CN112345589A - 一种燃气爆燃实验模拟平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气爆燃实验模拟平台，包括居民住宅试验平台、以及与计算机连接的浓度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、摄像装置；居民住宅试验平台内设有卧室、卫生间、客厅和厨房功能区，布设有家具和厨具，用于还原居民住宅发生燃气爆燃事故前屋内物品摆放、家电使用情况以及门窗状态对燃气爆燃有影响的关键因素的初始状态。本发明可实现燃气爆燃事故的模拟重现，还原燃气爆燃事故发生过程中压力、温度、破坏痕迹等变化，为燃气爆燃事故的现场勘验提供技术支撑；同时也可以对居民建筑结构中燃气爆燃过程对建筑结构造成的破坏和损伤进行测量，为居民建筑结构的防爆、抗爆、减爆设计提供参考依据。

Description

一种燃气爆燃实验模拟平台
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，更具体的说是涉及一种燃气爆燃实验模拟平台。
背景技术
随着燃气的普及和燃气设备的老化、燃气使用不规范等因素的影响，燃气爆燃事故频发。燃气爆燃事故具有突发性和强破坏性的特点，对人的生命财产安全产生巨大的威胁。燃气爆燃事故发生后，如何准确的确认燃气泄漏的位置、燃气爆燃时的引爆源以及燃气泄漏的体积，对预防类似燃气事故的发生具有重要意义。同时，研究居民燃气事故现场中房屋结构破坏的痕迹、规律等，对建筑结构的防爆、抗爆设计也具有重大价值。
现有的关于燃气爆燃的测试主要通过实验室中的仪器设备研究燃气爆燃过程中所需的点火能量的大小、爆炸极限范围、点火能的不同形式等，以及研究燃气爆炸时压力波和火焰波的作用规律等。建筑结构的测试也集中在建筑单体结构(如梁、单面剪力墙等)的抗爆性能测试。国内目前没有在大尺寸实验平台内对燃气爆燃的规律、建筑结构的性能进行实验研究的平台，现有的关于大尺寸空间内燃气爆燃过程的研究通常通过计算机软件模拟的方式，无法还原客观真实的燃气爆燃事故情况，无法客观真实的从大尺寸的空间内体现燃气爆燃的规律特征以用于实际燃气爆燃事故的勘验和建筑防爆抗爆结构的设计。
因此，如何提供一种大尺寸燃气爆燃实验平台是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决上述至少一个技术问题提供了一种燃气爆燃实验模拟平台。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种燃气爆燃实验模拟平台，包括：居民住宅试验平台、浓度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、摄像装置和计算机，所述浓度传感器、所述温度传感器、所述压力传感器、所述位移传感器和所述摄像装置均与所述计算机无线连接；
所述居民住宅试验平台内设有卧室、卫生间、客厅和厨房功能区，布设有家具和厨具，用于还原居民住宅发生燃气爆燃事故前屋内物品摆放、家电使用情况以及门窗状态对燃气爆燃有影响的关键因素的初始状态；
所述浓度传感器布设于厨房和客厅内，用于测试燃气泄漏过程中空间内甲烷浓度场的分布变化；
所述温度传感器布设于厨房燃气泄漏点、厨房壁面、客厅高位壁面、客厅中位壁面、卫生间壁面和卧室壁面，用于采集燃气爆炸过程中的温度数据；
所述压力传感器布设于厨房顶板、卧室顶板、客厅墙壁和厨房墙壁，用于采集爆炸过程中压力的变化；
所述位移传感器布设于房顶板和剪力墙位置，用于测试爆炸过程中墙体和顶板的位移形变；
所述摄像装置布设于平台空间内不同位置，用于燃气爆燃过程前后的影像记录；
所述计算机用于存储和分析各种数据。
优选的，所述居民住宅试验平台至少为一层结构，每层平台的长、宽、高尺寸分别为6～8m、3～6m、2～4m。
优选的，还包括移动机器人，用于采集厨房内采样点甲烷浓度。
优选的，所述摄像装置包括无线摄像机和高速摄像机；
所述无线摄像机布设于厨房、客厅和卧室内，实现燃气爆燃过程前后的影像记录；
所述高速摄像机布设于泄压通道远端，用于记录燃气爆燃过程中压力在泄压口突破后的变化规律。
优选的，所述浓度传感器设置为5个，分别在厨房布置一个，用于实时监测厨房甲烷浓度变化；在客厅内且离厨房最前端不同高度布设三个，用于研究甲烷气体在垂直梯度上的传播特性以及甲烷气体传播到客厅所需时间；在客厅内且离厨房最远端布设一个，用于研究甲烷气体传播到客厅最远处所需时间。
优选的，厨房布设的浓度传感器、在客厅内离厨房最前端不同高度布设的其中一个浓度传感器以及在客厅内且离厨房最远端布设的浓度传感器，位于同一高度。
优选的，所述居民住宅试验平台上布设有泄压窗，用于记录燃气爆燃泄压时的过程。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种燃气爆燃实验模拟平台，可实现燃气爆燃事故的模拟重现，还原燃气爆燃事故发生过程中压力、温度、破坏痕迹等变化，为燃气爆燃事故的现场勘验提供技术支撑；同时也可以对居民建筑结构中燃气爆燃过程对建筑结构造成的破坏和损伤进行测量，为居民建筑结构的防爆、抗爆、减爆设计提供参考依据。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为燃气爆燃实验模拟平台原理框图。
图2为实施例移动机器人采样轨迹。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例公开了一种燃气爆燃实验模拟平台，包括：居民住宅试验平台、浓度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、摄像装置和计算机。
平台依据居民住宅结构，内设有卧室、卫生间、客厅和厨房等功能区，屋内真实布有床、沙发、桌、椅等家具和厨具、电器等物品，可真实还原居民住宅发生燃气爆燃事故前屋内物品摆放、家电使用情况以及门窗状态等对燃气爆燃有影响的关键因素的初始状态。
居民住宅试验平台至少为一层结构，每层平台的长、宽、高尺寸分别为6～8m、3～6m、2～4m，是目前国内现有的最大的钢筋混凝土结构的燃气爆燃实验平台。长侧主要采用钢筋混凝土设计，可以防止燃气爆燃过程中的爆炸冲击对四周设备和操作人员的危害。平台宽侧有泄压窗，可记录燃气爆燃泄压时的过程。平台内部采用当层砖砌结构作为隔断，可还原建筑结构受爆炸冲击时内部损伤毁坏的痕迹。
压力传感器主要布设于厨房顶板、卧室顶板、客厅墙壁和厨房墙壁，主要用于采集爆炸过程中压力的变化。爆炸过程中，压力是对建筑结构和空间内人造成损害的重要因素之一，根据不同位置传感器压力的不同，可以推断爆炸过程中压力的传播路径和压力的传播规律。通过研究压力的变化规律，可以为爆炸事故现场中结构破坏痕迹的识别提供依据；同时，根据燃气爆炸的压力传播规律，还可为建筑结构的防爆设计提供重要的参考；也可为燃气爆炸事故中人员活动轨迹与人员损害严重程度之间的关系构建相互联系。
更具体的，压力传感器采用快速响应的水冷型压力传感器，采样频率可高达1MHz，压力传感器使用水冷设计，可减少高温对压力传感器采集数据准确性的影响。
温度传感器主要布设于厨房燃气泄漏点、厨房壁面、客厅高位壁面、客厅中位壁面、卫生间壁面和卧室壁面的位置。温度传感器主要布设在人员可能活动的区域，采集燃气爆炸过程中的高温温度数据。燃气爆炸过程中，高温对人的皮肤、呼吸道等部位的烧伤是导致事故中人员死亡的主要原因。通过温度数据的采集和分析，可以推断爆炸空间中的温度分布，根据事故中人的受伤程度，可推断人员的活动区域；同时，掌握爆炸时空间内温度场的变化规律，可为人们在易燃易爆环境中规避爆炸高温损伤提供指导，对人员自我保护有重要意义。
更具体的，温度传感器采用快速响应的热电偶，设计采样频率为1kHz，实现燃气爆燃过程中高温场分布数据的采集。
位移传感器主要布设于楼房顶板和剪力墙的位置，主要用于测试爆炸发生过程中墙体和顶板的位移形变。通过墙体不同部位位移形变的变化，可以分析研究空间内不同墙体结构受压发生形变的规律，也可分析不同结构的建筑受爆炸压力影响时发生形变的规律，可为爆炸事故现场破坏痕迹的形成提供依据，也可为建筑的防爆、抗爆提供参考。
浓度传感器主要用于测试燃气泄漏过程中空间内浓度场的分布变化，优选的，采用固定传感器与移动机器人浓度采集相结合的方式进行浓度数据的采集。
在本实施例中，移动机器人采样点：在厨房设置了4个采样点，机器人按从1号位到4号位的移动轨迹在厨房内循环移动(机器人移动轨迹和采样点位置详见图2)，并在每个采样点处采样10s，采集0.5m、0.8m、1.3m三个高度处的甲烷浓度，如表1所示：
表1机器人采样坐标
Figure BDA0002807658510000051
本实施例具体说明了移动机器人采样点坐标，但并不对此做具体限制，同时移动机器人的移动应尽量减小对空间内可燃气体气体的扰动。
在本实施例中，在厨房和客厅共放置了五个甲烷浓度传感器。为了研究甲烷气体传播的特性以及了解不同高度达到爆炸极限的时间，分别在厨房放置1个，客厅放置4个。具体的，在厨房位置高度220cm处放置一个传感器，可实时监测厨房甲烷浓度变化；在客厅位置同一点不同高度，分别为高50cm、高165cm和高220cm处分别放置一个传感器，可研究甲烷气体在垂直梯度上的传播特性以及甲烷气体传播到客厅所需时间；在客厅远离厨房最远端位置220cm放置一个传感器，用于了解甲烷气体传播到客厅最远处需要时间；同时，位于不同位置高220cm处的三个传感器，可用于研究甲烷气体在水平方向上的传播特性。
更具体的，浓度传感器选用激光浓度传感器，采样频率为1Hz，可实现甲烷浓度的动态高精准采集，在线测量平台空间内可燃气体泄漏后不同时刻空间内不同位置的可燃气体分布情况，为研究可燃气体泄漏后扩散的规律提供重要的数据支撑。
摄像装置采用无线传输影响和高速摄像机，平台空间内不同位置布置多路无线传输影像，可实现燃气爆燃过程前后的影响数据采集；因摄像装置处于燃气爆燃的空间内，采用经济的无线传输摄像头，多个摄像头的布置可弥补摄像装置在记录过程中受爆炸冲击影响有时会采集数据中断的影响；无线摄像设备采用小型移动电源供电的方式，可减少摄像头供电线路的布设。高速摄像机布设于泄压通道远端，用于记录燃气爆燃过程中压力在泄压口突破后的变化规律。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (7)

1.一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，包括：居民住宅试验平台、浓度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、摄像装置和计算机，所述浓度传感器、所述温度传感器、所述压力传感器、所述位移传感器和所述摄像装置均与所述计算机无线连接；
所述居民住宅试验平台内设有卧室、卫生间、客厅和厨房功能区，布设有家具和厨具，用于还原居民住宅发生燃气爆燃事故前屋内物品摆放、家电使用情况以及门窗状态对燃气爆燃有影响的关键因素的初始状态；
所述浓度传感器布设于厨房和客厅内，用于测试燃气泄漏过程中空间内甲烷浓度场的分布变化；
所述温度传感器布设于厨房燃气泄漏点、厨房壁面、客厅高位壁面、客厅中位壁面、卫生间壁面和卧室壁面，用于采集燃气爆炸过程中的温度数据；
所述压力传感器布设于厨房顶板、卧室顶板、客厅墙壁和厨房墙壁，用于采集爆炸过程中压力的变化；
所述位移传感器布设于房顶板和剪力墙位置，用于测试爆炸过程中墙体和顶板的位移形变；
所述摄像装置布设于平台空间内不同位置，用于燃气爆燃过程前后的影像记录；
所述计算机用于存储和分析各种数据。
2.根据权利要求1所述的一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，所述居民住宅试验平台至少为一层结构，每层平台的长、宽、高尺寸分别为6～8m、3～6m、2～4m。
3.根据权利要求1所述的一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，还包括移动机器人，用于采集厨房内采样点甲烷浓度。
4.根据权利要求1所述的一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，所述摄像装置包括无线摄像机和高速摄像机；
所述无线摄像机布设于厨房、客厅和卧室内，实现燃气爆燃过程前后的影像记录；
所述高速摄像机布设于泄压通道远端，用于记录燃气爆燃过程中压力在泄压口突破后的变化规律。
5.根据权利要求1所述的一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，所述浓度传感器设置为5个，分别在厨房布置一个，用于实时监测厨房甲烷浓度变化；在客厅内且离厨房最前端不同高度布设三个，用于研究甲烷气体在垂直梯度上的传播特性以及甲烷气体传播到客厅所需时间；在客厅内且离厨房最远端布设一个，用于研究甲烷气体传播到客厅最远处所需时间。
6.根据权利要求5所述的一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，厨房布设的浓度传感器、在客厅内离厨房最前端不同高度布设的其中一个浓度传感器以及在客厅内且离厨房最远端布设的浓度传感器，位于同一高度。
7.根据权利要求1所述的一种燃气爆燃实验模拟平台，其特征在于，所述居民住宅试验平台布设有泄压窗，用于记录燃气爆燃泄压时的过程。
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