CN110501383A - 一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置 - Google Patents

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马鑫
唐飞
马进伟
罗圣峰
徐立
涂然
方廷勇
丁超
焦艳
王经纬
葛鑫坤
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures

Abstract

本发明提供一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，包括环境风送风装置以及外幕墙/墙体耦合构型保温材料燃烧测试平台，所述环境风送风装置可模拟实现实际生活中的外界风环境；所述保温材料燃烧测试平台包括外幕墙/墙体耦合构型保温板材燃烧平台以及火蔓延特征参数表征采集装置。所述外幕墙/墙体构型装置可调节幕墙与墙体相互之间的距离和倾斜角度从而改变之间空气夹层的空间构型；所述火蔓延特征参数测量装置包括质量测量装置，图像采集装置和温度采集装置。本发明可以指导高层建筑外幕墙/幕墙耦合构型的优化设计，从而降低建筑火灾危险系数，对于我国现阶段的高层建筑火灾防治工作具有十分重要的作用。

Description

一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材 火蔓延特性测试装置
技术领域
本发明涉及外部真实环境风作用下典型建筑保温板材受热火蔓延行为以及建筑外立面结构设计的技术领域，具体涉及一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置。
背景技术
进入21世纪以来，能源问题已经成为制约社会可持续发展的主要因素之一。伴随我国新建建筑数量的大幅增加，建筑行业推行全面节能。大量高分子聚合物保温材料，例如：硬质聚氨酯(Rigid polyurethane，RPU)、挤塑聚苯乙烯(Extruded polystyrene，XPS)和模塑聚苯乙烯(Expand polystyrene，EPS)等泡沫板，因为其优越的保温隔热性能被广泛应用于现代建筑墙体中。但是，由于这些高分子聚合物保温材料通常自身具有可燃性。一旦建筑墙体保护层脱落或者破损,夹层中的保温材料遇到明火后会迅速被引燃，从而产生火蔓延行为，形成大面积立体式燃烧，并且燃烧过程中会产生大量有毒烟气造成生命危险和财产损失，产生重大的社会危害和影响。近年来发生的许多重大火灾事故如2009年2月9日发生的哈尔滨“经纬360”双子星大厦重大火灾事故、2010年11月15日发生的上海教师公寓重大火灾事故和2017年6月14日发生的伦敦高层公寓楼“格兰费尔塔”重大火灾事故。上述事故的发生，皆是因为建筑墙体保温擦料被点燃而导致的。现代建筑空间异形的外观设计越来越普遍，幕墙作为建筑的外维护结构，直接影响到建筑视觉效果的表达。建筑主体墙体之外不但有外窗系统，同时还兼有玻璃幕墙、石材幕墙、陶板幕墙、金属幕墙和人造板幕墙等幕墙系统。因此使得建筑存在很多复杂的外幕墙/墙体耦合构型。外幕墙/墙体耦合构型的存在将会使得墙体保温材料的火蔓延行为更加复杂。首先，由于常规建筑幕墙包封与建筑主体结构之外，一旦墙体保温材料被点燃，外幕墙的存在成为了火灾的“保护面”，将会阻碍和加大消防灭火救援的难度。其次，建筑幕墙与墙体结构之间存在一定的不规则环形变横截面空气夹层空间，使得外幕墙/墙体耦合构型存在危险的竖向狭长通风通道。伴随着墙体保温材料中后期火势的发展，高温烟气将在外幕墙/墙体构型夹层空间中蓄积流动，并且与火蔓延行为形成交互反馈。从而最终将改变墙体保温材料的火蔓延发展特性、热反馈强度、羽流湍流结构、烟气温度场与流场、烟气产物及其输运规律。
发明内容
本发明的目的是提出一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，用以研究真实环境风条件下不同建筑幕墙/墙体耦合构型对保温板材特殊火蔓延行为的影响。
本发明采用的技术方案为：一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，包括二个支撑架，每个支撑架中部钻孔并安装螺母，利用螺母将二个支撑板分别安装在二个支撑架中部，并在一支撑架中部配上量角器，通过旋转支撑板获得不同的墙体和幕墙构型，从而得到不同倾斜角度幕墙/墙体构型；其中一个支撑板竖直线上安装有大小相等、间距相等的固定长钉，用以固定保温板材，支撑板两侧穿有小孔，用以固定热电偶；另外一个支撑板安装幕墙板材；所述保温板材，放置在顶部或者底部可以实现逆流火蔓延和顺流火蔓延模拟场景；二个支撑架安装在底部的耐火石膏板上；耐火石膏板放置于高精度电子天平上，在二个支撑架侧方安装一台环境风送风装置，环境风送风装置出口处的均匀供风可以通过变频风机和整流段来实现，产生的风速流场流速可以通过风速仪来进行标定；二个支撑架另一侧一定距离处架设一台高清DV，用于记录所述保温板材燃烧过程中迎风侧及背风面的火焰变化形态及热熔滴落现象；同时在保温板材表面处布置均匀热电偶，用于测量气相火焰温度。
所述旋转轴与支撑板相连接升起时与底座形成三角构型，保证的结构的稳定，旋转轴有足够的阻力保证了旋转的精确性、稳定性。
所述变频风机的出风口尺寸需要足够大，以便涵盖各种所述构型中保温材料的垂直平面投影，使流场均匀包覆在所述构型周围。
所述电子天平测量的是所述保温板材在引燃后，发生阴燃或明火燃烧过程中的质量变化。
所述电子天平、风速仪、各个测点上布设的热电偶以及辐射热流计等，其输出信号均接入数据采集卡，通过计算机软件进行远程实时数据采集与显示。
与现有技术相比，本装置的技术优势如下：
(1)本装置可以模拟真实可变环境风条件下，保温材料在墙体与幕墙可变夹层空间影响下的火蔓延行为，研究外界风产生的湍流效应对火蔓延行为以及烟气流动的影响。
(2)本装置可实现墙体与幕墙构性结构的变化，从而可以研究单墙体构型或者墙体与幕墙构成的组合构型下保温材料受热变形、熔融流淌、以及后期火蔓延等过程的影响。
(3)在燃烧板材上布有均匀热电偶并且侧方向放置辐射热流计，可在线测量保温材料试样表面在被加热过程中特征位置的实时温度变化，测得整个过程中幕墙与墙体之间空间的变化与保温材料火蔓延行为之间的互为热反馈机制。
(4)利用电子天平实时记录保温材料燃烧过程中的质量损失，结合热电偶温度变化数据，可以进一步研究保温材料火灾的热重特征发展规律。
附图说明
图1为一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置的结构示意图；
图2为该测试装置中可变幕墙/墙体构型的侧视示意图；
图3为该测试装置中可变幕墙/墙体构型的俯视示意图。
其中：1为送风系统外主体保护面；2为送风口；3为风机；4为整流段；5为风机变频器；6为高精度风速采集仪；7为幕墙支撑板；8为第一支撑架；9为第一量角器；10为第二支撑架；11为第二量角器；12为墙体支撑板；13为保温板材；14为耐火石膏板；15为高精度电子天平；16为热电偶阵列；17为高清DV；18为高清DV支架；19为辐射热流计。
具体实施方式
以下结合图1至图3说明本发明的具体实施方式，但不作为对本发明的限制。
图1给出了本发明一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置的结构示意图，图2、图3为该测试装置中幕墙/墙体构型下保温板材放置示意图。
如图2所示，幕墙支撑板7和墙体支撑板12分别通过螺母与第一支撑架8和第二支撑架10相连接，在此次实施案例中，幕墙支撑板7和墙体支撑板12采用规格为长100cm、宽60cm、厚3mm的钢制板材；第一支撑架8和第二支撑架10放置在底部的耐火石膏板14上。其中墙体支撑板12上安装一块耐火石膏板并在其表面通过粘合剂固定保温板材。另外幕墙支撑板7上安装幕墙板材，第一支撑架8和第二支撑架10分别通过第一量角器9和第二量角器11可以分别调节幕墙支撑板7和墙体支撑板12与地面的角度，通过调节幕墙支撑板7和墙体支撑板12之间相对角度以及与地面角度的变化，以此来改变幕墙/墙体构型之间空气夹层空间的构型，模拟实际建筑幕墙/墙体构型。保温板材的引燃采用一个电热丝点火器，本实施例中该点火器的功率可调，从而可使保温板材形成阴燃火蔓延与明火蔓延，且点火位置也可以多样，形成顺流向上火蔓延、逆流向下火蔓延等多种形式。
如图1所示，左侧安装一台风机3，风机3为变频风机，其水平出风均匀且风速可以通过风机变频器5的功率调节进行精确控制，本实施例中，该变频风机出风口距离耐火石膏板14中心的水平距离为1.5m，整个出风口尺寸为2m高、0.8m宽，而水平出风的流场流速使用一个高精度风速采集仪6进行标定，使其处于预设范围内；常见于实际建筑墙体存在不同空气夹层空间与保温板材相对的影响时火焰趋势。所述耐火石膏板14放置于一个高精度电子天平15上，左侧放置变频风机给风，在出风管道的调节下给水平风，均匀的给到保温板材13上，变频风机在给风时的功率可以精确控制，风机距离实验台距离两米，在给风时用高精度风速采集仪6进行实际风速测量，收集实际给到实验板材表面的风速。保温板材13固定在墙体支撑板12上，其正前方架设有高清DV17，用于拍摄记录板材在燃烧时，在不同风速、不同角度、不同缝隙距离时燃烧的火焰高度、火焰方向、熔融滴落情况。在保温板材上面均匀分布热电偶阵列16，热电偶分布由实验板材由上到下等间距左右对称分布，用于测量燃烧不同时间、不停不同位置是的火焰温度变化。
测试时，开启所述高清DV17，开启所述辐射热流计19，随后利用所述电热丝点火器从构型的下部中央进行点火，并通过功率控制形成阴燃火；此时，所述高精度电子天平15将记录燃料燃烧的质量变化，所述高清DV17记录下所述构型迎风面与背风面的火焰物理图像，此外所述辐射热流计19可分别记录所述构型迎风面与背风面的火焰辐射强度，所述热电偶阵列16阵列则可以对燃烧过程中火焰及烟气羽流的温度进行全程记录。所述高精度电子天平15、辐射热流计与热电偶阵列16等测量信号均接入数据采集卡进行实时采集。

Claims (5)

1.一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，其特征在于：包括二个支撑架，每个支撑架中部钻孔并安装螺母，利用螺母将二个支撑板分别安装在二个支撑架中部，并在一支撑架中部配上量角器，通过旋转支撑板获得不同的墙体和幕墙构型，从而得到不同倾斜角度幕墙/墙体构型；其中一个支撑板竖直线上安装有大小相等、间距相等的固定长钉，用以固定保温板材，支撑板两侧穿有小孔，用以固定热电偶；另外一个支撑板安装幕墙板材；所述保温板材，放置在顶部或者底部可以实现逆流火蔓延和顺流火蔓延模拟场景；二个支撑架安装在底部的耐火石膏板上；耐火石膏板放置于高精度电子天平上，在二个支撑架侧方安装一台环境风送风装置，环境风送风装置出口处的均匀供风可以通过变频风机和整流段来实现，产生的风速流场流速可以通过风速仪来进行标定；二个支撑架另一侧一定距离处架设一台高清DV，用于记录所述保温板材燃烧过程中迎风侧及背风面的火焰变化形态及热熔滴落现象；同时在保温板材表面处布置均匀热电偶，用于测量气相火焰温度。
2.根据权利要求1所述的一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，其特征在于：所述旋转轴与支撑板相连接升起时与底座形成三角构型，保证的结构的稳定，旋转轴有足够的阻力保证了旋转的精确性、稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，其特征在于：所述变频风机的出风口尺寸需要足够大，以便涵盖各种所述构型中保温材料的垂直平面投影，使流场均匀包覆在所述构型周围。
4.根据权利要求1所述的一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，其特征在于：所述电子天平测量的是所述保温板材在引燃后，发生阴燃或明火燃烧过程中的质量变化。
5.根据权利要求1所述的一种可变环境风条件下建筑外幕墙/墙体耦合构型保温板材火蔓延特性测试装置，其特征在于：所述电子天平、风速仪、各个测点上布设的热电偶以及辐射热流计，其输出信号均接入数据采集卡，通过计算机软件进行远程实时数据采集与显示。
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