CN113916292A - 一种全尺寸房屋火灾行为测量系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全尺寸房屋火灾行为测量系统及测试方法，属于火灾安全技术领域，包括：实验建筑主体和用于对实验建筑主体火灾行为进行测量的测量系统，测量系统包括烟气温度测量子系统、空气流速测量子系统和视频采集子系统。本发明可以测量模拟的典型建筑房屋在热源作用下的火灾蔓延行为与温度场、流场分布，可以更加科学准确的反映出真实场景下的火灾危险性与指导火场救援决策。

Description

一种全尺寸房屋火灾行为测量系统及测试方法

技术领域

本发明涉及火灾安全技术领域，特别涉及一种全尺寸房屋火灾行为测量系统及测试方法。

背景技术

目前，针对建筑火灾的研究多使用简易材料搭建的模拟房屋，诸如木结构和钢结构的房屋，但对于实际砖混结构全尺寸房屋的火灾特性研究较少，且缺乏合适的火灾测量系统与测试方法，无法为实际火场的应急救援提供有效的理论指导与施救建议。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全尺寸房屋火灾行为测量系统及测试方法，以获取火场数据，为应急救援提供理论指导和施救建议。

为实现以上目的，本发明实施例提出了一种全尺寸房屋火灾行为测量系统，包括：实验建筑主体和用于对实验建筑主体火灾行为进行测量的测量系统，测量系统包括烟气温度测量子系统和空气流速测量子系统。

可选地，所述实验建筑主体为砖混结构的全尺寸房屋，房屋内布置有物品，房屋内壁粉刷有墙漆。

可选地，所述烟气温度测量子系统包括布置在所述实验建筑主体内部的多根热电偶树主杆，热电偶树主杆杆身向外延伸设有用于固定热电偶丝的固定件，热电偶丝经导线与温度采集器连接。

可选地，所述热电偶树主杆末端设有底座，底座固定在所述实验建筑主体底部；固定件设于所述热电偶树主杆杆身距离地面不同高度位置处。

可选地，所述空气流速测量子系统包括安放在所述实验建筑主体内的皮托管，皮托管管轴与气流方向一致，皮托管前缘对准气流、后缘与压力变送软管连接，压力变送软管与风速测试仪连接。

可选地，所述测量系统还包括视频采集子系统，所述视频采集子系统包括视频采集设备和视频监视器，视频采集设备经网线与视频监视器连接，视频采集设备外部布置有保护结构。

可选地，所述网线外部包裹有防护结构。

可选地，所述防护结构为隔热棉和锡箔纸构成的双层包裹结构。

此外，为实现上述目的，本发明还提出了一种全尺寸房屋火灾行为测量方法，利用如前所述的火灾行为测量系统进行火灾行为探测，包括如下步骤：

将点火源放置在预定点火位置并点火；

启动所述烟气温度测量子系统和所述空气流速测量子系统，对所述实验建筑主体火场的温度和流场信息进行采集，获得温度数据和流场数据；

基于采集的温度数据，采用比例积分法计算所述全尺寸房屋内垂直方向上不同高度的烟气层平均温度以及水平方向的温度分布梯度，构建所述全尺寸房屋火灾温度场的三维分布图；

基于采集的流场数据，计算所述全尺寸房屋内不同高度处的空气流速；

基于不同高度处的空气流速，计算所述全尺寸房屋门窗处散失的热量以用于分析房屋不同密封条件下火灾危险性。

可选地，还包括：

启动所述视频采集子系统，对所述实验建筑主体的火场视频进行采集，获得视频数据；

将所述视频数据转换为二值图像；

采用边界检测函数对所述二值图像进行分析，得到不同时间点、火焰边界所在的空间坐标；

根据空间坐标随时间的变化关系，计算火焰发展速度以用于判断火场情况。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明提出的全尺寸房屋火灾行为测量系统，可以测量模拟的典型建筑房屋在热源作用下的火灾蔓延行为与温度场、流场分布，可以更加科学准确的反映出真实场景下的火灾危险性与指导火场救援决策。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种全尺寸房屋火灾行为测量系统结构图；

图2是热电偶树末端加固结构图；

图3是一种全尺寸房屋火灾行为测量方法的流程图。

图中：

1-烟气温度测量子系统，2-空气流速测量子系统，3-视频采集子系统，4-实验建筑主体，11-热电偶树主杆，111-固定件，12-热电偶，13-温度采集器，14-底座，21-皮托管，22-压力变送软管，23-风速测试仪，31-视频采集设备，32-视频监视器，33-保护结构。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1至图2所示，本实施例公开了一种全尺寸房屋火灾行为测量系统，包括实验建筑主体4和用于对实验建筑主体4火灾行为进行测量的测量系统，测量系统包括烟气温度测量子系统1和空气流速测量子系统2。

本实施例设置了烟气温度测量子系统1与空气流速测量子系统2，可以完整且准确地记录火灾蔓延发展全过程的温度场和流场分布变化，有助于深入了解真实火场情况下的火灾危险性，为人员逃生与消防救援提供科学的数据支撑与理论依据。

作为进一步优选的技术方案，所述实验建筑主体4为砖混结构的全尺寸房屋，房屋内布置有物品，房屋内壁粉刷有墙漆。

需要说明的是，全尺寸房间中布置有聚氨酯材质沙发，木质双人床，木质床头柜和木质衣柜，房屋内壁粉刷有白色墙漆，以减少辐射传热。

作为进一步优选的技术方案，所述烟气温度测量子系统1包括布置在所述实验建筑主体4内部的多根热电偶树主杆11，所述热电偶树主杆11末端设有底座14，底座14固定在所述实验建筑主体4底部；热电偶树主杆11杆身向外延伸设有用于固定热电偶丝的固定件111，固定件111设于所述热电偶树主杆11杆身距离地面不同高度位置处，热电偶丝12经导线与温度采集器13连接。

需要说明的是，通过对热电偶树主杆采用了末端加固的不锈钢管设计，能够保障热电偶12丝在测温过程中的稳定性，提高数据的可靠程度。温度采集模块属于精密仪器，高温下易受损，热电偶丝经导线延长至远离火场处，可安全、可靠地采集到温度数据。

需要说明的是，该烟气温度测量系统由5根末端加固的热电偶树主杆11和35根K型热电偶12组成；为了保障热电偶12在火场不出现位置偏移而导致的测温误差，在每段高度处，由热电偶树主杆11向外延伸长度300mm、外径5mm(内径4mm)的不锈钢圆管，并将热电偶12丝穿过不锈钢圆管。热电偶树主杆11布置在房屋内不同位置与高度，本实施例具体将热电偶树主杆11布置在房屋四角及中央等五处位置，不锈钢圆管设于所述热电偶树主杆11杆身距离地面不同高度位置处，具体为距地面0.3m、0.9m、1.5m、2.1m、2.7m等五段高度位置处。

作为进一步优选的技术方案，所述空气流速测量子系统2包括安放在所述实验建筑主体4内的皮托管21，皮托管21管轴与气流方向一致，皮托管21前缘对准气流、后缘与压力变送软管22连接，压力变送软管22与风速测试仪23连接。

进一步来说，本实施例设置7根不锈钢材质皮托管21，配套7根合适长度的压力变送软管22，将皮托管21的管口平面与门、窗平面进行平行安装，通过压力变送软管22将风压传导至远离火场的风速测试仪23中，将压力数据转换为风速，根据空气流速测量子系统2采集到的数据有助于理解真实火灾场景下流场的变化规律。

作为进一步优选的技术方案，所述测量系统还包括视频采集子系统3，所述视频采集子系统3包括视频采集设备31和视频监视器32，视频采集设备31经网线与视频监视器32连接，视频采集设备31外部布置有保护结构33。

进一步来说，本实施例在门、窗以及墙体内两处布置4台高清POE摄像机作为视频采集设备31，用于记录全尺寸房屋中的火灾蔓延过程；视频监视器32采用一台多通道硬盘录像机，高清POE摄像机的供电与数据传输均通过一根CAT6类千兆网线与多通道硬盘录像机连接，多通道硬盘录像机内置有1TB机械硬盘，由220V交流电供电；摄像机外部布置有保护结构33为高温防爆玻璃，高温防爆玻璃能够保护高清POE摄像机镜头免受火焰的直接损害，延长对火场的有效拍摄时间。

本实施例通过设置的高温防爆玻璃观察窗可以有效地避免火焰对摄像机的直接伤害，进而可以从直观的角度观察与分析火场，提供常规探测手段难以获得的现场实际画面。采用的高清POE摄像头将供电与数据传输功能集成在一根RJ45接口的CAT6类千兆网线上，配套1T机械硬盘使用可以实现对火场视频数据的实时传送与储存。

作为进一步优选的技术方案，所述网线外部包裹有防护结构，所述防护结构为隔热棉和锡箔纸构成的双层包裹结构，其中，内层为隔热棉，外层为锡箔纸。

本实施例通过使用隔热棉与锡箔纸的双层包裹结构，对线缆等外露可燃材料进行防护，可安全、可靠地完成实验过程中的数据传输工作。

如图3所示，本实施例提出了一种火灾行为测量方法，利用前述实施例提出的全尺寸房屋火灾行为测量系统进行火灾行为探测，包括如下步骤S10至S30：

步骤S10，将点火源防止在预定点火位置并点火；

步骤S20，启动所述烟气温度测量子系统1和所述空气流速测量子系统2，对所述实验建筑主体4火场的温度和流场信息进行采集，获得温度数据和流场数据；

步骤S30，根据温度数据和流场数据，判断火场情况。

作为进一步优选的技术方案，步骤S30具体包括如下细分步骤：

步骤S31，基于采集的温度数据，采用比例积分法计算所述全尺寸房屋内垂直方向上不同高度的烟气层平均温度以及水平方向的温度分布梯度，构建所述全尺寸房屋火灾温度场的三维分布图；

需要说明的是，根据烟气温度测量子系统采集的数据，分析火场情况具体为：获取全尺寸房屋内布置的五棵热电偶树与35根热电偶测得的温度数据，并根据热电偶树在房屋内相对位置，计算其所辐射覆盖的建筑面积，由此赋予每棵热电偶树相应的权重，采用比例积分法计算得到房屋内垂直方向上距离地面0.3m、0.9m、1.5m、2.1m、2.7m高度的烟气层平均温度，以及水平方向的温度分布梯度，由此建立一套全尺寸房屋火灾温度场三维分布图。

步骤S32，基于采集的流场数据，计算所述全尺寸房屋内不同高度处的空气流速；

需要说明的是，放置于门窗处的不锈钢皮托管测得的数据为室内外空气的压力差，需要对压力数据进一步处理：

其中，v为计算所需要的风速数据；K为皮托管校正因子，一般取1.08；ΔP为所皮托管直接测得的压力差；ρ为空气的密度，由于空气密度受温度、压力以及分子量的影响，在这里简化为理想气体，并符合理想气体状态方程，M为纯净空气的相对分子质量，取29g/mol；R为理想气体常数，8.314J mol^-1K^-1；P_absolute为空气的绝对大气压；T为气体的实际开式温度。

步骤S33，基于不同高度处的空气流速，计算所述全尺寸房屋门窗处散失的热量以用于分析房屋不同密封条件下火灾危险性

需要说明的是，根据计算可以得到门窗处的空气流速数据，进一步计算由门窗处散失的热量为：

其中，i代表不同高度处的不锈钢皮托管，

为门窗处散失的热量计算值；ρ_i为i处空气的密度，同样也是通过理想气体状态方程求得；v_i为上式计算所得的i处空气流速；A_i为i处的皮托管所代表的门窗面积；C_p为i处空气的比热容，其与空气的温度有对应关系；ΔT为i处从室温开始的上升温度差。通过对不同位置不锈钢皮托管的散失热量值进行累加，可以计算出门窗处总的热量散失值，这将有助于分析房屋不同密封条件下的火灾危险性。

作为进一步优选的技术方案，还包括如下步骤S40至S50：

步骤S40，启动所述视频采集子系统3，对所述实验建筑主体4的火场视频进行采集，获得视频数据；

步骤S50，根据视频数据，分析火场情况。

需要说明的是，根据视频数据，可以从不同的角度对火灾的孕育和发生进行实时观察，对室内烟气层高度、可见度、室内的火焰形态、窗和门火溢流火的尺寸和形状等关键参数进行有效的测量。并使用MATLAB对拍摄的视频进行后期处理，首先将待处理的视频转化为若干个RGB图像，通过自行编译的代码，将RGB图像转化为灰度图，接着进行阈值设置，将灰度图转化为二值图像，对其进行二维分析，采用边界检测函数得到不同时间点、火焰边界所在的空间坐标，从而可以获取溢流火的高度和宽度，根据空间坐标随时间的变化关系，进一步计算可以得到火焰发展的速度等参数，由此综合判断火场情况。

需要说明的是，本实施例利用全尺寸房屋火灾行为测量系统进行火灾行为测量的具体过程如下：

(1)根据实验工况安装或拆卸门窗，以实现封闭条件的调整；检查现场烟气温度、空气流速、火场视频采集系统的各个部件和线路连接状态，确保装置均能够正常工作，在测试前可先行调试，对采集设备进行校准与标定；

(2)将点火源100*100*50mm正庚烷油池放置在预定点火位置，使用卡式喷枪对油池进行点火，在点燃正庚烷液体的同时，启动烟气温度测量系统的无纸数据记录仪，空气流速测量系统的计算机数据采集软件以及火场视频采集系统的硬盘录像机，

(3)通过三套测量系统从火场中传输出实时数据，观察火灾蔓延与温度、流场变化情况。现场应当布置有完善的消防灭火设施，以应对突发的危险情形。

(4)根据视频采集系统和温度测量系统的数据判断火场情况，在现场无明火且温度降至室温时停止实验，关闭各测量系统，清理现场尚未完全燃烧的残留物。

本实施例通过利用全尺寸房屋火灾行为测量系统，可测量模拟的典型建筑房屋在热源作用下的火灾蔓延与发展情况；可根据具体的测试要求更改实验条件，例如测试不同封闭条件的房屋在发生火灾时的火蔓延行为与温度场、流场分布特征，可以为研究典型建筑火灾发生特点和事故溯源提供科学的实验手段，也可为火灾预控措施提供有力的指导，从而从根本上降低建筑房屋火灾的发生和降低火灾事故所造成的损失，保障人身和财产安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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)

1.一种全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，包括：实验建筑主体和用于对实验建筑主体火灾行为进行测量的测量系统，测量系统包括烟气温度测量子系统和空气流速测量子系统。

2.如权利要求1所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述实验建筑主体为砖混结构的全尺寸房屋，房屋内布置有物品，房屋内壁粉刷有墙漆。

3.如权利要求1所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述烟气温度测量子系统包括布置在所述实验建筑主体内部的多根热电偶树主杆，热电偶树主杆杆身向外延伸设有用于固定热电偶丝的固定件，热电偶丝经导线与温度采集器连接。

4.如权利要求3所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述热电偶树主杆末端设有底座，底座固定在所述实验建筑主体底部；固定件设于所述热电偶树主杆杆身距离地面不同高度位置处。

5.如权利要求1所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述空气流速测量子系统包括安放在所述实验建筑主体内的皮托管，皮托管管轴与气流方向一致，皮托管前缘对准气流、后缘与压力变送软管连接，压力变送软管与风速测试仪连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括视频采集子系统，所述视频采集子系统包括视频采集设备和视频监视器，视频采集设备经网线与视频监视器连接，视频采集设备外部布置有保护结构。

7.如权利要求6所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述网线外部包裹有防护结构。

8.如权利要求7所述的全尺寸房屋火灾行为测量系统，其特征在于，所述防护结构为隔热棉和锡箔纸构成的双层包裹结构。

9.一种全尺寸房屋火灾行为测量方法，其特征在于，利用如权利要求1-8任一项所述的火灾行为测量系统进行火灾行为探测，包括如下步骤：

将点火源放置在预定点火位置并点火；

启动所述烟气温度测量子系统和所述空气流速测量子系统，对所述实验建筑主体火场的温度和流场信息进行采集，获得温度数据和流场数据；

基于采集的温度数据，采用比例积分法计算所述全尺寸房屋内垂直方向上不同高度的烟气层平均温度以及水平方向的温度分布梯度，构建所述全尺寸房屋火灾温度场的三维分布图；

基于采集的流场数据，计算所述全尺寸房屋内不同高度处的空气流速；

基于不同高度处的空气流速，计算所述全尺寸房屋门窗处散失的热量以用于分析房屋不同密封条件下火灾危险性。

10.如权利要求9所述的全尺寸房屋火灾行为测量方法，其特征在于，还包括：

启动所述视频采集子系统，对所述实验建筑主体的火场视频进行采集，获得视频数据；

将所述视频数据转换为二值图像；

采用边界检测函数对所述二值图像进行分析，得到不同时间点、火焰边界所在的空间坐标；

根据空间坐标随时间的变化关系，计算火焰发展速度以用于判断火场情况。

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