CN110567833A - 一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，包括测试平台、多个油盘、液面稳定装置和测量装置，油盘共有同一个圆心，且呈阵列排布在测试平台上组成油池，测试平台的耐火平台上开设有圆心的半径方向的滑槽，油盘设置在滑槽中，液面稳定装置包括虹吸管、储油罐和供油管道，油盘的底部通过供油管道与储油罐连通，供油管道上设置有阀门，储油罐内设置有虹吸管，虹吸管的顶端与大气连通，其末端与油盘中的液位等高，测量装置包括温度测量装置、热流通量测量装置、摄像装置和放置在储油罐下方的称重装置。可以改变油盘尺寸、间距以及燃料类型，能够实现油池火阵列的自动供油并维持液面高度，便于开展燃烧特征的系统测量研究。

Description

一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置

技术领域

本发明涉及油池火燃烧与火灾安全技术领域，尤其涉及一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置。

背景技术

油池火阵列燃烧常见于城市及工业火灾中，极可能引发火焰合并及火旋风等极端火行为，显著增加火灾危险性及复杂性。开展油池火阵列燃烧的实验研究，对于预防应对其火灾危害具有重要的科学及应用价值。

典型的油池火燃烧包括着火、发展、稳定及熄灭四个阶段，其中稳定阶段是多数研究关注的重点。在无燃料补充的情况下，油池火燃烧能否达到稳定阶段与燃烧速率紧密相关。在不同燃烧阶段，燃料液面高度的变化均会不同程度影响热量反馈及空气流动，进而影响燃烧速率等燃烧特征。特别是，液面高度的显著变化往往会影响燃烧的稳定性，增加测量的难度及不确定性。

针对以上问题，现有的油池火实验装置中广泛采用持续供油维持液面高度的方法。具体来说，通常是采用连通器将油盘和供油系统连接，并采用目测、热电偶测温或液位传感器等方法确定液面高度。这类装置的供油方式通常是手动或半自动的，能够一定程度维持单一油池火的稳定燃烧，但是对于油池火阵列存在一定局限性。

一方面，油池火阵列的燃烧进程依赖于油盘尺寸、油盘间距以及燃料类型。在火焰的相互作用下，这些影响因素会造成燃烧特征的复杂变化。现有装置尚未能对这些影响因素进行精确控制并开展系统实验，也难以兼顾不同尺度工况下的实验要求。另一方面，火焰相互作用会造成瞬时燃烧速率的复杂非线性变化，现有的供油装置尚未能实现自动按需补油，而过快过慢供油均会影响油池火燃料内部的热对流，或造成较大的局部液面高度波动，进一步增加燃烧的不稳定性及测量误差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，可以改变油盘尺寸、间距以及燃料类型，能够实现油池火阵列的自动供油并维持液面高度，便于开展燃烧特征的系统测量研究。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，包括测试平台、多个油盘、液面稳定装置和测量装置，其中，

所述油盘共有同一个圆心，且呈阵列排布在所述测试平台上组成油池，

所述测试平台包括耐火平台，所述耐火平台上开设有所述圆心的半径方向的滑槽，所述油盘设置在所述滑槽中，

所述液面稳定装置包括虹吸管、储油罐和供油管道，所述油盘的底部通过所述供油管道与所述储油罐连通，所述供油管道上设置有阀门，所述储油罐内设置有所述虹吸管，所述虹吸管的顶端与大气连通，其末端与所述油盘中的液位等高，

所述测量装置包括温度测量装置、热流通量测量装置、摄像装置和放置在所述储油罐下方的称重装置。

优选的，上述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置还包括燃料供给装置，所述燃料供给装置包括输油导管、燃料供给池和泵体，所述输油导管将所述储油罐和所述燃料供给池连通，所述泵体设置在所述输油导管上，

所述储油罐上设置有插入孔，所述插入孔设置有孔塞，打开所述孔塞后所述输油导管从所述插入孔插入。

优选的，上述耐火平台由钢化玻璃、防火板以及铝合金板由上至下按序铺设，所述钢化玻璃和所述防火板之间嵌入用于定位所述油盘的网格板。

优选的，上述滑槽中设置有滑槽堵块，所述滑槽堵块配合铝箔和防火泥将所述滑槽中的空隙密封填充。

优选的，上述供油管路包括金属管和橡胶管，所述金属管的一端与所述油盘的底部连通，其另一端通过所述橡胶管与所述储油罐连通。

优选的，上述油盘与所述金属管螺纹连接。

优选的，上述储油罐上设置有液位标尺。

优选的，上述供油管路上设置有单向阀。

优选的，上述称重装置为电子天平，所述温度测量装置为热电偶阵列，所述热流通量测量装置为热流计。

优选的，上述温度测量装置的金属丝设置在所述滑槽中，所述热流通量测量装置的导线包裹铝箔后从所述滑槽中穿过。

本发明提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，包括测试平台、多个油盘、液面稳定装置和测量装置，其中，所述油盘共有同一个圆心，且呈阵列排布在所述测试平台上组成油池，所述测试平台包括耐火平台，所述耐火平台上开设有所述圆心的半径方向的滑槽，所述油盘设置在所述滑槽中，所述液面稳定装置包括虹吸管、储油罐和供油管道，所述油盘的底部通过所述供油管道与所述储油罐连通，所述供油管道上设置有阀门，所述储油罐内设置有所述虹吸管，所述虹吸管的顶端与大气连通，其末端与所述油盘中的液位等高，所述测量装置包括温度测量装置、热流通量测量装置、摄像装置和放置在所述储油罐下方的称重装置。

本发明提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置：

(1)通过便捷的操作，可以同时实现油盘尺度、间距以及燃料类型对油池火阵列燃烧影响的实验研究，较为全面系统地模拟不同影响因素下的多尺度油池火阵列燃烧场景；

(2)基于虹吸管的静压平衡原理，结合本装置对于液面稳定系统的自主设计，可以实现不同尺度下的油池火阵列的稳定供油、液面维持和燃烧；在实验中，这些均是自动进行的，简化了人为操作，减小了随机误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的油盘和滑槽的配合结构示意图；

图3为本发明实施例提供的油盘的第一种具体实施方式结构示意图；

图4为本发明实施例提供的油盘的第二种具体实施方式结构示意图；

图5为本发明实施例提供的油盘的第三种具体实施方式结构示意图；

图6为本发明实施例提供的燃料供给装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的油盘的阵列的第一种具体实施方式结构示意图；

图8为本发明实施例提供的油盘的阵列的第二种具体实施方式结构示意图。

上图1-8中：

测试平台100、油盘101、金属管102、橡胶管103、滑槽104、网格板105、滑槽堵块106、摄像机107、热流计108、热电偶109、液体燃料200、虹吸管300、储油罐301、截止阀302、电子天平303、液位标尺304、橡胶管305、液体泵306、输油导管307、燃料供给池腔体308、液体燃料供给池309。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-图8，图1为本发明实施例提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的油盘和滑槽的配合结构示意图；图3为本发明实施例提供的油盘的第一种具体实施方式结构示意图；图4为本发明实施例提供的油盘的第二种具体实施方式结构示意图；图5为本发明实施例提供的油盘的第三种具体实施方式结构示意图；图6为本发明实施例提供的燃料供给装置的结构示意图；图7为本发明实施例提供的油盘的阵列的第一种具体实施方式结构示意图；图8为本发明实施例提供的油盘的阵列的第二种具体实施方式结构示意图。

本发明实施例提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，包括测试平台100、多个油盘101、液面稳定装置和测量装置，其中，油盘101共有同一个圆心，且呈阵列排布在测试平台100上组成油池，测试平台100包括耐火平台，耐火平台上开设有圆心的半径方向的滑槽104，油盘101设置在滑槽104中，液面稳定装置包括虹吸管300、储油罐301和供油管道，油盘101的底部通过供油管道与储油罐301连通，供油管道上设置有阀门，储油罐301内设置有虹吸管300，虹吸管300的顶端与大气连通，其末端与油盘101中的液位等高，测量装置包括温度测量装置、热流通量测量装置、摄像装置和放置在储油罐301下方的称重装置。

本发明实施例提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置：

(1)通过便捷的操作，可以同时实现油盘101尺度、间距以及燃料类型对油池火阵列燃烧影响的实验研究，较为全面系统地模拟不同影响因素下的多尺度油池火阵列燃烧场景；

(2)基于虹吸管300的静压平衡原理，结合本装置对于液面稳定系统的自主设计，可以实现不同尺度下的油池火阵列的稳定供油、液面维持和燃烧；在实验中，这些均是自动进行的，简化了人为操作，减小了随机误差。

为了进一步优化上述方案，上述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置还包括燃料供给装置，燃料供给装置包括输油导管307、燃料供给池309和泵体，泵体为液体泵306，输油导管307将储油罐301和燃料供给池309连通，泵体设置在输油导管307上，储油罐301上设置有插入孔，插入孔设置有孔塞，打开孔塞后输油导管307从插入孔插入。

为了进一步优化上述方案，耐火平台由钢化玻璃、防火板以及铝合金板由上至下按序铺设，钢化玻璃和防火板之间嵌入用于定位油盘的网格板105，滑槽104为耐火平台上预留空间，便于油盘101沿着中心向半径方向移动，油盘101之间的间距沿滑槽104调节并结合网格板105定位。

其中，滑槽104中设置有滑槽堵块106，滑槽堵块106配合铝箔和防火泥将滑槽104中的空隙密封填充。

为了进一步优化上述方案，供油管路包括金属管102和橡胶管103，金属管102的一端与油盘101的底部连通，其另一端通过橡胶管103与储油罐301连通。具体的，供油回路由金属软管及橡胶软管构成，其中金属软管与油盘阵列和橡胶软管连接；橡胶软管采用耐化学腐蚀材质，中间设置单向阀。

油盘101与金属管102螺纹连接，不同尺寸形状油盘101可以拆卸更换。储油罐301上设置有液位标尺304。供油管路上设置有单向阀。温度测量装置的金属丝设置在滑槽104中，热流通量测量装置的导线包裹铝箔后从滑槽104中穿过。

为了进一步优化上述方案，称重装置为电子天平303，温度测量装置为热电偶109阵列，热流通量测量装置为热流计108，摄像装置可以为摄像机107。电子天平303置于储油罐301以下，记录其向油盘阵列供应燃料的瞬时质量。

测量装置可精确测量油池火燃烧速率、温度、热流通量以及火焰轮廓：

其中燃烧速率由液面稳定装置的电子天平303记录；温度由热电偶109阵列测量，为协助固定并减少对火焰流场的影响，可在测试平台滑槽104中安插一条硬质的粗金属丝；热流通量可采用热流计108测量，其导线包裹铝箔可从滑槽104穿过避免接触明火；火焰轮廓可由摄像机107拍摄的视频图像处理获得。

在具体实施时：

如图1所示，本实验用的测试平台100的尺寸为5m长×5m宽×1m高，将9个完全相同(直径20cm，高3cm)的不锈钢圆形的油盘101按照两圈阵列布置，其中外围八个油盘101构成正八边形以尽可能接近圆形。将油盘101底部的螺纹与测试平台底部的金属管102密封连接，后者进一步与橡胶管103相连。本实验中研究了油盘101间距从20cm至140cm范围变化的影响，为此，将油盘101沿着滑槽104移动并结合网格板105定位至预设的油盘间距处，滑槽104的剩余空间用滑槽堵块106配合铝箔和防火泥等密封，如图2所示。之后，确定较好的拍摄角度架设摄像装置，即摄像机107，并将热流计108和呈阵列的热电偶109固定。此后，可以开始向油盘101中自动注入液体燃料110。

如图3、图4和图5所示，油盘101可以具有各种不同的形状，例如为圆形油盘、正方形油盘和长方形油盘，其中本实验中选取圆形油盘作为实施例。对于其他形状油盘，可以在测试平台100中根据实验需要进行更换，只需将油盘101的底部与金属管102的螺纹旋转松动即可。

在固定油盘阵列后，进一步确定预设的燃料液面高度并开展实验。虹吸管300为透明材质，将虹吸管300插入装满燃料的储油罐301，此时除了虹吸管300顶部以外，储油罐301是密封的。如图6所示，燃料供给装置根据需要在实验前后用油泵向液面稳定装置补充燃料，实验过程中储油罐301的顶部的孔塞密封。供油管道上设置的阀门为截止阀302，打开截止阀302，则储油罐301开始向油盘101输送燃料，直至油盘101和储油罐301液位等高达到静压平衡。打开电子天平303，储油罐301和虹吸管300的液位高度可由液位标尺304确定，储油罐301的液位可观察液位标尺304确定。

完成以上准备并布设热电偶109和热流计108等测量仪器后，开始点火。油盘101的燃料液位会因为燃烧消耗而下降，这将与储油罐301内的燃料形成液位差进而产生静压差。由于储油罐301其他地方是密封的，压差会从虹吸管抽吸外界空气进入。进入空气将会挤压储油罐301的罐体燃料上层空气并产生气压，驱使罐体内的燃料从截止阀302流向油盘101，直至油盘101的液位与储油罐301重新等高达到静压平衡。这一过程是自动进行的，静压差是燃料流动的驱动力。显然，当虹吸管300的管径适当时，燃烧速率(燃料消耗速率)与供油(补油)速率是自动匹配的，管径视储油罐301的容量而定。在本实施例中，使用的储油罐体直径为15cm，高度为100cm，对应的虹吸管300直径为1cm。

在完成燃烧进程及测量后，可以关闭储油罐301的截止阀302，供油停止，油盘101内剩余燃料会燃尽。在充分冷却后，可以着手准备下一组实验。实验开始前，打开储油罐301的顶部的孔塞，将输油导管307的插入端插入，输油导管307的插入段为橡胶管305，并将与液体泵306连通的输油导管307插入燃料供给池309中的燃料供给池腔体308，打开液体泵306的开关并从液体燃料供给池309抽取燃料补充储油罐301，之后撤掉橡胶管305及液体泵306，并将储油罐301的顶部的孔塞关闭。随后可以重复前述的实验过程。

如图7和图8所示，油盘101呈阵列为两圈及三圈圆形阵列示意图，其中本实验中选取两圈阵列作为实施例。对于三圈及更多油盘构成的阵列，可以在测试平台100中根据实验需要进行添加，相应的储油罐301及供油管路也可更换或添加，实验操作过程是类似的。

本发明实施例提供的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，主要包括测试平台100、油盘101阵列、液面稳定装置、燃料供给装置、供油回路以及测量装置。测试平台100包括耐火平台、网格板105、滑槽104以及滑槽堵块106，可准确调控油盘101阵列位置。油盘101尺寸形状可调，底部开孔与供油管采用螺纹密封连接。液面稳定装置包括储油罐301、虹吸管300、截止阀302、液位标尺304以及电子天平303，可为油盘101稳定供油并维持液位高度。燃料供给装置可向液面稳定装置持续供油。供油回路可耐高温及化学腐蚀。测量装置可精确测量油池火燃烧速率、温度、热流通量以及火焰轮廓。本发明可维持不同尺度的圆形油池火阵列的稳定燃烧，并用于其燃烧特征规律的测量研究，操作简便，实验稳定性和可重复性高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，包括测试平台、多个油盘、液面稳定装置和测量装置，其中，

所述油盘共有同一个圆心，且呈阵列排布在所述测试平台上组成油池，

所述测试平台包括耐火平台，所述耐火平台上开设有所述圆心的半径方向的滑槽，所述油盘设置在所述滑槽中，

所述液面稳定装置包括虹吸管、储油罐和供油管道，所述油盘的底部通过所述供油管道与所述储油罐连通，所述供油管道上设置有阀门，所述储油罐内设置有所述虹吸管，所述虹吸管的顶端与大气连通，其末端与所述油盘中的液位等高，

所述测量装置包括温度测量装置、热流通量测量装置、摄像装置和放置在所述储油罐下方的称重装置。

2.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，还包括燃料供给装置，所述燃料供给装置包括输油导管、燃料供给池和泵体，所述输油导管将所述储油罐和所述燃料供给池连通，所述泵体设置在所述输油导管上，

所述储油罐上设置有插入孔，所述插入孔设置有孔塞，打开所述孔塞后所述输油导管从所述插入孔插入。

3.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述耐火平台由钢化玻璃、防火板以及铝合金板由上至下按序铺设，所述钢化玻璃和所述防火板之间嵌入用于定位所述油盘的网格板。

4.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述滑槽中设置有滑槽堵块，所述滑槽堵块配合铝箔和防火泥将所述滑槽中的空隙密封填充。

5.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述供油管路包括金属管和橡胶管，所述金属管的一端与所述油盘的底部连通，其另一端通过所述橡胶管与所述储油罐连通。

6.根据权利要求5所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述油盘与所述金属管螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述储油罐上设置有液位标尺。

8.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述供油管路上设置有单向阀。

9.根据权利要求1所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述称重装置为电子天平，所述温度测量装置为热电偶阵列，所述热流通量测量装置为热流计。

10.根据权利要求9所述的可维持稳定燃烧的多尺度圆形油池火阵列实验装置，其特征在于，所述温度测量装置的金属丝设置在所述滑槽中，所述热流通量测量装置的导线包裹铝箔后从所述滑槽中穿过。