CN111175436B - 用于模拟沟槽火及灭火的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，包括底座、沟槽模型、采集装置、鼓风装置以及细水雾系统,在底座上安装有用于展示沟槽火灾害的沟槽模型、用于收集沟槽火发生及发展过程中实验数据的采集装置、用于模拟沟槽内空气流动的鼓风装置和用于扑灭沟槽火的细水雾系统。本发明即可以通过沟槽模型模拟沟槽火的燃烧蔓延过程，又可以通过烟气分析室重现沟槽上端燃烧室内的温度场及烟气流场的变化特点，还也可针对燃烧蔓延情况进行相应的灭火模拟实验，对于进行沟槽结构及相应火灾领域内的燃烧蔓延实验具有积极的作用。本发明功能齐全、安全可控，可重复模拟沟槽火蔓延及灭火实验。

Description

用于模拟沟槽火及灭火的实验装置

技术领域

本发明涉及火灾安全技术领域，特别涉及一种用于模拟沟槽火及灭火的实验装置。

背景技术

针对特定空间内的灾害事故，若采用全尺寸的实体模型进行实验研究，则存在一定的困难，而采用一定比例的模型试验模型来开展研究是一种必要、科学、经济而又切实可行的手段，现有的国内外大多数的模型实验系统平台都是基于尺度模拟技术，结合特定的需求而设计研制的。

随着经济的飞速发展和城市化进程的加快，地铁建设越来越普及。1987年，英国国王十字车站发生地铁火灾（木制自动扶梯着火），共造成了31人死亡，同时也将这种发生在特殊结构内的火灾（沟槽火）引入了研究学者的视野。所谓沟槽火即火焰在具有两侧挡板的受限空间内燃烧蔓延，特别在山谷地带发生的林火也可能受到类似“沟槽效应”的影响而产生不同的燃烧传播特性。由于两侧挡板的存在会减少燃烧过程中热量的散失，从而待热量积累到一定程度时导致燃烧蔓延速率加剧，以致产生严重的经济损失和人员伤亡。因此需要对沟槽火灾的蔓延过程进行分析，探究火焰传播的内在机理，分析影响沟槽火灾蔓延传播的关键影响参数，从而有针对性的提出相应的灭火方式，以降低其危害程度。

针对保温材料以及火灾场景的多样性，国内已有一些专家在实验室中开展了不同外界环境下火蔓延的实验研究。授权公告号为CN104849398B的中国专利公开了一种用于研究环境风条件下保温材料火蔓延的实验装置，其包括垂直运动组件、支撑平台、转动轴支座，样品转动轴、陶瓷纤维板、涡轮蜗杆减速机、转把等。该装置能够在多角度环境风条件下研究保温材料的火蔓延，并且能够控制风速的大小、风的方向、样品材料的摆放角度。申请公布号为CN110544423A的中国专利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。该模拟装置主要研究环境风作用下建筑屋顶（倒V形坡）上表面发生火灾时，屋顶角度对屋顶坡面上火焰从迎风坡向背风坡蔓延过程的变化特性。然而，目前针对在两侧挡板受限空间内燃烧蔓延的沟槽火研究非常少，并且尚无关于模拟沟槽火及灭火的实验装置。如何开发一种可以研究多种外界条件下沟槽火蔓延特性及灭火系统的实验装置已成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能够通过直观的实验现象来模拟可燃材料在沟槽两侧挡板不同高度、宽度、倾角及在不同强度环境风影响下的燃烧蔓延过程，可重现沟槽上端燃烧室内的温度场及烟气流场的变化特点，能针对燃烧蔓延情况进行相应灭火的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置。

本发明提供的这种用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，包括底座，在该底座上安装有用于展示沟槽火灾害的沟槽模型、用于收集沟槽火发生及发展过程中实验数据的采集装置、用于模拟沟槽内空气流动的鼓风装置和用于扑灭沟槽火的细水雾系统，

所述沟槽模型包括底板、连接在底板顶部轴向两端的防火玻璃挡板和钢制挡板、连接在底板底部纵向两端的伸缩杆、固定在防火玻璃挡板和钢制挡板间的燃料板，底板通过伸缩杆角度可调的倾斜安装在底座上并可在底座上沿底板轴向移动，所述底板由若干单板沿底板横向依次卡接而成，各单板由铰接连接于外侧两单板上的连杆组件进行水平限位，在位于外侧的两单板间连接有用于驱动各单板相互卡紧的拉伸弹簧；

所述采集装置包括烟气分析室、升降柱、辐射热流计、第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、支架和电子秤，电子秤间隔布置在底座下方，在电子秤台面上设有间隙贯穿底座的连接柱，伸缩杆与连接柱连接，电子秤通过连接柱与沟槽模型连接，用于采集燃料板在沟槽火发生及发展过程中的质量损失数据；支架滑动安装在底座上并可在底座上沿底板纵向移动；第三热电偶安装在钢制挡板上，第二热电偶通过升降杆高度可调的安装在底板正上方的支架上，辐射热流计安装在沟槽模型上方的支架上，升降柱滑动安装在底板上端侧的底座上并可在底座上沿底板纵向移动，烟气分析室安装在升降柱上，烟气分析室面向底板的一侧呈敞开状，烟气分析室顶部及前侧的挡板为透明玻璃挡板、后侧为钢挡板，第一热电偶安装在钢挡板上；

所述鼓风装置包括风机及与风机出风口连通的分流管，分流管倾斜布置在底板下端侧的底座上并可在底座上沿底板轴向移动，分流管的出风口垂直燃烧板布置，用于模拟沟槽内出现的不同强度纵向整流风；

所述细水雾系统包括喷雾头、水箱、压力源和压力讯号器，所述喷雾头安装于沟槽模型上部，并通过水管连接至水箱，所述压力源通过压力讯号器连接至水箱以排出水箱中的水至喷雾头。

为方便模拟不同深度的沟槽，所述防火玻璃挡板包括玻璃转接件和玻璃挡板主体，玻璃转接件整体呈凵形并连接在底板顶部，玻璃挡板主体插装在玻璃转接件上；所述钢制挡板包括钢转接件和钢挡板主体，钢转接件整体呈凵形并连接在底板顶部，钢挡板主体插装在钢转接件上。

为方便模拟沟槽两侧不同倾角的边坡，在各位于外侧的单板一端开有凹槽、一端焊接有固定套环，在凹槽内插装有与固定套环同轴布置的移动套环，在固定套环上开有一沿其轴向布置的定位槽，在玻璃转接件和钢转接件底部均焊接有与固定套环及移动套环插接的旋转轴，在与定位槽对应处的旋转轴上开有若干径向不重合的定位孔，玻璃转接件和钢转接件通过同轴贯穿定位槽及定位孔的插销倾角可调的安装在底板上。

为模拟同一沟槽内不同燃料板的燃烧高度，在玻璃转接件和钢转接件对应处由上至下设有多个平行布置的角码，燃料板通过角码高度可调的卡装在两防火挡板间。

为模拟不同材料的燃烧过程，所述燃料板为木制整体板。

为模拟不同材料的燃烧过程，所述燃料板由带孔钢板及均匀插装在其表面的木质圆杆组成。

在所述烟气分析室内安装有用于观察及研究烟气分析室顶部烟气层分布特性的片状激光器。

所述采集装置还包括面向沟槽模型底板上表面布置的热像仪。

所述采集装置还包括面向沟槽模型底板上表面布置的第一摄像机。

所述采集装置还包括布置在底座外并面向透明玻璃挡板安装的第二摄像机。

本发明通过调节沟槽两侧挡板不同高度、宽度、倾角、燃料类型、燃料板坡度以及不同强度环境风等因素模拟多种工况下沟槽火的燃烧蔓延过程；通过烟气分析室（模拟地铁站中的站厅层）内布置的片状激光器及热电偶研究沟槽上端腔室内烟气流场及温度场的分布变化特点；通过调节细水雾系统的压力控制器控制水雾流量，同时也可通过控制喷雾头的方向共同模拟沟槽火的灭火过程。本发明能以较低经济成本的方式重复模拟沟槽火蔓延及灭火实验，克服了全尺寸实验代价高昂及不够精确的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中沟槽模型与电子秤连接的结构示意图。

图3为本发明中沟槽模型的爆炸结构示意图。

图4为本发明中底板的结构示意图。

图5为图4中A向局部放大结构示意图。

图6为本发明中钢制挡板的结构示意图。

图7为本发明中部分采集装置和细水雾系统的安装结构示意图。

图8为本发明中烟气分析室的安装结构示意图。

图9为本发明中鼓风装置的安装结构示意图。

图10为本发明中燃料板的另一结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、底座；11、通槽；12、滑槽；

2、沟槽模型；21、底板；22、防火玻璃挡板；23、钢制挡板；24、伸缩杆；25、燃料板；26、角码；211、单板；212、连杆组件；213、拉伸弹簧；214、凹槽；215、固定套环；216、移动套环；217、定位槽；218、旋转轴；219、定位孔；221、玻璃转接件；222、玻璃挡板主体；231、钢转接件；232、钢挡板主体；

3、采集装置；31、烟气分析室；32、升降柱；33、辐射热流计；34、第一热电偶；35、第二热电偶；36、第三热电偶；37、支架；38、电子秤；39、热像仪；310、第一摄像机；311、透明玻璃挡板；312、钢挡板；313、片状激光器；314、第二摄像机；351、升降杆；381、连接柱；

4、鼓风装置；41、风机；42、分流管；

5、细水雾系统；51、喷雾头；52、水箱；53、安全阀；54、压力讯号器；55、启动瓶；56、氮气瓶。

具体实施方式

从图1可以看出，本发明这种用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，包括底座1、沟槽模型2、采集装置3、鼓风装置4和细水雾系统5，其中，底座1用于安装沟槽模型2、部分采集装置3、鼓风装置4和细水雾系统5，沟槽模型2用于展示沟槽火灾害发生及发展过程，采集装置3用于收集沟槽火发生及发展过程中相关的实验数据，鼓风装置4用于模拟沟槽内的空气流动，细水雾系统5用于扑灭沟槽火。

从图1至图6可以看出，本发明的沟槽模型2包括底板21、防火玻璃挡板22、钢制挡板23、伸缩杆24和燃料板25，其中

底板21由若干长条状的单板211沿底板21横向依次卡接而成，在位于外侧的两单板211底部间铰接有两组连杆组件212，每组连杆组件均由两铰接连接的单连杆组成，各单板211在连杆组件212的阻力作用实现水平限位，防止翘起变形；在位于外侧的两单板211间连接有用于驱动各单板211相互卡紧的拉伸弹簧213；在各位于外侧的单板211的外侧一端开有凹槽214、一端焊接有固定套环215，在凹槽214内插装有与固定套环215同轴布置的移动套环216，在固定套环215上开有一沿其轴向布置的定位槽217；

防火玻璃挡板22包括玻璃转接件221和玻璃挡板主体222，玻璃转接件221整体呈凵形，在玻璃转接件221竖直部的对立面上设有对应布置插槽，玻璃挡板主体222插装在玻璃转接件221的插槽内；钢制挡板23包括钢转接件231和钢挡板主体232，钢转接件231整体呈凵形，在钢转接件231竖直部的对立面上设有对应布置插槽，钢挡板主体232插装在钢转接件231的插槽内；在玻璃转接件221和钢转接件231底部均焊接有与固定套环215及移动套环216铰接连接的旋转轴218，在与定位槽217对应处的旋转轴218上开有若干径向不重合的定位孔219，玻璃转接件221和钢转接件231通过旋转轴218与固定套环215及移动套环216配合连接在底板21顶部轴向两端的单板211上；插销插装在同轴布置的定位槽217及一定位孔219内，控制玻璃转接件221和钢转接件231与底板21形成不同的夹角，从而模拟沟槽两侧不同倾角的边坡；

伸缩杆24两两一组的固定在位于外侧的两单板211底部并分居底板21底部纵向各端，伸缩杆24底部与底座1上沿底板21横向布置的直线导轨铰接连接，底板21通过伸缩杆24角度可调的倾斜安装在底座21上，伸缩杆24上的底板21可通过直线导轨在底座1上沿底板21轴向移动；

在玻璃转接件221和钢转接件231对应处由上至下设有多个平行布置的角码26，燃料板25通过对应的角码26高度可调的卡装在防火玻璃挡板22和钢制挡板23间，燃料板25采用木制整体板制成，该木制整体板燃烧后火焰前锋呈连续变化，从而实现连续介质燃料的模拟。

从图1、图6至图8可以看出，本发明的采集装置3包括烟气分析室31、升降柱32、辐射热流计33、第一热电偶34、第二热电偶35、第三热电偶36、支架37和电子秤38，电子秤38布置在底座1下方，电子秤38的台面与底座1上下间隔布置，在电子秤38的台面上设有若干连接柱381，在与连接柱381对应处的底座1上开有通槽11，各连接柱381间隙贯穿通槽11与铰接有伸缩杆24的直线导轨连接，电子秤38通过连接柱381与沟槽模型2连接，用于采集燃料板25在沟槽火发生及发展过程中的质量损失数据；

支架37通过沿底板21纵向布置在底座1上的滑槽12滑动安装在底座1上，支架37通过滑槽12在底座1上沿底板21纵向移动；

第三热电偶36安装在钢制挡板23上，用于实时监测沟槽模型2内温度场的变化；

第二热电偶35通过升降杆351高度可调的安装在底板21正上方的支架37上，用于实时监测火焰顶部温度场的变化；

辐射热流计33安装在沟槽模型2上方的支架37上，用于实时监测沟槽内辐射热流的变化；

升降柱32通过沿底板21纵向布置的直线导轨滑动安装在底板21上端侧的底座1上，升降柱32通过直线导轨在底座1上沿底板21纵向移动；

烟气分析室31安装在升降柱32上，烟气分析室31面向底板21的一侧呈敞开状，烟气分析室31顶部及前侧的挡板为透明玻璃挡板311、后侧为钢挡板312；

第一热电偶34安装在钢挡板312上，用于实时监测烟气分析室31内温度场的变化。

从图1和图9可以看出，本发明的鼓风装置4包括风机41及与风机41出风口连通的分流管42，风机41与分流管42均安装在底板21下端侧的底座1上，分流管42铰接连接在底座1沿底板21横向布置的直线导轨上并呈倾斜状，分流管42通过直线导轨在底座1上沿底板21轴向移动；分流管42的出风口呈栅格状并垂直燃烧板25布置，用于模拟沟槽内出现的不同强度纵向整流风。

从图1可以看出，本发明中的细水雾系统5与授权公告号CN 106908479 B中描述的相一致，包括喷雾头51、水箱52、压力源和压力讯号器54，喷雾头51安装在沟槽模型2上方的支架37上，并通过水管连接至水箱52；压力源是通过手动开启安全阀53、由压力讯号器54将信号传送至启动瓶55，由启动瓶55控制氮气瓶56内的高压氮气进入水箱52，从而将水箱52中的水压送至喷雾头51，产生细水雾对燃烧产生抑制作用，以用于灭火效果测试实验。

从图1和图8可以看出，在本发明的烟气分析室31内安装有用于观察及研究烟气分析室顶部烟气层分布特性的片状激光器313。

从图1可以看出，本发明的采集装置还包括热像仪39、第一摄像机310和第二摄像机314，热像仪39由试验人员手持沟槽模型2的底板21上表面照射，用于实时监测沟槽内整体温度分布状况；第一摄像机310通过三角架架设在底座1外并面向沟槽模型2的底板21上表面取景，用于记录沟槽火蔓延特点及拍摄沟槽火蔓延过程；第二摄像机314通过三角架架设在底座1外并面向透明玻璃挡板311取景，用于拍摄片状激光器313照射下直观呈现的烟气分析室31顶部烟气层的变化过程。

如图10所示，本发明中的燃料板25还可由带孔钢板及均匀插装在其表面的木质圆杆组成，木质圆杆在钢板上间隙布置，使燃烧后的火焰前锋呈跳跃变化，从而实现非连续介质燃料的模拟。

本发明的沟槽火模拟过程如下：

一、根据需要模拟的沟槽尺寸，调节各伸缩杆24的高度用于模拟沟槽的坡度，确定单板211拼装数量用于模拟沟槽底边宽度，选择玻璃挡板主体222和钢挡板主体232的高度用于模拟沟槽边坡高度，将插销固定在定位槽217及不同的定位孔219内，用于模拟沟槽边坡倾斜角度；

二、将第一热电偶34、第二热电偶35和第三热电偶36布置完成，并打开烟气分析室31上部的片状激光器313，准备观察烟气层变化特点；

三、根据实验要求，将不同材质的燃料板25固定在角码26上；

四、调整风机41功率，模拟设定的环境风，打开热像仪39、第一摄像机10和第二摄像机314，准备开始记录燃烧过程；

五、燃烧完成后打开细水雾系统5的喷雾头51，观察并记录沟槽火焰及温度场的变化情况。

在本发明中，辐射热流计33的型号为JTDL-4，热像仪39的型号为FORTRIC 600，片状激光器313采用连续式ED532-500半导体激光器，第一摄像机10和第二摄像机314均为SONY FDR-AXP35数码相机，第一热电偶34、第二热电偶35和第三热电偶36均为实验用K型热电偶。

Claims (10)

1.一种用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：包括底座（1），在该底座上安装有用于展示沟槽火灾害的沟槽模型（2）、用于收集沟槽火发生及发展过程中实验数据的采集装置（3）、用于模拟沟槽内空气流动的鼓风装置（4）和用于扑灭沟槽火的细水雾系统（5），

所述沟槽模型包括底板（21）、连接在底板顶部轴向两端的防火玻璃挡板（22）和钢制挡板（23）、连接在底板底部纵向两端的伸缩杆（24）、固定在防火玻璃挡板和钢制挡板间的燃料板（25），底板通过伸缩杆角度可调的倾斜安装在底座上并可在底座上沿底板轴向移动，所述底板由若干单板（211）沿底板横向依次卡接而成，各单板由铰接连接于外侧两单板上的连杆组件（212）进行水平限位，在位于外侧的两单板间连接有用于驱动各单板相互卡紧的拉伸弹簧（213）；

所述采集装置包括烟气分析室（31）、升降柱（32）、辐射热流计（33）、第一热电偶（34）、第二热电偶（35）、第三热电偶（36）、支架（37）和电子秤（38），电子秤间隔布置在底座下方，在电子秤台面上设有间隙贯穿底座的连接柱（381），伸缩杆与连接柱连接，电子秤通过连接柱与沟槽模型连接，用于采集燃料板在沟槽火发生及发展过程中的质量损失数据；支架滑动安装在底座上并可在底座上沿底板纵向移动；第三热电偶安装在钢制挡板上，第二热电偶通过升降杆（351）高度可调的安装在底板正上方的支架上，辐射热流计安装在沟槽模型上方的支架上，升降柱滑动安装在底板上端侧的底座上并可在底座上沿底板纵向移动，烟气分析室安装在升降柱上，烟气分析室面向底板的一侧呈敞开状，烟气分析室顶部及前侧的挡板为透明玻璃挡板（311）、后侧为钢挡板（312），第一热电偶安装在钢挡板上；

所述鼓风装置包括风机（41）及与风机出风口连通的分流管（42），分流管倾斜布置在底板下端侧的底座上并可在底座上沿底板轴向移动，分流管的出风口垂直燃烧板布置，用于模拟沟槽内出现的不同强度纵向整流风；

所述细水雾系统包括喷雾头（51）、水箱（52）、压力源和压力讯号器（54），所述喷雾头安装于沟槽模型上部，并通过水管连接至水箱，所述压力源通过压力讯号器连接至水箱以排出水箱中的水至喷雾头。

2.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：所述防火玻璃挡板包括玻璃转接件（221）和玻璃挡板主体（222），玻璃转接件整体呈凵形并连接在底板顶部，玻璃挡板主体插装在玻璃转接件上；所述钢制挡板包括钢转接件（231）和钢挡板主体（232），钢转接件整体呈凵形并连接在底板顶部，钢挡板主体插装在钢转接件上。

3.根据权利要求2所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：在各位于外侧的单板一端开有凹槽（214）、一端焊接有固定套环（215），在凹槽内插装有与固定套环同轴布置的移动套环（216），在固定套环上开有一沿其轴向布置的定位槽（217），在玻璃转接件和钢转接件底部均焊接有与固定套环及移动套环插接的旋转轴（218），在与定位槽对应处的旋转轴上开有若干径向不重合的定位孔（219），玻璃转接件和钢转接件通过同轴贯穿定位槽及定位孔的插销倾角可调的安装在底板上。

4.根据权利要求3所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：在玻璃转接件和钢转接件对应处由上至下设有多个平行布置的角码（26），燃料板通过角码高度可调的卡装在两防火挡板间。

5.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：所述燃料板为木制整体板。

6.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：所述燃料板由带孔钢板及均匀插装在其表面的木质圆杆组成。

7.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：在所述烟气分析室内安装有用于观察及研究烟气分析室顶部烟气层分布特性的片状激光器（313）。

8.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：所述采集装置还包括面向沟槽模型底板上表面布置的热像仪（39）。

9.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：所述采集装置还包括面向沟槽模型底板上表面布置的第一摄像机（310）。

10.根据权利要求1所述的用于模拟沟槽火及灭火的实验装置，其特征在于：所述采集装置还包括布置在底座外并面向透明玻璃挡板安装的第二摄像机（314）。

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