CN113409642B - 一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统，包括密闭的房间壳体，还包括与所述房间壳体连通的密闭的走廊壳体；喷淋模组的喷淋控制数据端与模数转换器的喷淋数据端相连，房间传感器模组的数据端与模数转换器的房间数据端相连，摄像头的图像数据端与电脑的图像数据端相连；温湿度控制模组的模拟数据端与模数转换器的温湿度模拟数据端相连，风速控制模组的风速控制数据端与模数转换器的风速数据端相连；模数转换器将数据传输到电脑。本发明将实验室实验与数值模拟进行有效结合，为火灾烟气流动规律的探寻提出充分可信的科学参考。

Description

一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统

技术领域

本发明涉及一种火灾监测模拟技术领域，特别是涉及一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统。

背景技术

火的发现和利用是人类文明进步的里程碑，也是推动人类社会文明进步的重要里程碑。随着经济的发展，人们生活水平提高，我国基础建设越来越完善，发生火灾的频率也越来越高。建筑物发生火灾给人类生命财产安全带来了极大危害。现有的对建筑火灾蔓延规律的探究主要是通过实验研究和数值模拟的方法来进行。通过实验对火灾蔓延规律研究具备较高的精确度和可靠度，但是该部分实验不可避免的具备破坏性，因此研究成本较高并具有危险性。而数值模拟的研究方法具有成本低、可视化程度高、危险性极小的优势，但是由于数值模拟过程中数学模型的选择具有一定的随意性，造成结果可靠度较低，很难准确反映真实的燃烧过程，进而难以为火灾烟气流动规律的探寻提出充分可信的科学参考。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验与数值模拟结合系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，包括密闭的房间壳体，还包括于所述房间壳体连通的密闭的走廊壳体；

在房间壳体的顶端设置有用于固定安装喷淋模组的喷淋模组固定安装座和用于固定安装房间传感器模组的房间传感器模组固定安装座以及用于固定安装摄像头的摄像头固定安装座，喷淋模组固定安装在喷淋模组固定安装座上，房间传感器模组固定安装在房间传感器模组固定安装座上，摄像头固定安装在摄像头固定安装座上；

在走廊壳体顶端设置有用于固定安装温湿度控制模组的温湿度控制模组固定安装座和用于固定安装走廊传感器模组的M个走廊传感器模组固定安装座，所述M为大于或者等于1的正整数，分别为第1走廊传感器模组固定安装座、第2走廊传感器模组固定安装座、第3走廊传感器模组固定安装座、……、第M走廊传感器模组固定安装座，第1走廊传感器模组固定安装在第1走廊传感器模组固定安装座上，第2走廊传感器模组固定安装在第2走廊传感器模组固定安装座上，第3走廊传感器模组固定安装在第3走廊传感器模组固定安装座上，……，第M走廊传感器模组固定安装在第M走廊传感器模组固定安装座上，温湿度控制模组固定安装在温湿度控制模组固定安装座上；在走廊壳体的左侧端设置有用于固定安装风速控制模组的风速控制模组固定安装座，风速控制模组固定安装在风速控制模组固定安装座上；

喷淋模组的喷淋控制数据端与模数转换器的喷淋数据端相连，房间传感器模组的数据端与模数转换器的房间数据端相连，摄像头的图像数据端与电脑的图像数据端相连；温湿度控制模组的模拟数据端与模数转换器的温湿度模拟数据端相连，第m走廊传感器模组的数据端与模数转换器的走廊第m数据端相连，所述m为小于或者等于M的正整数，风速控制模组的风速控制数据端与模数转换器的风速数据端相连；模数转换器将数据传输到电脑。

在本发明的一种优选实施方式中，房间壳体或/和走廊壳体由透明耐高温玻璃板组成；

或/和构成房间壳体或/和走廊壳体的各玻璃板均采用有机玻璃专用粘合剂进行粘合，在牢固的前提下保证较高的气密性。

在本发明的一种优选实施方式中，房间壳体的左侧玻璃板由两部分构成，通过合页进行连接，可进行拆卸、开合，形成排水口；

或/和在房间壳体底部中间位置固定放置有燃烧皿，即火源所在位置。

在本发明的一种优选实施方式中，房间窗户与房间壳体通过窗户合页连接，可进行拆卸、开合；

或/和房间壳体与走廊壳体之间开有“门”型孔洞，烟气可在房间壳体与走廊壳体之间流通。

在本发明的一种优选实施方式中，风速控制器模组包括K个风扇，所述K为大于或者等于2的正整数，分别为第1风扇、第2风扇、第3风扇、……、第K风扇；在第k风扇内装有第k风速控制器，所述k为小于或者等于K的正整数；第k风速控制器根据接收到的风速控制信号控制第k风扇按照风速控制信号运行；

还包括风速总控制器，风速总控制器的第k风速数据端与第k风速控制器的风速数据端相连；风速总控制器的风速控制数据端与模数转换器的风速数据端相连；

风速总控制器根据接收电脑发送的风速控制数据，向K个风速控制器发送运行控制命令，使其k＇个风扇扇出的风量与上一时刻的风量相当，所述k＇为小于或者等于K的正整数。

在本发明的一种优选实施方式中，喷淋模组包括喷头、水泵、水箱、稳压罐和控制箱；喷头固定安装在喷淋模组固定安装座上，喷头的进液端通过管路与水箱的出液端相连；

水泵和稳压罐设置在管路上，水泵的控制运行端与控制箱的水泵控制运行端相连，稳压罐的压力控制端与控制箱的压力控制端相连，控制箱的喷淋控制数据端与模数转换器的喷淋数据端相连；

控制箱根据接收电脑发送的喷淋控制数据，向其水泵和稳压罐发送控制命令，使其喷头向火源所在位置进行喷淋。

在本发明的一种优选实施方式中，房间传感器模组包括方形机盒，在方形机盒内设置有温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器、压力传感器之一或者任意组合；

在方形机盒内还设置有火灾监测处理电路板，在火灾监测处理电路板上设置有火灾监测控制器，火灾监测控制器的温度数据输入端与温度传感器的温度数据输出端相连，火灾监测控制器的烟气数据输入端与烟气传感器的烟气数据输出端相连，火灾监测控制器的CO2数据输入端与CO2传感器的CO2数据输出端相连，火灾监测控制器的湿度数据输入端与湿度传感器的湿度数据输出端相连，火灾监测控制器的风速数据输入端与风速传感器的风速数据输出端相连，火灾监测控制器的压力数据输入端与压力传感器的压力数据输出端相连；火灾监测控制器的数据端与模数转换器的房间数据端相连；

温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器和压力传感器的探头设置在方形机盒下方；

将温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器和压力传感器测得的温度、烟气浓度、CO2浓度、湿度、风速和压力数据传输到电脑；

或/和第m走廊传感器模组包括第m方形机盒，在第m方形机盒内设置有第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器、第m走廊压力传感器之一或者任意组合；

在第m走廊方形机盒内还设置有第m走廊火灾监测处理电路板，在第m走廊火灾监测处理电路板上设置有第m走廊火灾监测控制器，第m走廊火灾监测控制器的温度数据输入端与第m走廊温度传感器的温度数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的烟气数据输入端与第m走廊烟气传感器的烟气数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的CO2数据输入端与第m走廊CO2传感器的CO2数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的湿度数据输入端与第m走廊湿度传感器的湿度数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的风速数据输入端与第m走廊风速传感器的风速数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的压力数据输入端与第m走廊压力传感器的压力数据输出端相连；第m走廊火灾监测控制器的数据端与模数转换器的第m走廊数据端相连；

第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器和第m走廊压力传感器的探头设置在第m走廊方形机盒下方；

将第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器和第m走廊压力传感器测得的第m走廊温度、第m走廊烟气浓度、第m走廊CO2浓度、第m走廊湿度、第m走廊风速和第m走廊压力数据传输到电脑。

本发明还公开了小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置的数值模拟结合系统方法，包括以下步骤：

S1，将小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置的房间壳体上的房间窗户打开，将待燃烧物质置于房间壳体底部的燃烧皿中；根据待燃烧物质，在数值模拟系统中输入火源信息，选择火源类型；

S2，设置好小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中所用喷头类型、喷淋物质、喷淋压力；在数值模拟系统中根据实验装置设置喷淋粒子物质类型、初始位置、速度、直径、喷压，设置粒子源数量和位置与实验装置中喷淋模组的喷头孔口数量和位置相对应；

S3，通过电脑启动并控制小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中的温湿度控制模组、风速控制模组并观察房间传感器模组以及M个走廊传感器模组输入到电脑上的温度、湿度、风速、CO2浓度、压力曲线变化，当达到预设的参数并维持在稳定状态时，将初始环境参数输入电脑中的数值模拟系统中；

S4，根据待燃烧物质和初始环境参数选择合适的数学模型，可选择的湍流模型有直接数值模拟、大涡模拟；可选择的燃烧模型有PDF输运模型、涡耗散概念模型、涡耗散模型、涡耗散/有限速率模型；辐射模型设置为DO模型，其亚松弛系数可选择0.1～0.3；可选择的烟模型为Khan和Greeves的单步模型、Tesner的两步模型、Moss-Brookes模型、Moss-Brookes-Hall模型；

S5，将待燃烧物质点燃并开启数值模拟，观察并记录小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置内的火焰燃烧变化和烟气流动情况，保存实验时测得的温度、烟气浓度、CO2浓度数据并将数据传输到电脑中；数值模拟系统输出燃烧时温度场、烟气场的变化情况及各测点所测得的温度、烟气浓度、CO2浓度数据，其中，各测点数据与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中温度传感器、烟气传感器、CO2传感器相对应；

S6，通过数值模拟系统中的温度场变化和烟气场变化可知数值模拟系统中火焰燃烧和烟气流动情况，将其与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置内的火焰燃烧和烟气流动情况对比；若数值变化相差较小、火焰燃烧和烟气流动规律相同，则所选用的数学模型合适；若数值变化相差较大则重新选择数学模型；通过重复模拟并与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置进行比较，直至数值模拟误差降至可接受范围。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S5中包括以下步骤：

S51，获取摄像头拍摄的燃烧画面，将获取的摄像头拍摄的燃烧画面记作燃烧图像Burn image；

S52，对燃烧图像Burn image进行图像转换处理后，得到其转换处理图像Convertimage；

S53，对步骤S52中得到的转换处理图像Convert image进行火焰特征提取，得到其火焰图像flame image，其得到火焰图像flame image的方法为利用轮廓线法对转换处理图像Convert image进行火焰图像flame image提取；

S54，计算火焰图像flame image的燃烧范围，其火焰图像flame image的燃烧范围的计算方法为：

其中，N_τ表示火焰图像flame image中的像素总个数，N_ζ表示燃烧图像Burn image中像素点总个数，

表示燃烧图像Burn image中每行像素点的总个数，σ表示燃烧图像Burn image中每列像素点的总个数，y表示燃烧图像Burn image的高度值，g表示燃烧图像Burn image的宽度值，μ表示焦距比例系数，μ∈(0,1]，S_t表示t时刻拍摄的燃烧图像Burn image的燃烧面积；

若S_t≤S₀，S₀表示预设燃烧第一面积阈值，则此时火势为一级火势；记录一级火势燃烧时间数；

若S₀＜S_t≤S₁，S₁表示预设燃烧第二面积阈值，预设燃烧第二面积阈值S₁大于预设燃烧第一面积阈值S₀，则此时火势为二级火势；记录二级火势燃烧时间数；

若S_t＞S₂，S₂表示预设燃烧第三面积阈值，预设燃烧第三面积阈值S₂大于预设燃烧第二面积阈值S₁，则此时火势为三级火势；记录三级火势燃烧时间数；

当三级火势燃烧持续时间大于或者等于预设燃烧持续时间阈值，则喷淋模组工作，降低火势情况。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S5中还包括为了保证其将房间壳体内的烟气引入走廊壳体，控制其K个风扇工作的方法为：

S81，判断其不能工作风扇的个数，记作A，A为小于K的正整数；若A为大于或者等于K，则需要更换风扇后才能实验；

S82，获取待输出风量值V，若K-A＝1，则控制其能工作的风扇工作使其输出V；

若K-A＝2，则控制其其中一个能工作的风扇工作使其输出V；经时间T后，控制其另一个能工作的风扇工作使其输出V；实现交替工作；

若K-A＝L，L为大于或者等于3且小于或者等于K，则控制其其中两个能工作的风扇工作使其输出V；经时间T后，控制其不工作的风扇工作使其使其两个风扇输出V；实现交替轮流工作。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明将实验室实验与数值模拟进行有效结合。通过实验室实验对数值模拟中的数学模型或数学模型中参数设置进行验证，选择更能反映真实实验数据的数学模型，有效减少因数学模型的选择不合理而导致的数值模拟精确度较低情况的发生，增强数值模拟的可靠性，为火灾烟气流动规律的探寻提出充分可信的科学参考。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明运行的流程示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明中某个传感器模组的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，如图1～3所示，包括密闭的房间壳体19，还包括与所述房间壳体19连通的密闭的走廊壳体14；

在房间壳体19的顶端设置有用于固定安装喷淋模组的喷淋模组固定安装座和用于固定安装房间传感器模组1的房间传感器模组固定安装座以及用于固定安装摄像头的摄像头固定安装座，喷淋模组固定安装在喷淋模组固定安装座上，房间传感器模组1固定安装在房间传感器模组固定安装座上，摄像头固定安装在摄像头固定安装座上；

在走廊壳体14顶端设置有用于固定安装温湿度控制模组10的温湿度控制模组固定安装座和用于固定安装走廊传感器模组1a的M个走廊传感器模组固定安装座，所述M为大于或者等于1的正整数，分别为第1走廊传感器模组固定安装座、第2走廊传感器模组固定安装座、第3走廊传感器模组固定安装座、……、第M走廊传感器模组固定安装座，第1走廊传感器模组固定安装在第1走廊传感器模组固定安装座上，第2走廊传感器模组固定安装在第2走廊传感器模组固定安装座上，第3走廊传感器模组固定安装在第3走廊传感器模组固定安装座上，……，第M走廊传感器模组固定安装在第M走廊传感器模组固定安装座上，温湿度控制模组10固定安装在温湿度控制模组固定安装座上；在走廊壳体14的左侧端设置有用于固定安装风速控制模组15的风速控制模组固定安装座，风速控制模组15固定安装在风速控制模组固定安装座上；

喷淋模组的喷淋控制数据端与模数转换器12的喷淋数据端相连，房间传感器模组1的数据端与模数转换器12的房间数据端相连，摄像头的图像数据端与电脑13的图像数据端相连；温湿度控制模组10的模拟数据端与模数转换器12的温湿度模拟数据端相连，第m走廊传感器模组的数据端与模数转换器12的走廊第m数据端相连，所述m为小于或者等于M的正整数，即是第1走廊传感器模组的数据端与模数转换器12的走廊第1数据端相连，第2走廊传感器模组的数据端与模数转换器12的走廊第2数据端相连，第3走廊传感器模组的数据端与模数转换器12的走廊第3数据端相连，……，第M走廊传感器模组的数据端与模数转换器12的走廊第M数据端相连；风速控制模组15的风速控制数据端与模数转换器12的风速数据端相连；模数转换器12将数据传输到电脑13。数值模拟使用与实验装置相同的物理模型，通过实验装置所得数据，对数值模拟数学模型进行调整以提高精确度。

在本发明的一种优选实施方式中，房间壳体19或/和走廊壳体14由透明耐高温玻璃板组成；

或/和构成房间壳体19或/和走廊壳体14的各玻璃板均采用有机玻璃专用粘合剂进行粘合，在牢固的前提下保证较高的气密性。

在本发明的一种优选实施方式中，房间壳体19的左侧玻璃板由两部分构成，通过合页进行连接，可进行拆卸、开合，形成排水口18；便于及时将积水排出房间壳体19。预先对火灾模拟模型进行网格划分，其中火源周围网格更加密集。其火灾模拟模型包括：湍流模型、燃烧模型、热辐射模型、烟模型。其数值模拟中设置测点，与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中温度传感器、湿度传感器、风速传感器、CO2传感器、烟气传感器探测头位置对应。

或/和在房间壳体19底部中间位置固定放置有燃烧皿17，即火源所在位置。

在本发明的一种优选实施方式中，房间窗户4与房间壳体19通过窗户合页3连接，可进行拆卸、开合；实现空气的进入。

或/和房间壳体19与走廊壳体14之间开有“门”型孔洞，烟气可在房间壳体19与走廊壳体14之间流通。

在本发明的一种优选实施方式中，风速控制器模组15包括K个风扇，所述K为大于或者等于2的正整数，分别为第1风扇、第2风扇、第3风扇、……、第K风扇；在第k风扇内装有第k风速控制器，所述k为小于或者等于K的正整数；第k风速控制器根据接收到的风速控制信号控制第k风扇按照风速控制信号运行；

还包括风速总控制器，风速总控制器的第k风速数据端与第k风速控制器的风速数据端相连；风速总控制器的风速控制数据端与模数转换器12的风速数据端相连；

风速总控制器根据接收电脑13发送的风速控制数据，向K个风速控制器发送运行控制命令，使其k＇个风扇扇出的风量与上一时刻的风量相当，所述k＇为小于或者等于K的正整数。

在本发明的一种优选实施方式中，喷淋模组包括喷头2、水泵7、水箱6、稳压罐9和控制箱8；喷头2固定安装在喷淋模组固定安装座上，喷头2的进液端通过管路5与水箱6的出液端相连；

水泵7和稳压罐9设置在管路5上，水泵7的控制运行端与控制箱8的水泵控制运行端相连，稳压罐9的压力控制端与控制箱8的压力控制端相连，控制箱8的喷淋控制数据端与模数转换器12的喷淋数据端相连；

控制箱8根据接收电脑13发送的喷淋控制数据，向其水泵7和稳压罐9发送控制命令，使其喷头2向火源所在位置进行喷淋。

在本发明的一种优选实施方式中，房间传感器模组1包括方形机盒，在方形机盒内设置有温度传感器20、烟气传感器24、CO2传感器25、湿度传感器21、风速传感器22、压力传感器22之一或者任意组合；

在方形机盒内还设置有火灾监测处理电路板，在火灾监测处理电路板上设置有火灾监测控制器，火灾监测控制器的温度数据输入端与温度传感器20的温度数据输出端相连，火灾监测控制器的烟气数据输入端与烟气传感器24的烟气数据输出端相连，火灾监测控制器的CO2数据输入端与CO2传感器25的CO2数据输出端相连，火灾监测控制器的湿度数据输入端与湿度传感器21的湿度数据输出端相连，火灾监测控制器的风速数据输入端与风速传感器22的风速数据输出端相连，火灾监测控制器的压力数据输入端与压力传感器22的压力数据输出端相连；火灾监测控制器的数据端与模数转换器12的房间数据端相连；

温度传感器20、烟气传感器24、CO2传感器25、湿度传感器21、风速传感器22和压力传感器22的探头设置在方形机盒下方；

将温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器和压力传感器测得的温度、烟气浓度、CO2浓度、湿度、风速和压力数据传输到电脑13；

或/和第m走廊传感器模组包括第m方形机盒，在第m方形机盒内设置有第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器、第m走廊压力传感器之一或者任意组合；

在第m走廊方形机盒内还设置有第m走廊火灾监测处理电路板，在第m走廊火灾监测处理电路板上设置有第m走廊火灾监测控制器，第m走廊火灾监测控制器的温度数据输入端与第m走廊温度传感器的温度数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的烟气数据输入端与第m走廊烟气传感器的烟气数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的CO2数据输入端与第m走廊CO2传感器的CO2数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的湿度数据输入端与第m走廊湿度传感器的湿度数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的风速数据输入端与第m走廊风速传感器的风速数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的压力数据输入端与第m走廊压力传感器的压力数据输出端相连；第m走廊火灾监测控制器的数据端与模数转换器的第m走廊数据端相连；

第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器和第m走廊压力传感器的探头设置在第m走廊方形机盒下方；

将第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器和第m走廊压力传感器测得的第m走廊温度、第m走廊烟气浓度、第m走廊CO2浓度、第m走廊湿度、第m走廊风速和第m走廊压力数据传输到电脑13。

本发明还公开了小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置的数值模拟结合系统方法，包括以下步骤：

S1，将小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置的房间壳体19上的房间窗户4打开，将待燃烧物质置于房间壳体19底部的燃烧皿17中；根据待燃烧物质，在数值模拟系统中输入火源信息，选择火源类型；

S2，设置好小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中所用喷头类型、喷淋物质、喷淋压力；在数值模拟系统中根据实验装置设置喷淋粒子物质类型、初始位置、速度、直径、喷压，设置粒子源数量和位置与实验装置中喷淋模组的喷头孔口数量和位置相对应；

S3，通过电脑13启动并控制小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中的温湿度控制模组10、风速控制模组15并观察房间传感器模组1以及M个走廊传感器模组输入到电脑13上的温度、湿度、风速、CO2浓度、压力曲线变化，当达到预设的参数并维持在稳定状态时，将初始环境参数输入电脑13中的数值模拟系统中；

S4，根据待燃烧物质和初始环境参数选择合适的数学模型，可选择的湍流模型有直接数值模拟、大涡模拟；可选择的燃烧模型有PDF输运模型、涡耗散概念模型、涡耗散模型、涡耗散/有限速率模型；辐射模型设置为DO模型，其亚松弛系数可选择0.1～0.3；可选择的烟模型为Khan和Greeves的单步模型、Tesner的两步模型、Moss-Brookes模型、Moss-Brookes-Hall模型；

S5，将待燃烧物质点燃并开启数值模拟，观察并记录小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置内的火焰燃烧变化和烟气流动情况，保存实验时测得的温度、烟气浓度、CO2浓度数据并将数据传输到电脑13中；数值模拟系统输出燃烧时温度场、烟气场的变化情况及各测点所测得的温度、烟气浓度、CO2浓度数据，其中，各测点数据与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中温度传感器20、烟气传感器24、CO2传感器25相对应；

S6，通过数值模拟系统中的温度场变化和烟气场变化可知数值模拟系统中火焰燃烧和烟气流动情况，将其与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置内的火焰燃烧和烟气流动情况对比；若数值变化相差较小、火焰燃烧和烟气流动规律相同，则所选用的数学模型合适；若数值变化相差较大则重新选择数学模型；通过重复模拟并与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置进行比较，直至数值模拟误差降至可接受范围。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S5中包括以下步骤：

S51，获取摄像头拍摄的燃烧画面，将获取的摄像头拍摄的燃烧画面记作燃烧图像Burn image；

S52，对燃烧图像Burn image进行图像转换处理后，得到其转换处理图像Convertimage，其得到转换处理图像Convert image的方法为：

判断其燃烧图像Burn image的色彩度：

若燃烧图像Burn image为彩色图像，则进行如下转换：

其中，

表示转换后第λ行第

列像素点的像素值，λ为小于或者等于

的正整数，

表示燃烧图像Burn image中每行像素点的总个数，y表示燃烧图像Burnimage的高度值，e表示燃烧图像Burn image的像素分辨率，

为小于或者等于σ的正整数，σ＝g×e，σ表示燃烧图像Burn image中每列像素点的总个数，g表示燃烧图像Burn image的宽度值；

其中，

表示燃烧图像Burn image中第λ行第

列像素点的红通道色彩度；a表示红通道色彩度的调节系数；

表示燃烧图像Burn image中第λ行第

列像素点的绿通道色彩度；b表示绿通道色彩度的调节系数；

表示燃烧图像Burn image中第λ行第

列像素点的蓝通道色彩度；c表示蓝通道色彩度的调节系数；

K(Burn image)表示转换后的图像；Convert image表示转换处理图像；

S53，对步骤S52中得到的转换处理图像Convert image进行火焰特征提取，得到其火焰图像flame image，其得到火焰图像flame image的方法为利用轮廓线法对转换处理图像Convert image进行火焰图像flame image提取；

S54，计算火焰图像flame image的燃烧范围，其火焰图像flame image的燃烧范围的计算方法为：

其中，N_τ表示火焰图像flame image中的像素总个数，N_ζ表示燃烧图像Burn image中像素点总个数，

表示燃烧图像Burn image中每行像素点的总个数，σ表示燃烧图像Burn image中每列像素点的总个数，y表示燃烧图像Burn image的高度值，g表示燃烧图像Burn image的宽度值，μ表示焦距比例系数，μ∈(0,1]，S_t表示t时刻拍摄的燃烧图像Burn image的燃烧面积；

若S_t≤S₀，S₀表示预设燃烧第一面积阈值，则此时火势为一级火势；记录一级火势燃烧时间数；

若S₀＜S_t≤S₁，S₁表示预设燃烧第二面积阈值，预设燃烧第二面积阈值S₁大于预设燃烧第一面积阈值S₀，则此时火势为二级火势；记录二级火势燃烧时间数；

若S_t＞S₂，S₂表示预设燃烧第三面积阈值，预设燃烧第三面积阈值S₂大于预设燃烧第二面积阈值S₁，则此时火势为三级火势；记录三级火势燃烧时间数；

当三级火势燃烧持续时间大于或者等于预设燃烧持续时间阈值，则喷淋模组工作，降低火势情况。

在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S5中还包括为了保证其将房间壳体19内的烟气引入走廊壳体14，控制其K个风扇工作的方法为：

S81，判断其不能工作风扇的个数，记作A，A为小于K的正整数；若A为大于或者等于K，则需要更换风扇后才能实验；

S82，获取待输出风量值V，其风量值根据风速传感器进行测量而来，若K-A＝1，则控制其能工作的风扇工作使其输出V；

若K-A＝2，则控制其其中一个能工作的风扇工作使其输出V；经时间T后，控制其另一个能工作的风扇工作使其输出V；实现交替工作；

若K-A＝L，L为大于或者等于3且小于或者等于K，则控制其其中两个能工作的风扇工作使其输出V；经时间T后，控制其不工作的风扇工作使其使其两个风扇输出V；实现交替轮流工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，包括密闭的房间壳体，其特征在于，还包括于所述房间壳体连通的密闭的走廊壳体；

在房间壳体的顶端设置有用于固定安装喷淋模组的喷淋模组固定安装座和用于固定安装房间传感器模组的房间传感器模组固定安装座以及用于固定安装摄像头的摄像头固定安装座，喷淋模组固定安装在喷淋模组固定安装座上，房间传感器模组固定安装在房间传感器模组固定安装座上，摄像头固定安装在摄像头固定安装座上；

在走廊壳体顶端设置有用于固定安装温湿度控制模组的温湿度控制模组固定安装座和用于固定安装走廊传感器模组的M个走廊传感器模组固定安装座，所述M为大于或者等于1的正整数，分别为第1走廊传感器模组固定安装座、第2走廊传感器模组固定安装座、第3走廊传感器模组固定安装座、……、第M走廊传感器模组固定安装座，第1走廊传感器模组固定安装在第1走廊传感器模组固定安装座上，第2走廊传感器模组固定安装在第2走廊传感器模组固定安装座上，第3走廊传感器模组固定安装在第3走廊传感器模组固定安装座上，……，第M走廊传感器模组固定安装在第M走廊传感器模组固定安装座上，温湿度控制模组固定安装在温湿度控制模组固定安装座上；在走廊壳体的左侧端设置有用于固定安装风速控制模组的风速控制模组固定安装座，风速控制模组固定安装在风速控制模组固定安装座上；

喷淋模组的喷淋控制数据端与模数转换器的喷淋数据端相连，房间传感器模组的数据端与模数转换器的房间数据端相连，摄像头的图像数据端与电脑的图像数据端相连；温湿度控制模组的模拟数据端与模数转换器的温湿度模拟数据端相连，第m走廊传感器模组的数据端与模数转换器的走廊第m数据端相连，所述m为小于或者等于M的正整数，模数转换器将数据传输到电脑；

风速控制器模组包括K个风扇，所述K为大于或者等于2的正整数，分别为第1风扇、第2风扇、第3风扇、……、第K风扇；在第k风扇内装有第k风速控制器，所述k为小于或者等于K的正整数；第k风速控制器根据接收到的风速控制信号控制第k风扇按照风速控制信号运行；

还包括风速总控制器，风速总控制器的第k风速数据端与第k风速控制器的风速数据端相连；风速总控制器的风速控制数据端与模数转换器的风速数据端相连；

风速总控制器根据接收电脑发送的风速控制数据，向K个风速控制器发送运行控制命令，使其k＇个风扇扇出的风量与上一时刻的风量相当，所述k＇为小于或者等于K的正整数；该小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置的数值模拟结合系统方法，包括以下步骤：

S1，将小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置的房间壳体上的房间窗户打开，将待燃烧物质置于房间壳体底部的燃烧皿中；根据待燃烧物质，在数值模拟系统中输入火源信息，选择火源类型；

S2，设置好小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中所用喷头类型、喷淋物质、喷淋压力；在数值模拟系统中根据实验装置设置喷淋粒子物质类型、初始位置、速度、直径、喷压，设置粒子源数量和位置与实验装置中喷淋模组的喷头孔口数量和位置相对应；

S3，通过电脑启动并控制小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中的温湿度控制模组、风速控制模组并观察房间传感器模组以及M个走廊传感器模组输入到电脑上的温度、湿度、风速、CO2浓度、压力曲线变化，当达到预设的参数并维持在稳定状态时，将初始环境参数输入电脑中的数值模拟系统中；

S4，根据待燃烧物质和初始环境参数选择合适的数学模型，可选择的湍流模型有直接数值模拟、大涡模拟；可选择的燃烧模型有PDF输运模型、涡耗散概念模型、涡耗散模型、涡耗散/有限速率模型；辐射模型设置为DO模型，其亚松弛系数可选择0.1～0.3；可选择的烟模型为Khan和Greeves的单步模型、Tesner的两步模型、Moss-Brookes模型、Moss-Brookes-Hall模型；

S5，将待燃烧物质点燃并开启数值模拟，观察并记录小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置内的火焰燃烧变化和烟气流动情况，保存实验时测得的温度、烟气浓度、CO2浓度数据并将数据传输到电脑中；数值模拟系统输出燃烧时温度场、烟气场的变化情况及各测点所测得的温度、烟气浓度、CO2浓度数据，其中，各测点数据与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置中温度传感器、烟气传感器、CO2传感器相对应；

进一步的，在步骤S5中包括以下步骤：

S51，获取摄像头拍摄的燃烧画面，将获取的摄像头拍摄的燃烧画面记作燃烧图像Burnimage；

S52，对燃烧图像Burn image进行图像转换处理后，得到其转换处理图像Convertimage，其得到转换处理图像Convert image的方法为：

判断其燃烧图像Burn image的色彩度：

若燃烧图像Burn image为彩色图像，则进行如下转换：

其中，

表示转换后第λ行第

列像素点的像素值，λ为小于或者等于

的正整数，

表示燃烧图像Burn image中每行像素点的总个数，y表示燃烧图像Burn image的高度值，e表示燃烧图像Burn image的像素分辨率，

为小于或者等于σ的正整数，σ＝g×e，σ表示燃烧图像Burn image中每列像素点的总个数，g表示燃烧图像Burn image的宽度值；

a+b+c＝1；

其中，

表示燃烧图像Burn image中第λ行第

列像素点的红通道色彩度；a表示红通道色彩度的调节系数；

表示燃烧图像Burn image中第λ行第

列像素点的绿通道色彩度；b表示绿通道色彩度的调节系数；

表示燃烧图像Burn image中第λ行第

列像素点的蓝通道色彩度；c表示蓝通道色彩度的调节系数；

K(Burn image)表示转换后的图像；Convert image表示转换处理图像；

S53，对步骤S52中得到的转换处理图像Convert image进行火焰特征提取，得到其火焰图像flame image，其得到火焰图像flame image的方法为利用轮廓线法对转换处理图像Convert image进行火焰图像flame image提取；

S54，计算火焰图像flame image的燃烧范围，其火焰图像flame image的燃烧范围的计算方法为：

其中，N_τ表示火焰图像flame image中的像素总个数，N_ζ表示燃烧图像Burn image中像素点总个数，

表示燃烧图像Burn image中每行像素点的总个数，σ表示燃烧图像Burn image中每列像素点的总个数，y表示燃烧图像Burn image的高度值，g表示燃烧图像Burn image的宽度值，μ表示焦距比例系数，μ∈(0,1]，S_t表示t时刻拍摄的燃烧图像Burn image的燃烧面积；

若S_t≤S₀，S₀表示预设燃烧第一面积阈值，则此时火势为一级火势；记录一级火势燃烧时间数；

若S₀＜S_t≤S₁，S₁表示预设燃烧第二面积阈值，预设燃烧第二面积阈值S₁大于预设燃烧第一面积阈值S₀，则此时火势为二级火势；记录二级火势燃烧时间数；

若S_t＞S₂，S₂表示预设燃烧第三面积阈值，预设燃烧第三面积阈值S₂大于预设燃烧第二面积阈值S₁，则此时火势为三级火势；记录三级火势燃烧时间数；

当三级火势燃烧持续时间大于或者等于预设燃烧持续时间阈值，则喷淋模组工作，降低火势情况；

进一步的，在步骤S5中为了保证其将房间壳体内的烟气引入走廊壳体，控制其K个风扇工作的方法为：

S81，判断其不能工作风扇的个数，记作A，A为小于K的正整数；若A为大于或者等于K，则需要更换风扇后才能实验；

S82，获取待输出风量值V，其风量值根据风速传感器进行测量而来，若K-A＝1，则控制其能工作的风扇工作使其输出V；

若K-A＝2，则控制其其中一个能工作的风扇工作使其输出V；经时间T后，控制其另一个能工作的风扇工作使其输出V；实现交替工作；

若K-A＝L，L为大于或者等于3且小于或者等于K，则控制其其中两个能工作的风扇工作使其输出V；经时间T后，控制其不工作的风扇工作使其使其两个风扇输出V；实现交替轮流工作；

S6，通过数值模拟系统中的温度场变化和烟气场变化可知数值模拟系统中火焰燃烧和烟气流动情况，将其与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置内的火焰燃烧和烟气流动情况对比；若数值变化相差较小、火焰燃烧和烟气流动规律相同，则所选用的数学模型合适；若数值变化相差较大则重新选择数学模型；通过重复模拟并与小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置进行比较，直至数值模拟误差降至可接受范围。

2.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，房间壳体由透明耐高温玻璃板组成。

3.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，走廊壳体由透明耐高温玻璃板组成。

4.根据权利要求2所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，构成房间壳体的各玻璃板均采用有机玻璃专用粘合剂进行粘合，在牢固的前提下保证较高的气密性。

5.根据权利要求3所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，构成走廊壳体的各玻璃板均采用有机玻璃专用粘合剂进行粘合，在牢固的前提下保证较高的气密性。

6.根据权利要求2所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，房间壳体的左侧玻璃板由两部分构成，通过合页进行连接，可进行拆卸、开合，形成排水口。

7.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，在房间壳体底部中间位置固定放置有燃烧皿，即火源所在位置。

8.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，房间窗户与房间壳体通过窗户合页连接，可进行拆卸、开合。

9.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，房间壳体与走廊壳体之间开有“门”型孔洞，烟气可在房间壳体与走廊壳体之间流通。

10.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，喷淋模组包括喷头、水泵、水箱、稳压罐和控制箱；喷头固定安装在喷淋模组固定安装座上，喷头的进液端通过管路与水箱的出液端相连；

水泵和稳压罐设置在管路上，水泵的控制运行端与控制箱的水泵控制运行端相连，稳压罐的压力控制端与控制箱的压力控制端相连，控制箱的喷淋控制数据端与模数转换器的喷淋数据端相连；

控制箱根据接收电脑发送的喷淋控制数据，向其水泵和稳压罐发送控制命令，使其喷头向火源所在位置进行喷淋。

11.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，房间传感器模组包括方形机盒，在方形机盒内设置有温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器、压力传感器之一或者任意组合；

在方形机盒内还设置有火灾监测处理电路板，在火灾监测处理电路板上设置有火灾监测控制器，火灾监测控制器的温度数据输入端与温度传感器的温度数据输出端相连，火灾监测控制器的烟气数据输入端与烟气传感器的烟气数据输出端相连，火灾监测控制器的CO2数据输入端与CO2传感器的CO2数据输出端相连，火灾监测控制器的湿度数据输入端与湿度传感器的湿度数据输出端相连，火灾监测控制器的风速数据输入端与风速传感器的风速数据输出端相连，火灾监测控制器的压力数据输入端与压力传感器的压力数据输出端相连；火灾监测控制器的数据端与模数转换器的房间数据端相连；

温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器和压力传感器的探头设置在方形机盒下方；

将温度传感器、烟气传感器、CO2传感器、湿度传感器、风速传感器和压力传感器测得的温度、烟气浓度、CO2浓度、湿度、风速和压力数据传输到电脑。

12.根据权利要求1所述的小尺寸火灾烟气流动模拟实验装置，其特征在于，第m走廊传感器模组包括第m方形机盒，在第m方形机盒内设置有第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器、第m走廊压力传感器之一或者任意组合；

在第m走廊方形机盒内还设置有第m走廊火灾监测处理电路板，在第m走廊火灾监测处理电路板上设置有第m走廊火灾监测控制器，第m走廊火灾监测控制器的温度数据输入端与第m走廊温度传感器的温度数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的烟气数据输入端与第m走廊烟气传感器的烟气数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的CO2数据输入端与第m走廊CO2传感器的CO2数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的湿度数据输入端与第m走廊湿度传感器的湿度数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的风速数据输入端与第m走廊风速传感器的风速数据输出端相连，第m走廊火灾监测控制器的压力数据输入端与第m走廊压力传感器的压力数据输出端相连；第m走廊火灾监测控制器的数据端与模数转换器的第m走廊数据端相连；

第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器和第m走廊压力传感器的探头设置在第m走廊方形机盒下方；

将第m走廊温度传感器、第m走廊烟气传感器、第m走廊CO2传感器、第m走廊湿度传感器、第m走廊风速传感器和第m走廊压力传感器测得的第m走廊温度、第m走廊烟气浓度、第m走廊CO2浓度、第m走廊湿度、第m走廊风速和第m走廊压力数据传输到电脑。

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