CN110544423A - 一种环境风作用下典型建筑倒v形坡屋顶火蔓延实验模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，包括供风系统、倒V形坡屋顶模拟实验台和数据采集处理系统。本实验模拟装置是专门针对环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶上表面发生火灾时屋顶角度对屋顶坡面上火焰形态、火焰蔓延速度、火焰热流分布以及火焰从迎风坡向背风坡蔓延判据的影响进行全面系统研究的小尺寸试验台。对于开展实际典型坡屋顶建筑火灾危险性的研究有重要的科学和应用价值，对优化坡屋顶建筑设计以降低其火灾危险性具有指导意义。
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环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，用于对水平风强迫对流作用下的典型建筑坡屋顶表面的火灾蔓延行为的研究。
背景技术
我国是多民族国家，少数民族村寨密集并且其中存在大量木质结构建筑。这些建筑在建造时往往缺乏必要的消防规划和消防分隔措施，具有极大的火灾安全隐患。一旦起火，火势将迅速从建筑内向建筑外蔓延，在浮力自然对流的作用下，火势沿建筑外墙迅速向屋顶蔓延，在环境风的强迫对流作用下，迅速沿着火屋顶向未燃建筑的屋顶蔓延，这对于村寨之间往往是相连建造的木质结构建筑而言，一旦起火，火势将迅速蔓延。
环境风事实上是现实火灾中的重要边界条件，2013年丽江古城火灾，起火建筑为砖木结构民房，火灾发生后，火借风势迅速蔓延，过火面积2200多平方米；2014年云南香格里拉独克宗古城火灾，由于建筑物多为木质，火借风势蔓延十余小时，受灾面积4万平方米，导致了343栋木质结构房屋被焚毁。这不仅严重破坏了独克宗的独特历史风貌，也造成了1亿多元人民币的经济损失。贵州、广西、湖南等地近年的古村落建筑来也频发火灾，造成了巨大的人员伤亡和经济损失。
坡度也是影响火灾蔓延行为的重要因素。现有研究主要集中在，坡度对表面固体火蔓延的影响——坡度对火焰蔓延过程中热解区域及预热区长度影响很大，顺流火焰蔓延的火焰长度随放置角度增加先略减小后逐渐增加，关于火焰从迎风坡向背风坡的蔓延，目前的研究还极为有限。倒V形坡屋顶在民族村寨中十分常见，发生火灾后，在环境风的作用下，火焰通过建筑屋顶迎风坡向建筑屋顶背风坡进而向相邻建筑蔓延时，坡屋顶上方固体可燃物的火焰燃烧行为将对整体火蔓延造成极大地影响。
然而，由于相关的研究还极为有限，现有研究的实验数据结果和数值模拟结果还不能充分揭示环境风作用下典型建筑坡屋顶火蔓延的火灾行为规律与主控机制，更重要的是，全尺寸建筑火灾实验需要调动大量的人力物力财力，并且真实的实验条件难以控制、实验不易展开。所以，开展满足相似性理论的小尺寸实验研究，能更好地揭示环境风作用下典型建筑倒V坡屋顶火蔓延行为与其主控机制。同时，小尺寸实验具有易操控性、良好的可再现性以及测量结果的可信度高等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，为了能够在实验室尺度下充分研究环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶上表面发生火灾时屋顶角度对屋顶坡面上方火焰形态、火焰蔓延速度、火焰热流分布以及火焰从迎风坡向背风坡蔓延判据的影响
本发明采取以下技术方案：一种环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，包括供风系统、倒V形坡屋顶模拟实验台和数据采集处理系统，其中：
所述供风系统，包括设置在坡屋顶模拟实验台一侧的风墙装置，风墙装置内部一侧固定有多阵列整流稳流管，用于提供均匀风流；
所述倒V形坡屋顶模拟实验台，包括构成小尺寸坡屋顶的两侧带有包边的矩形钢板槽，包边可以减少侧边卷吸带来的影响，槽内放置用于燃烧的固体燃料。矩形钢板槽底部设有热电偶矩阵预留孔，用于放置及固定用于测定固体燃料内部及表面温度的热电偶矩阵，在矩形钢板槽的侧面则两侧包边靠近倒V形坡屋顶顶部区域预留了用于安装热流计的孔洞。矩形钢板槽下方四个角上设置了矩形支撑底座，支撑底座放置在下方升降台装置的上表面凹槽导轨里，通过调节左右两侧支撑底座的水平相对位置，可以调节并固定用于固定不同工况下倒V形坡屋顶所需的不同倾斜角度。支撑底座放置在下方升降台装置的上表面凹槽导轨里。下方升降台可以调节高度，以确保在不同角度的工况下，坡屋顶试验台的迎风坡与背风坡高度相对于风墙装置都维持在同一竖直高度。
其中，所述倒V形坡屋顶模拟实验台是以不锈钢为材质。
其中，为研究不同坡屋顶角度的工况，所述坡屋顶模拟实验台的两侧矩形钢板槽的倾斜角度可调节，通过调节矩形钢板槽底部升降台的高度，可以保持倒V形坡屋顶模拟实验台在竖直方向的高度处于供风系统风墙装置截面的正中心，维持稳定的供风风速值。
其中，所述坡屋顶模拟实验台中用于模拟坡屋顶的两侧矩形钢板槽与底部用于固定坡屋顶角度的矩形钢条通过螺栓连接固定；模拟坡屋顶下方升降平台的矩形钢板与长条角钢通过螺栓连接固定。
其中，为研究不同材质屋顶固体燃料的工况，两侧矩形钢板槽上方放置的固体燃料类型可根据工况要求更换不同类型的固体燃料。
其中，所述钢制热电偶支架放置在模拟坡屋顶的两侧矩形钢板槽的下方。
其中，为研究不同环境风速下的工况，所述风机设置调速阀门，风速可调节。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
(1)本发明装置为可拆卸结构，矩形钢板槽下方四个角上设置了矩形支撑底座，支撑底座放置在下方升降台装置的上表面凹槽导轨里，通过调节左右两侧支撑底座的水平相对位置，可以调节并固定成不同倾斜角度，满足不同工况的工况需求，可以研究环境风作用下不同坡屋顶角度条件对坡屋顶表面的火焰蔓延行为的影响；
(2)通过调节由矩形钢板与长条角钢组成的升降平台，可以保证坡屋顶模拟装置在不同角度的工况下都处于风机隧道中的同一水平高度，保持水平强制对流相同的湍流度；
(3)本发明在风机上设置调速阀门，可以实现较小风速间隔工况的调节，研究在不同环境风速强迫对流作用下的典型建筑坡屋顶上表面的火焰蔓延行为；
(4)本发明实验过程可控制，实验台操作方便，供风系统使用灵活；小尺寸试验台既保证了实验的可重复性，又克服了全尺寸实验代价高昂和数值模拟工具不够精确的特点，能以较为经济的方式提供与计算机模拟方法相比更精确的实验结果。
附图说明
图1为本发明所述采用环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置的整体结构示意图；图中：1.风墙装置外壳；2.整流稳定段；3.风速测速仪；4.坡屋顶模拟实验台；
图2为环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置中坡屋顶模拟实验台的整体结构示意图；图中：5.底部升降台；6.热流计；7.变角度螺栓；8.热电偶；9.斜坡凹槽；10.固定螺栓；11.变角度轨道槽；12.升降台固定底座；13.方形底座；
图3为本发明所述采用环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置中坡屋顶模拟实验台的底部视图；图中：14.热流计排布框架；15.热电偶阵列框架；
图4为本发明所述采用环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置中风墙部分的中心剖面图；图中：16.风机；17.整流管。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步地说明。
参见图1，本实施例中环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，包括供风系统、倒V形坡屋顶模拟实验台和数据采集处理系统。整个实验模拟装置如图1放置，从左到右分别是供风系统、风速测速仪3和坡屋顶模拟实验台4。一台摄像机架设在坡屋顶模拟实验台的正前方，且正对实验台水平正中的位置，竖直高度与用于固定坡屋顶角度的矩形钢条的位置齐平，用于拍摄记录典型坡屋顶上表面的火焰蔓延行为。另一台摄像机架设在坡屋顶模拟实验台的右侧，且正对背风向斜坡的水平正中的位置，竖直高度与斜坡顶点保持一致，用于拍摄记录典型坡屋顶上表面背风坡的火焰前锋的蔓延行为。供风系统包括风墙装置外壳1、整流稳定段2、风机16与整流管17。
参见图2，坡屋顶模拟实验台整体由不锈钢板组件构成。用于模拟坡屋顶的两侧矩形钢板槽(即斜坡凹槽9)通过变角度螺栓7互相连接，斜坡凹槽9与底部用于固定坡屋顶角度的方形底座13通过固定螺栓10连接，方形底座13可在升降台上表面变角度轨道槽11内滑动，通过调节方形底座13左右两侧的相对水平位置，可以形成不同的倒V形坡屋顶斜坡角度。斜坡凹槽9上方放置不同的固体燃料，基于水平固定位置的不同改变坡屋顶角度，用于研究环境风作用下不同坡屋顶角度对典型坡屋顶建筑上表面固体火蔓延行为的影响。实验台下方为矩形钢板与长条角钢组成的底部升降台5，底部升降台5下方放置电子天平，用于实时显示并记录坡屋顶模拟实验台上固体燃料的剩余质量。在斜坡凹槽9的底面上分布着热电偶8，斜坡凹槽9的坡顶侧面分布着热流计6，热电偶8与热流计6都通过螺栓与斜坡凹槽9相连接。
参见图3，热电偶阵列框架15从斜坡凹槽9的最高处到斜坡凹槽9的最低处以相同间距布置在斜坡凹槽9的底板上，通过螺栓进行固定。热流计排布框架14在斜坡凹槽9的最高处，以相同间距布置在斜坡凹槽9的侧面，通过螺栓进行固定。
参见图4，风机16被设置在风墙装置外壳1的内部左侧，风墙装置外壳1的内部右侧为整流稳定段2，风机16产生的气流通过整流稳定段2，提供持续稳定的风速。
在进行环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验时，首先，先调整实验台的斜坡角度并固定，将实验台正面及背面的温度测量系统布置好，并布置好实验台侧面的热流测量系统。将实验选用的固体燃料铺设在实验台斜坡凹槽处，凹槽底板上的热电偶穿过固体燃料底部，插在固体燃料的厚度中心，并固定热电偶。调节摄像机位置与拍摄参数。开启风机，逐步调节至实验频率。使用外部气体火源均匀点燃固体燃料的底部，点火的同时打开数据测量采集系统，开始采集相关实验数据，摄像机记录火焰蔓延过程以及火焰形态变化情况。通过调节风机频率与风向控制装置即可研究不同风向、风速的环境风作用下典型建筑坡屋顶火蔓延现象与主控机理，通过调节不同倾斜角度与固体燃料种类即可研究建筑屋顶角度与屋顶建筑材料类型对火蔓延的影响。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (7)
1.一种环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：所述的实验模拟装置包括：供风系统、倒V形坡屋顶模拟实验台以及数据采集处理系统；所述供风系统，包括设置在倒V形坡屋顶模拟实验台一侧的风墙装置，风墙装置外壳内部左侧为风机，右侧固定有多阵列整流稳流管，用于提供均匀风流；所述倒V形坡屋顶模拟实验台，包括构成小尺寸坡屋顶的两侧带有包边的矩形钢板槽，包边可以减少侧边卷吸带来的影响，槽内放置用于燃烧的固体燃料；矩形钢板槽设有热电偶矩阵预留孔，用于放置及固定测定固体燃料内部及表面温度的热电偶矩阵，在矩形钢板槽的两侧包边靠近倒V形坡屋顶顶部区域预留了用于安装热流计的孔洞；矩形钢板槽下方四个角上设置了矩形支撑底座，支撑底座放置在下方升降台装置的上表面凹槽导轨里，通过调节左右两侧支撑底座的水平相对位置，可以调节并固定不同工况下倒V形坡屋顶所需的不同倾斜角度；下方升降台可以调节下尺寸坡屋顶高度，以确保在不同角度的工况下，坡屋顶试验台的迎风坡与背风坡高度相对于风墙装置维持在同一竖直高度；所述数据采集处理系统包括温度测量系统、风速测量系统、热流测量系统及图像采集系统，其中：所述温度测量系统是在坡屋顶模拟实验台矩形钢板槽下方设置的热电偶矩阵；所述风速测量系统是在所述供风系统与所述坡屋顶模拟实验台之间设置的横向风速度一组测点，共计三个测点，测点位于所述供风系统风机隧道的水平正中位置，三个测点沿风机隧道竖直方向均匀放置；所述热流测量系统是在所述倒V形坡屋顶模拟实验台矩形钢板槽的两侧包边靠近倒V形坡屋顶顶部区域设置的辐射热流计与总热流计；所述图像采集系统是在坡屋顶模拟实验台的正面与右侧各架设一台摄像机，用于实时记录两侧矩形钢板槽内放置的固体燃料上方的侧面火焰行为与右侧矩形钢板槽内放置的固体燃料上方的正面火焰行为。
2.根据权利要求1所述的环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：所述坡屋顶模拟实验台是以不锈钢为材质。
3.根据权利要求1所述的环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：为研究不同坡屋顶角度的工况，所述倒V形坡屋顶模拟实验台的两侧矩形钢板槽的倾斜角度可调节，通过调节矩形钢板槽底部升降台的高度，可以保持倒V形坡屋顶模拟实验台在竖直方向的高度处于供风系统风墙装置截面的正中心，维持稳定的供风风速值。
4.根据权利要求1所述的环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：所述倒V形坡屋顶模拟实验台中用于模拟坡屋顶的两侧矩形钢板槽与底部用于固定坡屋顶角度的矩形底座通过螺栓连接固定；模拟坡屋顶下方升降平台的矩形钢板平台与矩形底座通过螺栓连接固定。
5.根据权利要求1所述的环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：为研究不同材质屋顶固体燃料的工况，两侧矩形钢板槽上方放置的固体燃料类型可根据工况要求更换不同类型的固体燃料。
6.根据权利要求1所述的环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：所述钢制热电偶矩阵预留孔洞设置在模拟坡屋顶的两侧矩形钢板槽的下方，所述钢制热流计预留孔洞设置在模拟坡屋顶的两侧矩形钢板槽顶部的侧面。
7.根据权利要求1所述的环境风作用下典型建筑倒V形坡屋顶火蔓延实验模拟装置，其特征在于：所述风机设置调速阀门，风速可调节。
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