CN113899579A - 一种热驱动式火旋风模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热驱动式火旋风模拟实验装置，包括实验装置本体和液面恒定维持机构；实验装置本体包括实验台以及安装于实验台上的火旋风模拟架，所述实验台上设有用于安装燃烧器的安装位；所述液面恒定维持机构包括补液池和持续为补液池补给液体的储液池，所述补液池具有溢流口；所述补液池与燃烧器通过连接管连通。本发明所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，通过液面恒定维持机构可实时对燃烧器内补充燃料，维持燃料液面的恒定，并且精确计算火旋风的燃烧速率。
Description
技术领域
本发明属于火旋风模拟实验技术领域，尤其是涉及一种可实时维持燃料液面恒定的热驱动式火旋风模拟实验装置。
背景技术
火旋风常见于森林草原火灾、森林城市交界域火灾中，是一种燃烧和周围旋转环量相互耦合作用诱发的极端火现象。火旋风的燃烧速率、辐射热流、火焰高度等特征参数比普通浮力池火更高，而且火旋风剧烈的旋转速度可抬升起周围可燃物诱发飞火产生新的点火源，进而加快火灾的蔓延。因此有必要开展火旋风燃烧和流动规律研究，为火旋风灾害的预防和扑救提供可靠的理论支撑。
火旋风的形成需要生成涡、流体汇和施加于水平面的摩擦力三个关键因素，基于生成涡的诱发方式，实验室条件下模拟火旋风的装置可分为两类，一类是热驱动式火旋风模拟装置，该类装置的特点是生成涡是由火羽流自然诱发的；另一类是机械驱动式火旋风模拟装置，此类装置通过风机或旋转纱幕等机械手段来诱发生成涡。对于热驱动式火旋风模拟方法，Byram和Martin利用带有切向狭缝的中空圆柱形壳体装置诱发了火旋风，他们发现酒精火旋风的燃烧速率大概是普通酒精池火的3倍。Hassan等人使用两个垂直相对错开的半圆柱壳体开展了火旋风实验，结果表明火旋风切向速度和径向速度随着径向方向变大。
但是现有的上述热驱动式火旋风模拟装置在维持燃料液面恒定方面存在不足，无法开展燃料液面高度对火旋风燃烧和流体动力学特征参数影响方面的研究。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种热驱动式火旋风模拟实验装置，以解决现有的热驱动式火旋风模拟实验装置在维持燃料液面恒定方面存在不足的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种热驱动式火旋风模拟实验装置，包括实验装置本体和液面恒定维持机构；
实验装置本体包括实验台以及安装于实验台上的火旋风模拟架，所述实验台上设有用于安装燃烧器的安装位；
所述液面恒定维持机构包括补液池和持续为补液池补给液体的储液池，所述补液池具有溢流口；
所述补液池与燃烧器通过连接管连通。
进一步的，所述火旋风模拟架包括架体以及安装于架体上的多个挡板，多个挡板围绕燃烧器周向设置，相邻的挡板之间预留空气卷吸狭缝，所述架体的底部与实验台固定安装。
进一步的，所述挡板上下端均设有滑轨，其中，上端滑轨与架体固定安装，下端滑轨与实验台固定安装，挡板与上下端滑轨滑动配合。
进一步的，所述挡板的数量为8块。
进一步的，所述实验台底部具有多根支腿；
支腿底部设有万向轮。
进一步的，所述安装位为方形沉孔；
所述燃烧器为油盘，油盘的上端周向设有与方形沉孔对应的外延裙边，所述外延裙边安装于方形沉孔内，油盘的下端设置于实验台底部，油盘外侧下端设有进液口，进液口通过连接管与补液池连通。
进一步的，液面恒定维持机构还包括支架，自上向下依次放置有储液池、补液池、蓄液池，储液池的底部设有出液口，出液口通过连通管连通至补液池上端，用于为补液池输送液体燃料；
补液池的溢流口设置于补液池侧面上端，连接管与补液池的底端连通，溢流口的外侧端还对应设有连通管，连通管的另一端连通至蓄液池的上端。
进一步的，所述连接管上设有流量计；
所述连通管上设有阀门；
所述支架的底部设有升降台。
进一步的，还包括测量机构，测量机构包括热电偶阵列、辐射热流计、红外热像仪、摄像机、粒子图像测速系统、流量监测系统；
热电偶阵列包括多支热电偶，热电偶等间距竖直排列，热电偶阵列置于实验台中心燃烧器的正上方，用以测量火焰中轴线温度；
辐射热流计置于火旋风模拟架内部，沿实验台台面水平放置，用以测量火焰在水平方向上的辐射热流密度；
红外热像仪、摄像机设置于实验台一侧，用以测量火焰面的温度分布和火焰高度；
粒子图像测速系统用以测量火焰的速度场。
进一步的，粒子图像测速系统包括激光器和CCD摄像机，其中，激光器与火焰中心的连线垂直于CCD摄像机与火焰中心的连线。
相对于现有技术，本发明所述的热驱动式火旋风模拟实验装置具有以下优势：
(1)本发明所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，通过液面恒定维持机构可实时对燃烧器内补充燃料，维持燃料液面的恒定，并且精确计算火旋风的燃烧速率。
(2)本发明所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，可模拟开展不同液体燃料不同燃烧器尺寸条件下普通浮力池火和火旋风燃烧试验，获得燃烧速率、温度、辐射热流密度、火焰高度、速度场等特征参数，尤其可以开展不同燃料液面高度对火旋风火焰燃烧及流体动力学特征参数的影响，研究范围广，获取的数据量大。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的热驱动式火旋风模拟实验装置整体结构图；
图2为本发明实施例所述的热驱动式火旋风模拟实验装置主视图；
图3为本发明实施例所述的热驱动式火旋风模拟实验装置局部俯视图；
图4为本发明实施例所述的实验台结构图；
图5为本发明实施例中所述的燃烧器结构示意图。
附图标记：
1、实验台；11、万向轮；12、方形沉孔；2、架体；3、挡板；4、滑轨；5、支架；51、储液池；52、连通管；53、补液池；54、蓄液池；55、升降台；6、连接管；61、流量计；7、燃烧器；71、外延裙边。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图5所示，一种热驱动式火旋风模拟实验装置，包括实验装置本体和液面恒定维持机构；
实验装置本体包括实验台1以及安装于实验台1上的火旋风模拟架，所述实验台1上设有用于安装燃烧器7的安装位；
所述液面恒定维持机构包括补液池53和持续为补液池53补给液体的储液池51，所述补液池53具有溢流口；
所述补液池53与燃烧器7通过连接管6连通，连接管6优选采用软管。
所述火旋风模拟架包括架体2以及安装于架体2上的多个挡板3，多个挡板3围绕燃烧器7周向设置，相邻的挡板3之间预留空气卷吸狭缝，所述架体2的底部与实验台1固定安装，架体2采用但不限于不锈钢架体2。
所述挡板3上下端均设有滑轨4，其中，上端滑轨4与架体2固定安装，下端滑轨4与实验台1固定安装，挡板3与上下端滑轨4滑动配合，实现空气卷吸狭缝的宽度可调。
优选的，所述挡板3的数量为8块，挡板3的材质采用但不限于耐高温钢化玻璃。
如图1所示，所述实验台1底部具有多根支腿；支腿底部设有万向轮11，其中万向轮11的选择，优选具有可锁死功能的万向轮11。
如图3至图5所示，所述安装位为方形沉孔12，利用方形沉孔12可以使得安装后的燃烧器7的上端与实验台1的台面持平。
所述燃烧器7为油盘，油盘的上端周向设有与方形沉孔12对应的外延裙边71，所述外延裙边71安装于方形沉孔12内，油盘的下端设置于实验台1底部，油盘外侧下端设有进液口，进液口通过连接管6与补液池53连通，油盘的型号有多种，可以灵活选择，但是外延裙边71的外部尺寸都相同，与方形沉孔12的尺寸相匹配。
液面恒定维持机构还包括支架5，自上向下依次放置有储液池51、补液池53、蓄液池54，储液池51的底部设有出液口，出液口通过连通管52连通至补液池53上端，用于为补液池53输送液体燃料；
补液池53的溢流口设置于补液池53侧面上端，实验时，溢流口的高度与燃烧器7的上缘持平，利用连通器的原理，实现补液池53液面与燃烧器7的液面持平，连接管6与补液池53的底端连通，溢流口的外侧端还对应设有连通管52，连通管52的另一端连通至蓄液池54的上端。
所述连接管6上设有流量计61，其中流量计61的数据通过数据线实时采集到电脑，用以计算燃料质量损失，从而获得火焰的燃烧速率。
所述连通管52上设有阀门，阀门可以采用手动阀门也可以采用电动阀门，连通管52的形状可以是图1、图2中所示的U型管，也可以是安装于池体底部的直管；
所述支架5的底部设有升降台55，通过升降台55调整溢流口的高度，进而调整燃烧器7内的液面高度，如图1、图2所示，升降台55采用但不限于剪式升降台55，支架5采用但不限于不锈钢支架5。
一种热驱动式火旋风模拟实验装置还包括测量机构，测量机构包括热电偶阵列、辐射热流计、红外热像仪、摄像机、粒子图像测速系统、流量监测系统；
热电偶阵列包括多支热电偶，热电偶等间距竖直排列，热电偶阵列置于实验台1中心燃烧器7的正上方，用以测量火焰中轴线温度；
辐射热流计置于火旋风模拟架内部，沿实验台1台面水平放置，用以测量火焰在水平方向上的辐射热流密度；
红外热像仪、摄像机设置于实验台1一侧，用以测量火焰面的温度分布和火焰高度；
粒子图像测速系统包括激光器和CCD摄像机，用以测量火焰的速度场，其中，激光器与火焰中心的连线垂直于CCD摄像机与火焰中心的连线。
实验方法步骤如下(参考图1、图2)：
1、步骤一，实验准备阶段。
(1)将实验装置本体和液面恒定维持机构调整到合理的位置。
(2)布置安装实验测量机构中所涉及的仪器与传感器，检查其状态是否正常。
2、步骤二，实验装置本体参数确定。
(1)选定燃烧器7尺寸，将燃烧器7嵌入实验台1的方形沉孔12内。
(2)调整每面钢化玻璃的位置，使相邻钢化玻璃之间的狭缝宽度保持一致。
3、步骤三，液面恒定维持机构的参数确定。
(1)将储液池51、补液池53和蓄液池54放置在具有三层放置板的不锈钢支架5上，使储液池51和补液池53连通管上的阀门处于关闭状态。
(2)将流量计61的一端通过软管与补液池53侧壁底部相连，将流量计61的另一端通过软管与燃烧器7的底端相连。
(3)调节剪式升降台55的高度，使补液池53侧壁上沿溢流口的高度与燃烧器7上缘处于同一高度。
(4)开启补液池53管路上的阀门，将液体燃料注入补液池53，待燃料充满补液池53与燃烧器7，并且液面达到补液池53溢流口的位置后，停止注入燃料。
(5)在储液池51中注入燃料，燃料液面在储液池51四分之三高度处后停止注入燃料。
4、步骤四，实验测试阶段。
(1)确定实验中燃烧器7内燃料液面的高度参数。
(2)调整剪式升降台55，使补液池53侧壁上沿开孔高度与所需燃料液面高度一致。
(3)点燃工作台面中间燃烧器7内的燃料。
(4)打开储液池51侧壁底部管路的阀门，这样燃料慢慢补充到补液池53中，当补液池53液面超过其侧壁开孔高度时，燃料会通过U型管路流入蓄液池54，由于连通器原理，补液池53和燃烧器7内的燃料液面始终处于同一高度上。
(5)开启测量系统中的仪器和传感器，记录实验过程中火焰温度、热流密度、火焰高度、燃烧速率、速度场等相关数据。
5、步骤五，实验结束阶段。
(1)在相关数据采集达到实验要求后，关闭储液池51和补液池53侧壁管路上的阀门，停止向燃烧器7内补充燃料。
(2)关闭实验测试控制系统中的所有仪器和传感器，停止数据采集。
(3)燃烧器7内的燃料燃尽后，火焰熄灭，结束实验。
利用本发明的一种热驱动式火旋风模拟实验装置可实现以下实验：
1、可实时维持燃料液面恒定的火旋风实验
设置实验装置本体、液面恒定维持机构的相对位置；布置热电偶阵列、辐射热流计、红外热像仪、普通摄像机、粒子图像测速系统等仪器设备；选定燃烧器7，将其嵌入实验台1方形沉孔12；确定钢化玻璃空气卷吸狭缝尺寸，使其八个狭缝在相同宽度，且八个狭缝形成逆时针排列的空气卷吸进口，以在实验过程中诱发形成火旋风；将储液池51、补液池53和蓄液池54放置在三层不锈钢支架5上，关闭储液池51和补液池53管路上的阀门；利用软管连接流量计61和补液池53，同时连接流量计61和燃烧器7；调节剪式升降台55高度，使燃烧器7上沿与补液池53侧壁上沿的溢流口处于同一高度；将燃料分别注入储液池51和补液池53，使燃料液面分别达到储液池51四分之三和补液池53侧壁上沿开孔位置；开启补液池53管路上的阀门，将燃料注入燃烧器7；再次调节剪式升降台55，设置燃烧器7内燃料液面达到实验工况所需的高度；点燃燃烧器7内的燃料；打开储液池51侧壁底部管路的阀门，对燃烧器7内进行实时补液，以维持其液面恒定；开启所有测量仪器设备，记录实验过程中相关数据；获取火旋风火焰稳定燃烧状态的相关实验数据后，关闭储液池51和补液池53侧壁管路上的阀门，停止补充燃料；关闭所有实验测试仪器，保存数据并停止数据采集；待燃烧器7内燃料燃尽后，结束实验。通过该实验获得的数据，可综合分析相同燃料液面高度下火旋风火焰燃烧及流体动力学规律，以及不同燃料液面高度对火旋风火焰高度、燃烧速率等特征参数的影响。
2、可实时维持燃料液面恒定的普通浮力池火实验
该实验不需要使用钢化玻璃形成空气卷吸进口，在实验前需首先通过滑轨4卸下八面钢化玻璃；确定燃烧器7尺寸，将其嵌入实验台1方形沉孔12；设置热电偶阵列、辐射热流计、红外热像仪、普通摄像机、粒子图像测速系统等仪器；将储液池51、补液池53和蓄液池54放置在三层不锈钢支架5上，关闭储液池51和补液池53管路上的阀门；利用软管连接流量计61和补液池53，同时连接流量计61和燃烧器7；调节剪式升降台55高度，使燃烧器7上沿与补液池53侧壁上沿开孔处于同一高度；将燃料分别注入储液池51和补液池53，使燃料液面分别达到储液池51四分之三和补液池53侧壁上沿开孔位置；开启补液池53管路上的阀门，将燃料注入燃烧器7；再次调节剪式升降台55，设置燃烧器7内燃料液面达到实验工况所需的高度；点燃燃烧器7内的燃料；打开储液池51侧壁底部管路的阀门，对燃烧器7内进行实时补液，以维持其液面恒定；开启所有测量仪器设备，记录实验过程中相关数据；获取普通浮力池火稳定燃烧状态的相关实验数据后，关闭储液池51和补液池53侧壁管路上的阀门，停止补充燃料；关闭所有实验测试仪器，保存数据并停止数据采集；待燃烧器7内燃料燃尽后，结束实验。通过该实验获得的数据，可分析不同燃料液面高度对池火火焰高度、燃烧速率等特征参数的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于，包括实验装置本体和液面恒定维持机构；
实验装置本体包括实验台以及安装于实验台上的火旋风模拟架，所述实验台上设有用于安装燃烧器的安装位；
所述液面恒定维持机构包括补液池和持续为补液池补给液体的储液池，所述补液池具有溢流口；
所述补液池与燃烧器通过连接管连通。
2.根据权利要求1所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：所述火旋风模拟架包括架体以及安装于架体上的多个挡板，多个挡板围绕燃烧器周向设置，相邻的挡板之间预留空气卷吸狭缝，所述架体的底部与实验台固定安装。
3.根据权利要求2所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：所述挡板上下端均设有滑轨，其中，上端滑轨与架体固定安装，下端滑轨与实验台固定安装，挡板与上下端滑轨滑动配合。
4.根据权利要求2所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：所述挡板的数量为8块。
5.根据权利要求2所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：所述实验台底部具有多根支腿；
支腿底部设有万向轮。
6.根据权利要求1所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：所述安装位为方形沉孔；
所述燃烧器为油盘，油盘的上端周向设有与方形沉孔对应的外延裙边，所述外延裙边安装于方形沉孔内，油盘的下端设置于实验台底部，油盘外侧下端设有进液口，进液口通过连接管与补液池连通。
7.根据权利要求1所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：液面恒定维持机构还包括支架，自上向下依次放置有储液池、补液池、蓄液池，储液池的底部设有出液口，出液口通过连通管连通至补液池上端，用于为补液池输送液体燃料；
补液池的溢流口设置于补液池侧面上端，连接管与补液池的底端连通，溢流口的外侧端还对应设有连通管，连通管的另一端连通至蓄液池的上端。
8.根据权利要求1或7所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：所述连接管上设有流量计；
所述连通管上设有阀门；
所述支架的底部设有升降台。
9.根据权利要求1所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：还包括测量机构，测量机构包括热电偶阵列、辐射热流计、红外热像仪、摄像机、粒子图像测速系统、流量监测系统；
热电偶阵列包括多支热电偶，热电偶等间距竖直排列，热电偶阵列置于实验台中心燃烧器的正上方，用以测量火焰中轴线温度；
辐射热流计置于火旋风模拟架内部，沿实验台台面水平放置，用以测量火焰在水平方向上的辐射热流密度；
红外热像仪、摄像机设置于实验台一侧，用以测量火焰面的温度分布和火焰高度；
粒子图像测速系统用以测量火焰的速度场。
10.根据权利要求9所述的热驱动式火旋风模拟实验装置，其特征在于：粒子图像测速系统包括激光器和CCD摄像机，其中，激光器与火焰中心的连线垂直于CCD摄像机与火焰中心的连线。
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