一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于火灾安全技术领域，具体地说，是一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置和方法，可以用来研究森林‑城镇交界域火灾中火蔓延前锋产生火旋风现象的气象地形条件，包括风墙装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置，风墙装置由风机、调频器、蜂窝导流管堆、框架组成，线火源的热羽流模拟装置由调压器、电流表、电流互感器和镍铬电热丝以电线线路连接方式组成，示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，激光装置采用片光源激光器。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置和方法
本专利技术属于火灾安全
，具体地说，是一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置和方法，可以用来研究森林-城镇交界域火灾中火蔓延前锋产生火旋风现象的气象地形条件。
技术介绍
火旋风是一种常见于森林-城镇交界域火灾中的典型极端火行为，其显著特点是边旋转边燃烧、使得火场的火焰高度和温度显著增加、辐射增强，火蔓延速度跳跃式发展，导致火场突然失去控制，带来灾难性的后果。如，1923年日本关东大地震后火灾产生的火旋风导致附近广场中避难人群约38000人死亡。线型燃烧形态是森林-城镇交界域火灾中常见现象，如森林或草原火蔓延前锋、连片木结构房屋火灾。现有的火旋风实验模拟装置都是在受限空间内产生稳定的火旋风，以研究稳态火旋风的燃烧动力学规律与流动特性。如中国专利CN103542996A公开了一种六侧面火旋风实验装置；中国专利CN106017848A公开了一种火旋风模拟测量系统，用于测定不同工况条件下稳态火旋风的热释放速率及燃烧效率的变化规律；中国专利CN107842870A公开了一种可控参数的双狭缝蓝色火旋风发生装置。这些装置的一个共同核心点是采用了挡板和狭缝的方式在受限的局部空间内产生火旋风涡旋，且火源形状多为圆形池火，不同点在于改变挡板和狭缝的个数与尺寸以产生所期望的稳定火旋风。很明显，目前的火旋风实验模拟装置不能用于研究开敞空间火场中火旋风的诱发条件与机制，特别是不能预测或模拟实际野外火场中线火源诱发火旋风的过程。
技术实现思路
由于现有火旋风装置只能产生和研究受限空间内稳态火旋风的燃烧规律和流动特性，不能用于研究开敞空间火场中火旋风的诱发条件与机制，特别是不能预测或模拟实际野外火场中线火源诱发火旋风的过程。为了解决上述技术问题，本专利技术在环境风作用下线火源诱发火旋风的理论分析和数值模拟的基础上，提出了一种开敞空间内线火源诱发火旋风的实验模拟装置，可以系统研究线火源（火源形态与热释放速率）、来流风（风速与风向）和地形（地面坡度）等物理条件耦合诱发火旋风的临界条件。为了实现上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，包括风墙装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置，风墙装置由风机、调频器、蜂窝导流管堆、框架组成，线火源的热羽流模拟装置由调压器、电流表、电流互感器和镍铬电热丝以电线线路连接方式组成，示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，激光装置采用片光源激光器。本专利技术的进一步改进，风墙装置调频器与风机相连，调频器频率可调范围是0-50Hz，蜂窝导流管堆由长度不同的两种塑料管粘连组成，其中长度较短的塑料管设定为短塑料管分布在蜂窝板的中心区域，长度较长的塑料管设定为长塑料管分布在短塑料管的四周，风机和蜂窝导流管堆放置于可移动的框架内。本专利技术的进一步改进，风机直径为0.9m，调频器频率可调范围是0-50Hz，短塑料管的管径为1.6cm，长度为13cm，长塑料管的管径为1.6cm，长度为19cm的塑料管粘连组成，框架尺寸为1m×1m×1.3m，其中出风断面为1m×1m。本专利技术的进一步改进，线火源的热羽流模拟装置中的镍铬电热丝固定在可改变倾斜角度的防火板上，调压器与镍铬电热丝串联，为电热丝提供稳定电源，并可读出电压，电流表和电流互感器串联，连接调压器和电热丝的电源线从电流互感器内部穿过。本专利技术的进一步改进，镍铬电热丝是螺旋状的，直径为6.5mm，调压器的型号为STG-5000W，是数显式交流调压电源，电压可调节范围是0-300V，电流表的型号为IN5135H-PR，测量范围是0-5A，电流互感器的型号为BH-0.66，电流比为1/5。本专利技术的进一步改进，示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，其中，发烟机的功率为400W，出烟管道两端都与发烟机连接，管道直径为3.8cm，出烟管道的中心区域均匀分布有9个出烟孔，孔径为8mm，出烟孔之间的间距为10cm。本专利技术的进一步改进，激光器型号为LWGL532-3-L，激光波长为532nm，输出功率为3W。本专利技术还披露了一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的方法，包括以下步骤：步骤一、利用PyroSim软件建立网格空间来等效实验室；步骤二、设置出风口和泄压口；步骤三、通过无数小尺寸的方形热源组合成为线型热源来等效实际火源；步骤四、设置观察流场的切片；步骤五、利用FireDynamicsSimulator软件进行数值计算和Smokeview软件对计算结果进行观察分析。另外，本专利技术披露的一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的方法，使用上述模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，包括以下具体步骤：步骤一、环境风和坡度的模拟：利用风墙来模拟环境风，通过风机调频器定量控制风速的大小，通过调节防火板的倾斜角的方式模拟地形坡度，其中，水平放置的防火板对应0度的地形坡度；步骤二、线火源的模拟：通过电加热方式，镍铬电热丝温度升高，产生线型热羽流，以模拟实际线型火源的火羽流的流动，电热丝形状能任意改变，模拟直线型火源或曲线型火源，电热丝的单位长度热释放速率主要通过调节调压器的输出电压来改变，其值是电压和电流的乘积再除以电热丝长度，电压值和电流值可直接由调压器和电流表读出，电热丝长度可通过卷尺测量得到；步骤三、流场显示和观察：主要利用发烟机产生烟雾颗粒作为示踪粒子，再利用激光器产生的激光使流场显示地更加清楚便于实验观察和普通DV的清晰拍摄。本专利技术的有益效果：相比现有火旋风实验装置，本专利技术主要有两点优势：一是可以系统研究开敞空间内线火源、来流风和地形等物理条件耦合诱发火旋风的临界条件；二是通过示踪烟装置和激光器的协同作用提高了流场显示的清晰度，特别是线型火羽流周围的空气流动情况。附图说明图1是环境风作用下直线火源诱发火旋风的实验模拟示意图。图2是环境风作用下曲线火源诱发火旋风的实验模拟示意图。图3是风墙装置结构图。图4是风机频率与风速关系图。图5是环境风作用下直线火源诱发火旋风的数值模拟效果图。图6是环境风作用下曲线火源诱发火旋风的数值模拟效果图。图7是风速、地面和上升火羽流相互作用产生火旋风的理论分析示意图图中，1-风墙，2-调压器，3-电流表，4-电流互感器，5-镍铬电热丝，6-连接电线，7-防火板，8-发烟机，9-出烟管道，10-激光器，11-摄像机，101-风机，102-调频器，103-短塑料管，104-长塑料管，105-框架。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不对本专利技术的保护范围构成限定。实施例：如图1-图3所示，一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置由风墙1装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置组成。风墙1装置：由风机101、调频器102、蜂窝导流管堆、框架105组成。风机101直径为0.9m，调频器102与风机101相连，调频器102频率可调范围是0-50Hz。蜂窝导流管堆由管径为1.6cm，长度为13cm和19cm的塑料管粘连组成，其中长度为13cm的短塑料管103分布在蜂窝板的中心区域，长度为19cm的长塑料管104分布在短管的四周。风机101和蜂窝导流管堆放置于可移动的框架105，其尺寸为1m×1m×本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，其特征在于，包括风墙装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置，所述风墙装置由风机、调频器、蜂窝导流管堆、框架组成，所述线火源的热羽流模拟装置由调压器、电流表、电流互感器和镍铬电热丝以电线线路连接方式组成，所述示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，所述激光装置采用片光源激光器。

【技术特征摘要】
1.一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，其特征在于，包括风墙装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置，所述风墙装置由风机、调频器、蜂窝导流管堆、框架组成，所述线火源的热羽流模拟装置由调压器、电流表、电流互感器和镍铬电热丝以电线线路连接方式组成，所述示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，所述激光装置采用片光源激光器。2.根据权利要求1所述的模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，其特征在于，所述风墙装置调频器与风机相连，调频器频率可调范围是0-50Hz，蜂窝导流管堆由长度不同的两种塑料管粘连组成，其中长度较短的塑料管设定为短塑料管分布在蜂窝板的中心区域，长度较长的塑料管设定为长塑料管分布在短塑料管的四周，所述风机和所述蜂窝导流管堆放置于可移动的框架内。3.根据权利要求2所述的模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，其特征在于，所述风机直径为0.9m，所述调频器频率可调范围是0-50Hz，所述短塑料管的管径为1.6cm，长度为13cm，所述长塑料管的管径为1.6cm，长度为19cm的塑料管粘连组成，所述框架尺寸为1m×1m×1.3m，其中出风断面为1m×1m。4.根据权利要求3所述的模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，其特征在于，所述线火源的热羽流模拟装置中的镍铬电热丝固定在可改变倾斜角度的防火板上，调压器与镍铬电热丝串联，为电热丝提供稳定电源，并可读出电压，电流表和电流互感器串联，连接调压器和电热丝的电源线从电流互感器内部穿过。5.根据权利要求4所述的模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，其特征在于，所述镍铬电热丝是螺旋状的，直径为6.5mm，所述调压器的型号为STG-5000W，是数显式交流调压电源，电压可调节范围是0-300V，所述电流表的型号为IN5135H-PR，测量范围是0-5A，所述电流互感器的型号为BH-0.66，电流比为1/5。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：周魁斌，钱静，刘乃安，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32