CN114894957B - 一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于点火模拟实验领域，具体涉及一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，包括依次设置的固体颗粒加热子系统、固体颗粒加速子系统和可燃物子系统，其特征在于：所述固体颗粒加速子系统包括弹性加速组件，所述弹性加速组件的输入端连接所述固体颗粒加热子系统输出端，以用于将固体颗粒水平加速且射在所述可燃物子系统上，具有有效模拟固体颗粒水平运动的有益效果，并且通过皮筋作为弹性件，其弹性势能大，可提供较高的固体颗粒运动速度。
Description
技术领域
本发明属于点火模拟实验领域，具体涉及一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置。
背景技术
火灾事故调查的重要工作之一是确定火灾的点火方式，现有研究一般认为飞火是非接触类点火。飞火是在环境风、火羽流和重力耦合作用或单独作用下的炽热可燃物颗粒(飞火颗粒)运输到火锋前方(炽热颗粒产生之外的地方)，落地时引燃地表可燃物形成新的火点的现象，能导致火灾加速跳跃式蔓延。飞火颗粒的输运过程使其具有一定的运动速度，成为一种具有高温且以一定速度运动的热源，但对这样的高温运动颗粒的点火特性的研究仍有待展开。现有研究表明，环境风作用是造成飞火加速火灾蔓延的重要因素之一，例如2019年9月的加利福尼亚大火，超过45.6m/s风速的环境风是推动火蔓延的首要原因。因此，环境风或爆炸作用下高温颗粒不同速度冲击点燃可燃物的影响因素、临界冲击速度等问题的探讨是十分必要且迫切的。
现有的实验加速动作的装置如公开号CN211741185U的专利文件，公开了一种高温高速颗粒点火的实验装置，主要包括支架、支撑钢板、加速组件、打击组件、控制系统和感应元件。但实际存在以下问题：1、该装置的实际仅适用于固体颗粒速度方向竖直向下的情况，不适用于固体颗粒速度为水平方向的情况；2、该装置对颗粒的加速效果并不稳定，难以控制，存在较大随机因素；3、该装置对颗粒的加速效果有限，颗粒速度难以达到10m/s以上。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，以解决现有技术中的缺点，本发明所采用的技术方案是：
一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，包括依次设置的固体颗粒加热子系统、固体颗粒加速子系统和可燃物子系统，其特征在于：所述固体颗粒加速子系统包括弹性加速组件，所述弹性加速组件的输入端连接所述固体颗粒加热子系统输出端，以用于将固体颗粒加速且水平或倾斜的射在所述可燃物子系统上。
进一步的，所述弹性加速组件包括弹性件，所述弹性件的一端连接底座，另一端连接弹射机构，所述弹性件位于被拉伸状态，所述弹射机构通过限位机构限位，所述限位机构连接所述底座，所述弹射机构用于接收所述固体颗粒加热子系统输出的固体颗粒。
进一步的，所述限位机构包括两个间隔设置的限位杆，所述限位杆竖直设置，其底部固定连接连杆，所述连杆可转动的连接支座，所述支座固定设置在底座上；
所述弹射机构远离所述弹性件的一端固定连接支杆一端，所述支杆另一端固定连接限位块，所述支杆穿过两个所述限位杆之间的间隔，并且所述限位块抵接两个所述限位杆。
还包括扳机224，所述扳机224可转动的连接所述支座223，两个所述连杆222之间设置有空隙，所述扳机224一端位于所述空隙内以限制连杆222运动，所述扳机224用于转动以脱离所述空隙。
进一步的，所述弹射机构包括夹持片，所述夹持片一端固定连接所述支杆，另外一端凹槽，所述夹持片可拆卸的连接所述弹性件，所述凹槽的正上方依次设置导向漏斗和所述固体颗粒加热子系统的输出端。
进一步的，所述弹性件设置有两个，两个所述弹性件的一端连接所述弹射机构的两侧，另外一端连接有U型座，所述U型座设置在所述底座上，所述弹射机构的运动方向朝向所述U型座的开口内。
进一步的，所述弹性件为皮筋。
进一步的，所述底座包括两个支架，两个所述支架分别固定连接所述U型座和所述限位机构，所述U型座与所述限位机构之间通过固定杆固定连接。
进一步的，还包括位于所述固体颗粒加速子系统与所述可燃物子系统之间的数据检测子系统，所述数据检测子系统包括框体，所述固体颗粒的运动路径位于所述框体内部，所述框体安装有速度检测装置。
本发明具有以下有益效果：通过加热后的固体颗粒从导向管另一端掉落到弹性加速组件的输入端上，通过弹性加速组件的弹力线性加速，将固体颗粒水平或以一定仰角地发射到可燃物子系统上，进而通过可燃物的燃烧进而分析实验数据，探究高速高温颗粒点燃机理，相比现有技术，本发明实现了在固体颗粒在水平或以一定仰角方向的运动，更加贴合实际情况中风力水平运动和爆炸中碎片抛射运动的场景，达到了有效模拟固体颗粒高速运动的有益效果，并且通过皮筋作为弹性件，其弹性势能大，可提供较高的固体颗粒运动速度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为弹射机构示意图；
图3为U型座示意图；
图4为限位杆靠拢和展开时的示意图；
图5为扳机与连杆连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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，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。
一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，包括依次设置的固体颗粒加热子系统1、固体颗粒加速子系统2和可燃物子系统3，其特征在于：所述固体颗粒加速子系统2包括弹性加速组件，所述弹性加速组件的输入端连接所述固体颗粒加热子系统1输出端，以用于将固体颗粒15加速且水平或倾斜的射在所述可燃物子系统3上。
如图1，具体地，固体颗粒加热子系统1和可燃物子系统3均为现有技术，且为CN211741185U中所提到的手段，固体颗粒加热子系统1具体包括电加热器11，测温部件12，高温控制器13，导向管141，颗粒定位件142，固体颗粒15，加热腔体16，可燃物子系统3具体包括样品架31，背板32，连接件33，结构杆34，固定座35，其中背板32竖直或以特定角度设置，使样品架31竖直或以特定角度放置，并且使样品架31的样品朝向固体颗粒加速子系统2。
具体实施时，固体颗粒15被电加热器11加热，颗粒定位件142一端伸入导向管141内将固体颗粒15定位，加热到预定温度后，固体颗粒15从导向管141另一端掉落到弹性加速组件的输入端上，通过弹性加速组件的弹力线性加速，且调节样品架31倾斜角度，将固体颗粒15水平或以一定仰角地发射到可燃物子系统3上，进而通过可燃物的燃烧进而分析实验数据，探究高速高温颗粒点燃机理，相比现有技术，本发明实现了在固体颗粒15在水平或一定仰角方向的运动，更加贴合实际情况中风力水平运动和爆炸中破片抛射运动的场景，达到了有效模拟固体颗粒15高速运动的有益效果。
进一步的，所述弹性加速组件包括弹性件，所述弹性件的一端连接底座，另一端连接弹射机构24，所述弹性件位于被拉伸状态，所述弹射机构24通过限位机构22限位，所述限位机构22连接所述底座，所述弹射机构24用于接收所述固体颗粒加热子系统1输出的固体颗粒15。
具体地，弹性件具有弹性势能，弹射机构24的运动即为弹性件的势能转化为机械能，弹性件弹力方向水平朝向可燃物子系统3，与样品架31垂直，限位机构22将弹射机构24限位的同时用于保持弹性件的势能，开始模拟时，通过限位机构22解除限位，弹性件恢复形变的同时使弹射机构24将固体颗粒15加速运动，呈类似弹弓的形式将固体颗粒15射到可燃物子系统3，实现对固体颗粒15的加速和弹射作用。
进一步的，所述限位机构22包括两个间隔设置的限位杆221，所述限位杆221竖直设置，其底部固定连接连杆222，所述连杆222可转动的连接支座223，所述支座223固定设置在底座上；
所述弹射机构24远离所述弹性件的一端固定连接支杆243一端，所述支杆243另一端固定连接限位块244，所述支杆243穿过两个所述限位杆221之间的间隔，并且所述限位块244抵接两个所述限位杆221。
还包括扳机224，所述扳机224可转动的连接所述支座223，两个所述连杆222之间设置有空隙，所述扳机224一端位于所述空隙内以限制连杆222运动，所述扳机224用于转动以脱离所述空隙。
具体地，如图4，图中左侧为两个限位杆221并拢的状态，右侧为两个限位杆221展开的状态，在图1中为两个限位杆221并拢的状态，通过将限位杆221展开，即可使限位块244在弹性件的作用下穿过两个限位杆221之间的间隔，进而使弹射机构24带动固体颗粒15运动。
连杆222水平设置，使限位杆221的转动轴心为竖直方向，限位块244可以为方体或球体结构，其卡在两个限位杆221上实现限位，并且限位杆221无法在限位块244挤压作用下展开，当限位块244选用球体结构时，直径需要略大，以避免其弧形面撑开限位杆221。
限位杆221的展开有两种方式，一种为连杆222与支座223之间通过过盈配合的转动连接，例如连杆222设置凸起部，支座223设置与凸起部过盈配合的孔，进而使限位杆221展开时具有一定阻力效果，且利于保持对限位块244的限位，具体实施时，通过手动掰开限位杆221来实现两个限位杆221的展开。
如图5，第二种为在支座223上可转动的设置扳机224，支座223设置有一腔室，扳机224顶部可转动的连接腔室内侧面，其一端设置有延伸部，延伸部卡在两个连杆222之间的空隙中使连接杆222不能转动，当扣动扳机224之后，扳机224的延伸部即朝下脱离两个连杆222之间的空隙，于是扳机224不再限制限位杆221运动，实现限位杆221的自动展开，于是可手动掰开限位杆221。
此外，该结构可使用弹簧等装置实现自动复位，弹簧两端固定连接连杆222或限位杆221，在扳机224上还设置有扭簧，扭簧设置于扳机224与支座223的连接处，实现展开后限位杆221和扳机224自动复位的功能。
进一步的，所述弹射机构24包括夹持片242和限位块244，所述夹持片242一端固定连接所述支杆243，另外一端凹槽，所述夹持片242通过固定片241可拆卸的连接所述弹性件，所述凹槽的正上方依次设置导向漏斗211和所述固体颗粒加热子系统1的输出端，所述支杆243的另一端连接限位块244。
具体地，夹持片242的凹槽呈楔形槽结构，且与固体颗粒15适配，凹槽即为弹性加速组件的输入端，导向管141上掉下的固体颗粒15经过导向漏斗211落入凹槽内。
进一步的，所述弹性件设置有两个，两个所述弹性件的一端连接所述弹射机构24的两侧，另外一端连接有U型座271，所述U型座271设置在所述底座上，所述弹射机构24的运动方向朝向所述U型座271的开口内。
进一步的，所述弹性件为皮筋26。
具体地，两个皮筋26在U型座271上的宽度大于另一端宽度，进而使两个皮筋26呈弓形结构，与U型座271共同形成弹弓结构，U型座271的开口朝上，固体颗粒15从其开口内穿过。
皮筋26两端可拆卸的连接U型座271和夹持片242，U型座271侧面通过螺钉连接有第一固定片272，通过将螺钉拧紧使第一固定片272使皮筋26一端夹紧，进而将皮筋26固定，夹持片242侧面通过螺钉连接第二固定片241，第二固定片241与第一固定片272结构相同，将皮筋26另外一端固定。
通过皮筋作为弹性件，其弹性势能大，可提供较高的固体颗粒运动速度，且大于10m/s，皮筋26为装置的动力源，装置加速能力通过皮筋强度、长度量化，加速作用力根据实验所需的速度要求选取，弹射机构24优选轻质、坚固且耐高温的金属，以提高加速效率，通过皮筋26的可拆卸连接，实验时可选取不同弹性系数的皮筋26，进而提供大小不同的弹力，模拟不同速度热颗粒点燃可燃物的点火过程，进而获取低速、高速高温颗粒点燃机理的研究数据。
进一步的，所述底座包括两个支架23，两个所述支架23分别固定连接所述U型座271和所述限位机构22，所述U型座271与所述限位机构22之间通过固定杆25固定连接。
具体地，支架23起到支撑的目的，且通过伸缩组件可调节固体颗粒加速子系统的俯仰角度，固定杆25一端固定连接U型座271侧面，另一端固定连接支座223侧面，导向漏斗211侧面通过支撑件212可旋转的连接支架23，可通过支撑件212调节前后角度。
进一步的，还包括位于所述固体颗粒加速子系统2与所述可燃物子系统3之间的数据检测子系统4，所述数据检测子系统4包括框体，所述固体颗粒15的运动路径位于所述框体内部，所述框体安装有速度检测装置。数据检测子系统4包括现有技术中的红外成像仪41、高速摄像机42、颗粒测速装置43和质量监测元件44，红外成像仪41和高速摄像机42的拍摄端对准整个实验装置，实时追踪固体颗粒15运动过程的温度和速度，固体颗粒15与可燃物的接触过程及点火过程的无烟热解和有焰点火过程的形貌结果特征。颗粒测速装置43可以为光幕靶测速仪，如光幕发射装置等测速元件放置于固体颗粒加速子系统2和可燃物子系统3之间，固体颗粒15通过测速元件而得到其运动速度。质量监测元件44可以为电子天平，位于所述可燃物子系统3的下方，用于记录实验过程中样品的质量变化。
本发明通过导向管141，使固体颗粒15离开固体颗粒加热子系统1在短时间内进入固体颗粒加速子系统2，对固体颗粒15给予加速作用；数据检测子系统4可以获取颗粒点燃可燃控制机理的数据；实验可改变皮筋26力度，用以模拟不同速度热颗粒点燃可燃物的点火过程，进而获取低速、高速高温颗粒15点燃机理的研究数据；也可通过改变颗粒尺寸、温度及可燃物表面角度、种类、边界等条件，探究上述因素对点燃过程的耦合作用影响。本发明还可模拟常温、高温、低速、高速颗粒撞击固体的碰撞特性及形变测试的功能，也可探究不同温度、速度及颗粒与可燃物不同接触角度条件对固体可燃物的碰撞特性及形变特征的影响。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，包括依次设置的固体颗粒加热子系统（1）、固体颗粒加速子系统（2）和可燃物子系统（3），其特征在于：所述固体颗粒加热子系统（1）位于所述固体颗粒加速子系统（2）上方，所述固体颗粒加速子系统（2）和所述可燃物子系统（3）水平方向并排设置，所述固体颗粒加速子系统（2）包括弹性加速组件，所述弹性加速组件的输入端连接所述固体颗粒加热子系统（1）输出端，以用于将固体颗粒（15）加速且水平或倾斜的射在所述可燃物子系统（3）上；
还包括弹射机构（24），所述弹射机构（24）包括夹持片（242），所述弹性加速组件包括弹性件，所述弹性件设置有两个，两个所述弹性件的一端可拆卸连接弹射机构（24）上的夹持片（242）的两侧，另外一端连接U型座（271），所述弹射机构（24）的运动方向朝向所述U型座（271）的开口内，所述弹性件位于被拉伸状态，所述弹射机构（24）通过限位机构（22）限位，所述弹射机构（24）用于接收所述固体颗粒加热子系统（1）输出的固体颗粒（15）；
还包括底座，所述底座包括两个支架（23），两个所述支架（23）分别固定连接U型座（271）和所述限位机构（22），所述U型座（271）与所述限位机构（22）之间通过固定杆（25）固定连接；
所述限位机构（22）包括两个间隔设置的限位杆（221），所述限位杆（221）竖直设置，其底部固定连接连杆（222），所述连杆（222）可转动的连接支座（223），所述支座（223）固定设置在底座中的一个支架（23）上；
所述弹射机构（24）上的夹持片（242）远离所述弹性件的一端固定连接支杆（243）一端，所述夹持片（242）另外一端设置凹槽，所述凹槽的正上方依次设置导向漏斗（211）和所述固体颗粒加热子系统（1）的输出端，所述支杆（243）另一端固定连接限位块（244），所述支杆（243）穿过两个所述限位杆（221）之间的间隔，并且所述限位块（244）抵接两个所述限位杆（221）；
还包括扳机（224），所述扳机（224）可转动的连接所述支座（223），两个所述连杆（222）之间设置有空隙，所述扳机（224）一端位于所述空隙内以限制连杆（222）运动，所述扳机（224）用于转动以脱离所述空隙。
2.根据权利要求1所述的一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，其特征在于：所述弹性件为皮筋（26）。
3.根据权利要求1所述的一种模拟高温高速颗粒点火特性的实验装置，其特征在于：还包括位于所述固体颗粒加速子系统（2）与所述可燃物子系统（3）之间的数据检测子系统（4），所述数据检测子系统（4）包括框体，所述固体颗粒（15）的运动路径位于所述框体内部，所述框体安装有速度检测装置。
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