值进行重新赋值，二值化处理依据公式如下：

f(A,B)≥170,则f(A,B)＝255

f(A,B)＜170,则f(A,B)＝0

式中：f(A,B)为图片上任意坐标像素点的灰度值；

5)、计算机图像处理系统自动检测到处理后灰度值为255的最高点，并读取该位置像素点的坐标(A_lmax,B_lmax)；软件自动计算最高点像素点与条形光源37根部(A_lo,B_lo)所在位置上的像素点的垂直距离|B_lmax-B_lo|，并根据垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离x_b，计算出每一帧图片中烟气遮挡后的条形光源37高度|B_lmax-B_lo|x_b＝h_l，根据条形光源37的实际高度H，进一步计算出该位置处每一帧图片中的烟气层的厚度H-h_l，并绘制随时间变化的烟气层厚度曲线；烟气层厚度实时测定原理图如图9所示；

6)、质量传感器3自动记录实验台质量随时间变化情况，分析得到实时质量损失速率

双向气体压力探针30实时测定该时刻管道中烟气的质量流量

7)、抽气泵通过空气样品采样面35和烟气样品采样面28上的各吸气软管26，将采集的气体分别输送至各自的分析测试区，实时分析出该时刻烟气中CO的体积占比X_CO，烟气中氧气的体积占比

参与燃烧的气体中水蒸气的体积占比

参与燃烧的空气中氧气的体积占比

以及参与燃烧的空气中CO²的体积占比

空气样品采样面35t₀时刻测定的数据与烟气样品采样面28、双向气体压力探针30t₀+t时刻采集的数据共同带入原理公式中，计算t₀时刻的火源热释放速率

所述t赋值区间为5～10s，量热系统自动对t进行赋值：风速大，t赋值趋近于5；风速小，t赋值趋近于10；

所依据原理公式如下：

式中，δ的表达式如下：

M_air＝29kg/kmol

α≈1.1

Claims (7)

1.一种综合管廊火灾实验平台系统，其特征在于，包括综合管廊火灾模拟实验室、火焰高度测定和烟气层高度测定装置、可自由调节位置的线性火源实验架以及适用于管廊火灾的大功率火源量热系统；

综合管廊火灾模拟实验室包括首层燃烧舱(36)和二层气体收集分析舱(31)，上下两层舱室通过位于一端的竖向烟井(34)连通；二层气体收集分析舱包括依次设置的整流区(32)、质量流量测定区(29)、气体采样区(27)和风机安装区(25)，风机安装区(25)内设置的风机(26)将首层燃烧舱(36)产生的烟气通过一端的竖向烟井(34)依次抽至整流区(32)、质量流量测定区(29)、气体采样区(27)；

空气样品采样面(34)和线性火源实验架设置在首层燃烧舱(36)内，空气样品采样面(34)设置在线性火源实验架的上方；线性火源实验架包括水平调节模块、水平移动定位模块、竖向移动定位模块和连接件(9)，水平调节模块用于调节实验架的水平度，水平移动定位模块用于调节试验架的宽度，竖向移动定位模块用于调节实验架的垂直高度，连接件用于连接多组实验架以调节实验架的长度；

火焰高度测定和烟气层高度测定装置包括高清摄像机和计算机图像处理系统，高清摄像机设置在实验室外并正对火源部位进行摄像，并将拍摄的录像发送至计算机图像处理系统进行图片处理，得到随时间变化的火焰高度曲线和烟气层厚度曲线；

大功率火源量热系统包括设置在质量流量测定区(29)中的双向气体压力探针(30)以及设置在气体采样区(27)中的烟气样品采样面(28)；

线性火源实验架中的水平调节模块包括水平调节螺栓(11)，水平仪(12)，水平支架(5)和水平调节板(4)；水平移动定位模块包括若干均匀间隔平行布置在横梁(10)上的折叠滑轨(8)；竖向移动定位模块包括竖直固定在横梁两端的支撑杆(6)；

水平支架(5)固定在折叠滑轨(8)的伸缩端，水平调节板(4)通过螺栓固定在水平支架(5)的上端，水平支架(5)上端分别沿着横向和纵向设置两个水平仪(12)，水平支架(5)上端且位于两个水平仪(12)之间通过螺栓固定有一个质量传感器(3)，水平调节螺栓(11)均匀分布在质量传感器(3)的四周并沿水平调节板(4)的中心线对称设置，水平调节螺栓(11)底部与水平支架(5)紧密连接，水平调节螺栓(11)上端通上下两个螺母与水平调节板(4)相连；油槽(2)被放置在质量传感器(3)上；横梁(10)的两端开设有安装支撑杆的通槽，支撑杆(6)上均布若干竖向定位孔(13)，并通过水平销钉(14)与横梁的两端定位相连，支撑杆(6)的底端固定有底座(7)，支撑杆(6)的顶端固定有上顶板(1)；

所述横梁(10)的两端侧面开设有U型凹槽，连接件(9)的两端具有与U型凹槽对应的凸起，凸起上开设有销钉孔(16)，并通过销钉(15)与两侧的横梁(10)相连，连接件(9)上端同样设有水平仪(12)；

双向气体压力探针(30)为一组纵向排布的双向气体压力探针(30)，利用压力差来测定该位置的质量流量；烟气样品采样面(28)为“十字架”形状的中空圆管，包括竖直集气管(21)和水平集气管(22)，集气管上均布若干采集孔(23)，采集孔(23)朝向气体流动的下游方向，避免吸入灰尘；“十字架”的中心连通一根吸气软管(24)；空气样品采样面(35)为中空长管，管壁一侧均匀布置若干采集孔(23)，管壁的中心连通一根吸气软管(24)；中空长管的设置高度高于横梁(10)的高度，采集孔(23)背向横梁(10)。

2.根据权利要求1所述的综合管廊火灾实验平台系统，其特征在于，所述首层燃烧舱(36)设置竖向烟井(34)的一端封闭，另一端设置折叠闸门(38)，首层燃烧舱(36)的两侧墙体一侧采用混凝土墙壁，另一侧采用防火玻璃墙。

3.根据权利要求2所述的综合管廊火灾实验平台系统，其特征在于，混凝土墙壁上垂直安装若干条形光源(37)，其高度与燃烧舱(36)高度相同，并朝向防火玻璃墙端照射；高清摄像机设置在防火玻璃墙的外侧且正对条形光源(37)处。

4.根据权利要求1所述的综合管廊火灾实验平台系统，其特征在于，竖向烟井(34)内设有若干导流板(33)，导流板(33)初始位置为水平，可同步实现0°～60°度的旋转。

5.根据权利要求1所述的综合管廊火灾实验平台系统，其特征在于，整流区(32)为一段采用混凝土浇筑的十字形格栅，十字形格栅将水平烟道四等分。

6.根据权利要求1所述的综合管廊火灾实验平台系统，其特征在于，上顶板(1)通过蜗杆传动机构与支撑杆（6）相连。

7.一种综合管廊火灾实验平台系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，布置安装线性火源实验架：

1)、根据测试管廊长度选择多组线性火源实验架，并将实验架纵向放置在燃烧舱(36)内；

2)、旋转蜗杆调节上顶板(1)的高度，使上顶板(1)与燃烧舱(36)的顶棚压紧，保证各实验架的稳定；

3)、将各实验架的横梁(10)调整到火源的设计高度，通过水平销钉(14)与定位孔(13)的连接将横梁(10)和支撑杆(6)固定；

4)、利用连接件(9)将多组实验架两两串联，并通过销钉(15)进行紧固；观察连接件(9)上的水平仪(12)，若为水平状态则代表各实验架的竖向移动定位模块的定位的高度一致；若为非水平状态则根据水平仪(12)测试的结果调整相应实验架的竖向移动定位模块，使各实验架高度一致并保持水平；

5)、拉伸折叠滑轨(8)至实验设计位置，并保证各实验架的调节水平模块在同一设计位置上；

6)、将长线性油槽(2)放置于各实验架的质量传感器(3)上，为保证实验架的水平稳定，将油槽(2)沿实验架的中心线对称放置，并将燃料倒入油槽(2)中；观察水平调节板(4)上的纵向和横向水平仪(12)，根据水平仪(12)的测试结果，旋转相应位置的水平调节螺栓(11)的上下螺母至相应高度，直至水平仪(12)显示水平；然后将质量传感器(3)与计算机通过线缆连接；

第二步，设置火焰高度测定和烟气层厚度测定装置：

1)、将高清摄像仪设置在燃烧舱(36)外，且正对火源，在图像处理系统中标定火源的最低点(A_fo,B_fo)，设定垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离为x_a；

2)、点亮设置在燃烧舱(36)内的条形光源(37)，高清摄像仪正对条形光源(37)，在图像

处理系统中标定条形光源的最低点(A_lo ,B_lo)，设定垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离为x_b；

第三步，安装空气样品采样面：

空气样品采样面(35)的安装位置与实验台平行且高于实验台的位置，采集孔(23)背向实验台；圆管采集孔(23)采集的气体通过中心的吸气软管(24)抽离至分析测试区；

第四步，第四步开启大功率火源量热系统：

打开折叠闸门(38)，开启风机(26)，然后打开双向气体压力探针(30)的信号采集装备、打开烟气样品采样面(28)和空气样品采样面(35)的抽气泵，让系统在无火源的状态下空转5～10min，在置换实验平台内空气的同时采集基线数据；

第五步，开始实验：

1)、开启高清摄像仪、图像处理系统、质量传感器(3)，上述设备空转1min之后开始对油槽(2)点火，待材料引燃后关闭折叠闸门(38)；

2)、正对火源的高清摄像仪采集的高清录像实时传输至图像处理系统，图像处理系统对高清录像逐帧进行灰度化处理，在灰度图基础上进行二值化处理，即对每一个像素点的灰度值进行重新赋值，所依据公式如下：

f(A,B)≥246,则f(A,B)＝255

f(A,B)＜246,则f(A,B)＝0

式中：f(A,B)为图片上任意坐标像素点的灰度值；

3)、计算机图像处理系统自动检测到处理后灰度值为255的最高点，并读取该位置像素点的坐标(A_fmax,B_fmax)；当出现间断工况时，只读取从火焰根部(A_fo,B_fo)开始第一个连续区的最高点坐标；软件自动计算最高点像素点与火焰根部像素点的垂直距离|B_fmax-B_fo|，并根据垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离x_a，计算出每一帧图片中的火焰高度值|B_fmax-B_fo|x_a＝h_f，并绘制随时间变化的火焰高度曲线；

4)、设置在条形光源(37)正对面的高清摄像机进行摄像，图像处理系统对高清录像逐帧进行灰度化处理，所述计算机图像处理系统在灰度图基础上进行二值化处理，即对每一个像素点的灰度值进行重新赋值，二值化处理依据公式如下：

f(A,B)≥170,则f(A,B)＝255

f(A,B)＜170,则f(A,B)＝0

式中：f(A,B)为图片上任意坐标像素点的灰度值；

5)、计算机图像处理系统自动检测到处理后灰度值为255的最高点，并读取该位置像素点的坐标(A_lmax,B_lmax)；软件自动计算最高点像素点与条形光源(37)根部(A_lo,B_lo)所在位置上的像素点的垂直距离|B_lmax-B_lo|，并根据垂直方向上单位像素点之间长度代表的实际距离x_b，计算出每一帧图片中烟气遮挡后的条形光源(37)高度|B_lmax-B_lo|x_b＝h_l，根据条形光源(37)的实际高度H，进一步计算出该位置处每一帧图片中的烟气层的厚度H-hl，并绘制随时间变化的烟气层厚度曲线；

6)、质量传感器(3)自动记录实验台质量随时间变化情况，分析得到实时质量损失速率

，双向气体压力探针(30)实时测定该时刻管道中烟气的质量流量

；

7)、抽气泵通过空气样品采样面(35)和烟气样品采样面(28)上的各吸气软管(26)，将

采集的气体分别输送至各自的分析测试区，实时分析出该时刻烟气中CO的体积占比X_CO，烟气中氧气的体积占比

,参与燃烧的气体中水蒸气的体积占比

,参与燃烧的空气中氧气的体积占比

以及参与燃烧的空气中CO₂的体积占比

；

空气样品采样面(35)t₀时刻测定的数据与烟气样品采样面(28)、双向气体压力探针(30)t₀+t时刻采集的数据共同带入原理公式中，计算t₀时刻的火源热释放速率

。

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