CN114544704A - 一种中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法，包括高热通量辐照加载模块，试验舱室模块，以及测量诊断模块；所述高热通量辐照加载模块用于模拟复杂场景中的动态高热通量加载条件；所述试验舱室模块用于控制试验的环境参数；所述测量诊断模块用于记录图像和数据。与国内外高热通量辐照条件相比，本申请具有更大的光斑，可以减小尺寸效应的影响；具有更均匀的光强分布，可以更接近实际工况中的均匀辐照；产生的光强时间波形曲线更逼近极端场景中复杂的动态高热通量曲线。

Description

一种中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法

技术领域

本发明涉及高热通量(≥0.1MW/m²)辐照效应试验研究领域，具体涉及中尺度(5～10cm级)的高热通量辐照着火试验系统及其方法；适用于可燃物在高热通量辐照条件下的热解、着火和燃烧特性的火灾研究领域。

背景技术

推进剂着火、强爆炸、工业爆炸、电弧放电、陨石撞击等极端场景中产生的光辐射，可导致周围可燃物的热解、着火和燃烧，进一步引发城市或森林火灾。本试验方法适用于试验模拟上述极端场景下的高热通量辐照着火效应研究，可用于火灾评估和防护，对国防和工业等领域具有重要意义。

首先，极端场景下的高热通量辐照，具有热通量较高(MW/m²量级)、辐照面积较大、光强分布均匀、光强时间波形复杂且动态变化的特点。针对当前技术和方法进行国内外数据库的检索，发现：(1)达到高热通量(MW/m²级)的光斑尺寸较小＜5cm，比如文献(Brownand Engerer et al.,Fire Safety Journal,2021)为5cm，但实际只有光斑的中心2～3cm内才达到MW/m²级；(2)光强分布均匀较差，比如文献1的为高斯分布，离均匀光斑相差较大；(3)文献1和文献2的光强时间波形仅为单一的梯形，与真实场景的相对偏差超过50％。

其次，高热通量辐照着火试验，应具有良好的环境参数可控性，同类工况下的试验环境参数应保持一致。然而文献中测得风速和风向的平均离散度高达34％和23％，环境温度范围7-30℃，湿度条件的可控性也较差。导致纤维素(Cellulose)材料试验结果中，热解延迟时间和着火延迟时间的离散度分别高达约31％和22％；此外，在非晴天或大风天气均无法开展实验。

最后，在测试诊断方法中，一方面，光学摄影技术是最重要的手段之一，然而文献1的辐射光源主要为可见光波段，同时作为重要现象观测手段的光学相机也基于可见光波段，两者光谱高度重叠，而且辐射光强度远大于火焰等观测对象的光信号强度，导致辐照区域严重曝光过度或辐照区域外围曝光不足，相机记录物理图像的辨识度不高。另一方面，通过测量试验过程中的质量变化曲线，转换得到临界质量流是重要着火判据之一，然而高热通量辐照试验中的热解和着火响应仅约零点几秒-数秒，在如此短时间内得到足够的数据点，要求天平系统的采样率≥5Hz，但目前未发现相关测试技术和方法的报道。文献1也仅测量试验前后的样品质量变化，无法获得临界质量流结果，也无法建立高热通量辐照条件下临界质量流的着火新判据。

综上所述，现有的试验系统和方法，存在辐照加载的特征参数与真实场景的差异较大，试验环境参数可控性较差，测试获得的结果不够全面、物理图像不够清晰等诸多问题，导致试验结果数据的离散系数较大，无法反映真实场景下的辐照效应。因此，需要开发一套中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法，可更真实地模拟不同极端场景下的复杂动态高热通量辐照加载条件，在更可控的试验环境下，更全面且清晰地采集重复性更好的试验数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法，以期解决背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，包括高热通量辐照加载模块，试验舱室模块，以及测量诊断模块；所述高热通量辐照加载模块用于模拟复杂场景中的动态高热通量加载条件；所述试验舱室模块用于控制试验的环境参数；所述测量诊断模块用于记录图像和数据。

在一些实施例中，所述高热通量辐照加载模块包括激光器及其电源单元、控制单元，所述激光器及其电源单元，用于输出高热通量辐照光，其波长为非可见光波段，其基本辐照参数需同时满足三项指标：光斑口径≥6cm、光强均匀性≥90％，热通量峰值≥1MW/m²。

在一些实施例中，所述控制单元，通过控制激光器及其电源单元，使其输出不同的光强时间波形曲线，用于模拟极端场景中动态复杂的光强时间波形曲线，两者的平均相对误差在±20％之内，从而实现复杂动态场景的高保真模拟。

在一些实施例中，所述试验舱室模块包括舱室，舱室内设有用于放置样品的光学平台，舱室的侧壁上设有用于激光器发出准直强光穿过的透光窗口；所述舱室的上方设有抽排风组件，下方设有单向进气组件，舱室内设有气氛监测组件。

在一些实施例中，所述舱室内还设有主动灭火组件。

在一些实施例中，还包括连接激光器和舱室的全封闭防护罩。

在一些实施例中，所述测量诊断模块，包括触发单元、高速光学拍摄单元、样品表面补光灯和侧面背光灯单元、高速红外热成像单元、动态质量损失测量单元、光电测试单元；

所述高速光学拍摄单元，由多台高速相机分别从样品的多个不同角度，同步拍摄辐照试验全过程；拍摄时间分辨率优于0.01s。

在一些实施例中，所述表面补光灯和侧面背光灯单元，用于提升高速光学拍摄单元拍摄图像的对比度、避免着火时刻的剧烈亮度变化导致图像过曝，以及捕捉初始热解时刻产生的微量半透明热解气体；所述高速红外热成像单元，其拍摄的时间分辨率应优于0.01s；

空间分辨率指标：被测样品表面每平方毫米对应红外热像仪CCD上的像素点不小于1个，满足温度的时空分布测试要求。

在一些实施例中，所述动态质量损失测量单元，其天平的采集精度≥0.01g，采样率≥5Hz，满足高时间分辨率要求，以获得临界质量流。

本实施例还提供了一种中尺度高热通量辐照着火试验方法，基于上述的系统实现，包括以下步骤：

a)标定激光器的基本辐照参数：包括光斑口径、光强均匀性和热通量峰值，确保控制单元的控制参数与辐照参数一一对应；

b)确定辐照条件：提取实际场景在目标距离的高热通量特征参数；将特征参数输入高热通量辐照加载模块的控制单元，用于确定单次试验的辐照条件；

c)将被测样品安装在舱室内的光学平台上，确保辐照光斑瞄准被测样品表面；

d)调整试验舱室模块的环境条件，确保温度和湿度，氧含量，风速和风向，气压各项参数指标与工况要求一致；

e)根据测试样品和测试条件，修改测量诊断模块各单元的各项控制参数，随后调至待触发状态；

f)开启激光器产生辐照光被测样品，同时，测量诊断模块各单元被触发，同步记录图像和数据；

g)实验结束后，先采用灭火装置处理样品，再抽离舱室内的燃烧烟尘产物，经过滤后排放；

h)数据后处理：对多角度高速光学图片进行同步、零时刻校准、添加时间戳标记、横向拼接等批量处理，通过多角度图像序列，从而综合精确判断样品的各类辐照响应现象。

有益效果

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1.本发明可更真实地模拟不同动态场景下的辐照特征。

与国内外高热通量辐照条件相比，本专利具有更大的光斑，可以减小尺寸效应的影响；具有更均匀的光强分布，可以更接近实际工况中的均匀辐照；产生的光强时间波形曲线更逼近极端场景中复杂的动态高热通量曲线。这些加载能力，为模拟极端场景下可燃物的热解和着火特性实验研究提供了先决条件。

2.本发明更稳定地控制试验环境参数。

相比而言，国内外高热通量试验中未考虑舱室，而本专利设计的舱室系统具备气氛检测与控制的功能、流场控制的功能、配套测试的功能、安全防护的功能、烟尘过滤排放的功能。表现为环境参数可控性高，试验重复性好。

3.获得的物理图像更清晰、数据更全面。

与国内外高热通量辐照条件相比，在可见光观测方面，本专利通过设计非可见光作为辐照光，实现与观测光的可见光波段的完全分离。因此，通过选择性过滤非可见光辐照光，并结合适量的可见光补光，可清晰地全程观测可燃物表面的细微变化，从而更准确地判断至关重要的热解和着火时刻。在质量测试方面，本专利通过在线测量变化，可进一步算出质量损失速率，因此可获得高热通量辐照条件下临界质量流的着火新判据。

附图说明

图1为激光器内部结构及关键组件分布示意图；

图2为辐照光斑的固定形貌尺寸；

图3为辐照光斑的固定均匀性；

图4为激光输出功率和热通量，与控制电流的关系；

图5为真实强爆炸场景的热通量时间波形与本申请对其拟合逼近的多级阶梯波形；

图6为激光辐照特性试验舱室的结构示意图；

图7为中尺度高热通量辐照着火试验系统的俯视示意图；

图8为一个实施例中记录的辐照着火过程序列图；

图9为一个实施例中高速红外热成像相机记录的红外热分布序列图；

图10为一个实施例中高时间分辨率电子天平记录的动态质量损失时间曲线；

图11为一个实施例中可燃物表面散射激光和燃烧火焰的光强随时间的变化；

图示说明：1-激光器封装外壳，2-大功率二极管阵列，3-耦合组件，4-匀化组件，5-扩束准直组件，6-舱室，7-气氛监测组件，8-透光窗口，9-光学平台，10-样品，11-全封闭防护罩，12-主动灭火组件，13-抽排风组件，14-激光器及其电源单元，15-单向进气组件，16-湿法除尘组件，17-高时间分辨率天平，18-侧面高速相机，19-斜面高速相机，20-正面高速相机，21-高速红外热成像相机，22-补光灯，23-光电倍增管，25-背光灯。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

以下将结合图1-5对本申请实施例所涉及的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

为掌握不同场景对应的动态高热通量辐照下可燃物的热解和着火特性，本发明克服了上述现有系统和方法中存在的不足，建立了一种中尺度高热通量辐照着火试验的系统以及相应试验方法。该试验系统由高热通量辐照加载模块，试验舱室6模块，以及测量诊断模块组成。

所述高热通量辐照加载模块，主要由激光器及其电源单元14、控制单元组成，用于模拟复杂场景中的动态高热通量加载条件。

所述激光器及其电源单元14，用于输出高热通量辐照光。图1给出了激光器的内部结构示意图，在激光器封装外壳1的内部，由数十个单位LD bar快轴堆叠形成的大功率二极管阵列2产生的高功率激光，首先经柱透镜组组成的耦合组件3优化后实现快慢轴聚焦；然后，光束进入匀化组件4实现八边介质波导匀化；随后，采用非球面透镜组成的扩束准直组件5，将波导输出后的光束扩束准直成像，最终从特殊镀膜的外壳窗口出光。激光的波长通常为非可见光波段，其基本辐照参数需同时达到三项指标：光斑口径10cm、光强均匀性为95％，最大热通量为1.25MW/m²。

所述控制单元，通过控制激光器及其电源单元14，使其输出不同的光强时间波形曲线(如图5所示)，用于模拟极端场景中动态复杂的光强时间波形曲线，两者的相对误差为10％，从而更真实地模拟了复杂的强爆炸场景下的功率时间波形。

所述试验舱室6模块如图6所示，用于控制试验的环境参数，主要具有以下功能：

1.空气流场控制的功能。通过舱室6的侧壁保护舱室6内的空气流场，不受舱室6外环境中随机变化的空气流场影响；还可以结合舱室6上方的抽排风组件13和舱室6下方的单向进气组件15，通过调节抽排风量的大小，在舱室6内形成相对稳定的空气流场。

2.气氛监测与控制的功能。在实验前，结合舱室6所在实验室的恒温恒湿控制系统，通过舱室6内的气氛监测组件7测量舱室6内空气的温度和湿度，以及氧浓度和二氧化碳浓度，确保试验环境条件满足工况要求，以及确保每次试验前的空气组分恢复至大气环境的初始值。

3.试验过程中，激光器发出准直强光穿过舱室6侧壁的透光窗口8辐照于光学平台9上的样品10表面，并使其快速点燃；同时，舱室6侧壁的多个其他透光窗口8用于试验过程中大部分诊断模块的观测。

4.安全防护的功能。其一，激光出光过程中，连接激光器和舱室6的全封闭防护罩11用于防止其他物体意外进入光路；其二，主动灭火组件12，用于试验结束后人为熄灭持续燃烧的可燃物，确保火势的安全可控。

5.烟尘过滤抽离的功能。在实验结束后，开启舱室6上方的抽排风组件13形成负压，结合舱室6下方的单向进气组件15，将试验过程产生的产物通过湿法除尘组件16，实现环保排放。

所述测量诊断模块，由触发单元、高速光学拍摄单元、补光灯22和高均匀性背光灯25、高速红外热成像相机21、高时间分辨率天平17、光电测试单元组成。其中，高时间分辨率天平17位于舱室6内部，其余组件位于舱室6外侧。图7给出了某示例中测量诊断模块布局的俯视示意图。试验过程中，当激光器出光时，光束穿过舱室6侧壁的透光窗口8，辐照于样品10表面；同时，激光经样品10表面散射后，被光电倍增管239捕捉从而生成触发信号，使测量诊断模块的其他单元开始记录。

所述高速光学拍摄单元，由多台高速相机分别从可燃物样品10的多个不同角度，同步拍摄辐照试验全过程。以图7为例，在舱室6侧壁的三个透光窗口8之外，高速光学拍摄单元由正面高速相机20、斜面高速相机19和侧面高速相机18组成，分别从相对于样品10的三个不同方位/角度同步拍摄试验过程，其拍摄时间分辨率优于0.01s，以有效区别被测样品10的热解、着火等响应时刻。其中，为了避免MW/m²级高强度的激光对图像的干扰，在关注样品10表面细节的正面高速相机20和侧面高速相机18的镜头上，安装与激光波段相应的滤光片以排出激光的干扰。

所述补光灯22，具有两点作用。其一，在着火之前舱室6内的黑暗环境中提供光源，辅助正面高速相机20清晰记录样品10辐照表面的炭化、热解等关键现象；其二，给予初始画面一定的亮度，从而避免着火时刻画面亮度的剧烈变化导致的过曝现象。以图7为例，在舱室6侧壁的透光窗口8之外，补光灯22位于样品10的另一斜面方向。

所述背光灯25，其亮度分布的均匀性极高，作为背景光源用于捕捉样品10在热解早期发出的半透明气体，以确定热解的起始时刻。以图7为例，在舱室6侧壁的透光窗口8之外，背光灯25位于侧面高速相机18的拍摄方向。

所述高速红外热成像相机21，其拍摄的时间分辨率也应优于0.01s，空间分辨率指标：被测样品10表面每平方毫米对应红外热像仪CCD上3.3像素点，满足温度的时空分布测试要求。以图7为例，在舱室6侧壁的三个透光窗口8之外，高速红外热成像相机21位于样品10的正面。

所述高时间分辨率天平17(以下简称天平)位于舱室6内样品10的下方，用于测量试验过程中样品10的动态质量损失情况。天平的采集精度≥0.01g，采样率为10Hz，满足高时间分辨率要求，以获得临界质量流。为保护天平不被高温损伤，在样品10和天平之间采用绝热板隔离。

所述光电测试单元，包括两个光电倍增管23分别用于捕捉样品10表面散射的激光信号和样品10燃烧的火焰发光信号；结合后台的示波器测量光强随时间的变化，以分别反映辐照光与可燃物的耦合情况。

本实施例还提供了一种中尺度高热通量辐照着火试验方法，基于上述的系统实现，包括以下步骤：

a)标定激光器的基本辐照参数：包括光斑口径、光强均匀性和热通量峰值，确保控制单元的控制参数与辐照参数一一对应；

b)确定辐照条件：提取实际场景在目标距离的高热通量特征参数；将特征参数输入高热通量辐照加载模块的控制单元，用于确定单次试验的辐照条件；

c)将被测样品安装在舱室内的光学平台上，确保辐照光斑瞄准被测样品表面；

d)调整试验舱室模块的环境条件，确保温度和湿度，氧含量，风速和风向，气压各项参数指标与工况要求一致；

e)根据测试样品和测试条件，修改测量诊断模块各单元的各项控制参数，随后调至待触发状态；

f)开启激光器产生辐照光被测样品，同时，测量诊断模块各单元被触发，同步记录图像和数据；

g)实验结束后，先采用灭火装置处理样品，再抽离舱室内的燃烧烟尘产物，经过滤后排放；

h)数据后处理：对多角度高速光学图片进行同步、零时刻校准、添加时间戳标记、横向拼接等批量处理，通过多角度图像序列，从而综合精确判断样品的各类辐照响应现象。

根据本发明的实施例，采用的激光器结构图如图1所示。光斑为正八边形，其内切圆直径10cm(图2)、光强均匀性95％(图3)，热通量峰值1.25MW/m²(图4)。针对从真实强爆炸场景中提取的其热通量曲线波形，采用控制单元通过阶梯波对其曲线波拟合，获得实际加载阶梯波的波形如图5所示的；并根据目标距离设计三种不同热通量峰值1.25、0.80、0.40MW/m²的辐照条件。

以瓦楞纸作为试验可燃物。瓦楞纸作为日常生活中广泛使用的货运包装材料，是一种典型的城市可燃物，而且与背景技术中的文献1中的纤维素材料同类可比。

试验舱室模块的长宽高均约为2m，舱室内温度控制精度±1℃，湿度精度±5℃。采用如图7所示的测试布局，其中高速光学摄影模块的帧频为100fps，采用3台相机分别从可燃物样品的斜面-正面-侧面3个角度，拍摄辐照、着火、燃烧全过程；采用高速红外热成像模块的帧频为100fps，可燃物表面每平方毫米对应红外热像仪CCD上的像素点约3.3个。采用天平的采集精度为0.01g，采样率为10Hz。

高速光学拍摄单元采集的典型图像序列如图8所示，高速红外热成像单元采集的典型红外热分布序列图如图9所示，动态质量损失测量单元采集的典型动态质量损失时间曲线如图10所示，光电测试单元采集的典型可燃物表面散射激光和燃烧火焰的光强随时间的变化曲线如图11所示。以少量的半透明烟刚流出瓦楞纸的时刻，作为热解起始时刻，以三个视图中刚出现火焰的瞬间，作为着火时刻，以气相着火时刻对应的最大温度作为表面着火温度，三者分别对应热解延迟时间、着火延迟时间和表面着火温度。每种工况重复3次，计算平均值、标准差和离散系数，结果如表1所示。

表1为实施例中获得的热解和着火延迟时间以及着火温度数据

注：μ-平均值，σ-标准差，CV＝σ/μ-离散系数

其中，热解延迟时间和着火延迟时间的离散度分别约为16％和7％。

同类材料的结果对比表明，本方法可获得的离散系数更小，也验证了本专利建立的中尺度高热通量辐照着火试验系统及方法达到该领域的先进水平，可用于可燃物在高热通量光辐照条件下的热解、着火和燃烧特性的研究领域。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，包括高热通量辐照加载模块，试验舱室模块，以及测量诊断模块；

所述高热通量辐照加载模块用于模拟复杂场景中的动态高热通量加载条件；

所述试验舱室模块用于控制试验的环境参数；

所述测量诊断模块用于记录图像和数据。

2.根据权利要求1所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述高热通量辐照加载模块包括激光器及其电源单元、控制单元，所述激光器及其电源单元，用于输出高热通量辐照光，其波长为非可见光波段，其基本辐照参数需同时满足三项指标：光斑口径≥6cm、光强均匀性≥90％，最大热通量≥1MW/m²。

3.根据权利要求2所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述控制单元，通过控制激光器及其电源单元，使其输出不同的光强时间波形曲线，用于模拟极端场景中动态复杂的光强时间波形曲线，两者标准差小于20％，从而实现复杂动态场景的高保真模拟。

4.根据权利要求1所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述试验舱室模块包括舱室，舱室内设有用于放置样品的光学平台，舱室的侧壁上设有用于激光器发出准直强光穿过的透光窗口；所述舱室的上方设有抽排风组件，下方设有单向进气组件，舱室内设有气氛监测组件。

5.根据权利要求4所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述舱室内还设有主动灭火组件。

6.根据权利要求4所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，还包括连接激光器和舱室的全封闭防护罩。

7.根据权利要求1所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述测量诊断模块，包括触发单元、高速光学拍摄单元、样品表面补光灯和侧面背光灯单元、高速红外热成像单元、动态质量损失测量单元、光电测试单元；

所述高速光学拍摄单元，由多台高速相机分别从样品的多个不同角度，同步拍摄辐照试验全过程；拍摄的时间分辨率应优于0.01s。

8.根据权利要求7所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述表面补光灯和侧面背光灯单元，用于提升高速光学拍摄单元拍摄图像的对比度、避免着火时刻的剧烈亮度变化导致图像过曝，以及捕捉初始热解时刻产生的微量半透明热解气体；所述高速红外热成像单元，其拍摄的时间分辨率应优于0.01s；

空间分辨率指标：被测样品表面每平方毫米对应红外热像仪CCD上的像素点不小于1个，以满足温度的时空分布测试要求。

9.根据权利要求7所述的一种中尺度高热通量辐照着火试验系统，其特征在于，所述动态质量损失测量单元，其天平的采集精度≥0.01g，采样率≥5Hz，以满足临界质量流对高时间分辨率的要求。

10.一种中尺度高热通量辐照着火试验方法，基于权利要求1-9任一所述的系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

a)标定激光器的基本辐照参数：包括光斑口径、光强均匀性和热通量峰值，确保控制单元的控制参数与辐照参数一一对应；

b)确定辐照条件：提取实际场景中在目标距离位置的高热通量特征参数；将上述特征参数输入高热通量辐照加载模块的控制单元，用于确定试验中的辐照条件；

c)将被测样品固定在样品框架，再安装于舱室内的光学平台上，确保辐照光瞄准被测样品表面；

d)调整试验舱室模块的环境条件，确保温度和湿度、氧含量、风速和风向、气压各项参数指标与工况要求一致；

e)根据试验条件和被测样品特性，修改测量诊断模块各单元的各项控制参数，随后调至待触发状态；

f)开启激光器产生辐照光被测样品，同时，测量诊断模块各单元被触发，同步记录图像和数据；

g)实验结束后，先采用灭火装置处理样品，再抽离舱室内的燃烧烟尘产物，经过滤后排放；

h)数据后处理：对多角度高速光学图片进行同步、零时刻校准、添加时间戳标记、横向拼接等批量处理，通过多角度图像序列，从而综合精确判断样品的各类辐照响应现象。

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