火焰蔓延特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及火焰蔓延测量技术领域，具体而言，本发明涉及一种火焰蔓延特性测量装置及测量方法。

背景技术

随着全球一体化进程的加速，各国之间的贸易往来日益密切，货物运输过程中的安全性也日益受到重视。常见的货物运输方式包括陆运、海运和空运。陆运过程的道路颠簸，海运过程的风浪，空运过程中的扰动气流，都会造成货物在运输过程中的三维动态晃动。若运输中的固体燃料发生燃烧和火蔓延，材料所处的外界三维晃动环境则会成为影响材料火蔓延的外界因素之一。

目前已有的测量材料火蔓延的方法与装置只考虑了氧浓度、温湿度、外界辐射等对处于静止状态下火蔓延特性的影响，并未考虑材料处于非静止状态下的火蔓延特性。无法解释材料在运输、加工、处理等三维动态条件下的火蔓延机理。

发明内容

本发明的首要目的旨在提供一种可模拟固体燃料在空间运动过程中的运动，观测火焰蔓延速率和进行烟气分析，提高运动过程中火焰蔓延特性测量准确度的火焰蔓延特性测量装置。

本发明的另一目的旨在提供一种上述火焰蔓延特性测量装置实施的、操作较为简单的火焰蔓延特性测量方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种火焰蔓延特性测量装置，用于测量固体燃料在运动过程中的火焰蔓延特性，其包括：变角度载台，用于放置固体燃料并可受控地调整固体燃料的空间位置；集烟罩，所述集烟罩具有燃烧室，所述变角度载台设置在所述燃烧室内，燃烧室的顶端连通有排烟管道，燃烧室的一侧设有燃烧观察窗口；火焰检测系统，包括位于燃烧观察窗口一侧的摄像机，所述摄像机用于透过燃烧观察窗口拍摄固体燃料燃烧时的火焰图像；温度检测系统，用于检测固体燃料燃烧时的温度数据；烟气检测系统，安装于所述排烟管道并用于检测固体燃料燃烧产生的烟气的成分及其密度。

在其中一种实施方式中，所述变角度载台包括底座、用于放置固体燃料的材料支撑板及连接在二者之间并用于调整材料支撑板的空间位置的调节机构。

在其中一种实施方式中，所述温度检测系统包括多个热电偶和热电偶数据采集模块，所述材料支撑板开设有多个热电偶插孔，所述热电偶一一对应地穿设于所述热电偶插孔并可获取固体燃料在对应位置处的温度，所述热电偶数据采集模块与所述多个热电偶电连接。

在其中一种实施方式中，所述调节机构包括第一驱动模块和第二驱动模块，第一驱动模块与底座连接，所述第二驱动模块连接于第一驱动模块和材料支撑板之间。

在其中一种实施方式中，所述第一驱动模块包括z轴电机和连接在z 轴电机的输出轴的z轴转轴，或者第一驱动模块包括x轴电机和连接在x 轴电机的输出轴的x轴转轴，所述x轴转轴或z轴转轴安装于所述底座；所述第二驱动模块包括y轴电机和连接在y轴电机的输出轴的y轴转轴，所述y轴电机连接于x轴转轴或z轴转轴，所述y轴转轴连接于所述材料支撑板。

在其中一种实施方式中，所述烟气检测系统包括烟密度激光检测模块和气体成分分析模块，所述烟密度激光检测模块用于检测排烟管道中烟气的密度，所述气体成分分析模块用于分析烟气中的气体成分及其浓度。

在其中一种实施方式中，所述排烟管道与燃烧室的连接处设有抽风机。

作为第二方面，本发明提供一种火焰蔓延特性测量方法，由上述火焰蔓延特性测量装置实施，包括以下步骤：

采用标准火焰校准烟气检测系统；

将固体燃料固定于变角度载台，并调整变角度载台初始角度、摆动范围、频率和速度参数；

沿指定边或指定角点燃固体燃料，并通过燃烧观察窗口获取固体燃料的燃烧图像，通过温度检测系统获取固体燃料不同部位的温度分布数据，通过烟气检测系统获取燃烧生成的烟气中烟气的成分、浓度及烟气密度数据；

结合温度分布数据、燃烧图像和预建立的火焰蔓延模型推导固体燃料的火焰蔓延数据，结合烟气成分、浓度及烟气密度数据判断固体燃料在三维动态场景下火蔓延过程的热释放速率、毒气危险性、燃烧效率，实现火焰蔓延特性测量和火灾危险性测量。

其中，变角度载台包括底座、材料支撑板和调节机构时，调节机构接收控制信号改变材料支撑板的各平面的摆动规律，测量其他三维动态场景下固体燃料的火蔓延特性以及火灾危险性。

在其中一种实施方式中，所述材料支撑板上均匀地插置有多个热电偶，所述热电偶插置到固体燃料的底端，通过热电偶获取固体燃料在火焰蔓延过程中的温度分布信息。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的火焰蔓延特性测量装置和火焰蔓延特性测量方法中，通过集烟罩来构建固体燃料的封闭运输空间，通过变角度载台来模拟固体燃料在运输过程中的空间运动，结合烟密度激光探测系统、燃烧气体分析系统、热电偶数据采集系统和高清摄像机各自获得的数据或图像可定量求得不同三维动态场景下固体燃料的火蔓延速率、烟气毒性、热释放速率、燃烧效率等数据，测量准确度较高，为相关的理论模拟和实际应用提供相应参考和指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种实施例提供的火焰蔓延特性测量装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施例提供的变角度载台的立体结构示意图；

图3为图2所示变角度载台的分解示意图；

图4为本发明另一种实施例提供的变角度载台的立体结构示意图；

图5为图4所示变角度载台的分解示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/ 或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“连接”可以是直接相接，也可是通过中间部件(元件)间接连接。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

请结合图1至图5，本发明涉及一种火焰蔓延特性测量装置(以下简称“测量装置”)及其实施的火焰蔓延特性测量方法(以下简称“测量方法”)，用于测量固体燃料在运输过程中的火焰蔓延特性，以对火灾风险评估、实际工程指导、规范标准制定等提供实验数据和分析结果支持。

其中，所述测量装置包括变角度载台1、集烟罩2、火焰检测系统、温度检测系统及烟气检测系统。

所述变角度载台1用于放置、固定固体燃料，并可受控地改变固体燃料的空间位置，模拟固体燃料在运输过程中的空间运动状态，变角度载台 1设置在集烟罩2内。

所述集烟罩2具有燃烧室和与燃烧室相连通的排烟管道3，从而可将燃烧室内固体燃烧所产生的烟气导入排烟管道3，所述燃烧室的一侧还设有燃烧观察窗口9，以从集烟罩2外侧获取固态燃烧的燃烧情况。集烟罩 2四周封闭，可模拟固体燃料在运输过程中的密闭空间。

所述火焰检测系统包括高清摄像机10，所述高清摄像机10设于燃烧观察窗口9处，用于透过燃烧观察窗口9快速地拍摄固体燃料燃烧时的火焰图像。其中，所述燃烧观察窗口9采用防反光玻璃，从而保证高清摄像机10对实验状况的拍摄效果。高清摄像机10获取的火焰图像数据储存于内置存储卡。在本发明中，结合高清摄像机10拍摄的图像中火焰位置和固体燃料样本的摆动规律来判断在二维方向的火蔓延速率。

所述温度检测系统，用于检测固体燃料燃烧时的温度分布数据。

烟气检测系统，安装于所述排烟管道3并用于检测固体燃料燃烧产生的烟气的成分及其密度。

由此，可通过集烟罩2来构建固体燃料运输过程中的封闭空间，通过变角度载台1来模拟固体燃料在运输过程中的空间运动轨迹，结合烟气检测系统、温度检测系统和高清摄像机10各系统模块所获取的数据可定量求得不同三维动态场景下固体燃料的火蔓延速率、烟气毒性、热释放速率、燃烧效率等数据，为相关的理论模拟和实际应用提供相应参考和指导。

应当理解的，本发明的测量装置还包括计算机6和控制台7，所述控制台7与变角度载台1连接以控制变角度载台1的运动规律，具体控制固体燃料的摆动范围、频率、速率等，所述计算机6用于接收火焰图像数据、烟气测量数据和温度分布数据，结合固体燃料的摆动规律，获得火焰蔓延特性和判定火灾危险性。

在一种实施方式中，所述变角度载台1包括底座12、用于放置固体燃料的材料支撑板11及连接在二者之间并用于调整材料支撑板11的空间位置的调节机构。所述材料支撑板11选用防火隔热材料，可起到对火焰下方的调节机构的防护作用。

在其中一种实施方式中，所述调节机构包括第一驱动模块和第二驱动模块，第一驱动模块与底座12连接，所述第二驱动模块连接于第一驱动模块和材料支撑板11之间，通过第一驱动模块和第二驱动模块，使材料支撑板进行转动或摆动，模拟运输过程中的转弯或颠簸情形。

在其中一种实施方式中，所述第一驱动模块包括z轴电机13和连接在z轴电机13的输出轴的z轴转轴14，所述z轴转轴14安装于所述底座 12；所述第二驱动模块包括y轴电机15和连接在y轴电机15的输出轴的 y轴转轴16，所述y轴电机15连接于z轴转轴14，所述y轴转轴16连接于所述材料支撑板11。由此，可使固体测试材料进行垂直于z轴方向和垂直于y轴方向的转动，垂直于z轴方向可进行360°的转动，可模拟材料在运输过程中遇到的转弯情形；垂直于y轴方向可进行135°的转动，可模拟材料在运输过程中遇到的左右颠簸情形。

或者，请结合图5，在另一种实施方式中，所述变角度载台可替换为另一种变角度载台1’，其中，第一驱动模块包括X轴电机18和连接在x 轴电机18的输出轴的x轴转轴19，x轴转轴19安装于所述底座12；所述第二驱动模块包括y轴电机15和连接在y轴电机15的输出轴的y轴转轴16，所述y轴电机15连接于x轴转轴19，所述y轴转轴16连接于所述材料支撑板11。可使固体固体燃料进行垂直于y轴方向和垂直于x轴方向的转动，可选地，垂直于y轴方向可进行90°的转动，可模拟材料在平稳运输过程中遇到的左右颠簸情形，垂直于y轴方向可进行180°的转动，可模拟材料在平稳运输过程中遇到的上下颠簸情形。

由此，可通过调节机构受控地模拟固体燃料在运输过程中的空间运动，即固体燃料在转弯情形、左右颠簸、上下颠簸情形，进而可以实现固体燃料在空间运动状态下的火焰蔓延特性测量。

在其中一种实施方式中，所述温度检测系统包括多个热电偶20和热电偶数据采集模块8，所述材料支撑板11均匀地开设有多个热电偶20插孔，所述热电偶20一一对应地穿设于所述热电偶插孔并可获取固体燃料在对应位置处的温度，从而可判断火焰位置，所述热电偶数据采集模块8 与所述多个热电偶20电连接。

在一种实际应用场景中，根据所测试固体燃料的硬度不同，将热电偶 20的探头插入固体燃料内部或置于固体燃料底部，对热电偶20进行编号并连接至热电偶数据采集模块8。由此，可以通过不同的热电偶20来获取固体燃料在火焰蔓延过程中不同位置处的温度分布情况。

在其中一种实施方式中，所述烟气检测系统包括烟密度激光检测模块 4和气体成分分析模块5，所述烟密度激光检测模块4连接于排烟管道3，用于检测排烟管道3中烟气的密度，所述气体成分分析模块5用于分析烟气中的气体成分及其浓度。

烟密度激光检测模块4通过激光在烟气中的穿透率变化探测固体燃料火蔓延过程的烟气浓度变化，所测数据直接传至计算机6的烟密度数据处理与展示模块。

气体成分分析模块5可通过采集排烟管道3中的烟气，测量材料在火蔓延过程中燃烧产生的气体种类和相应浓度，数据直接传至计算机6的烟气处理和展示模块，该模块可通过氧气浓度的变化计算并展示出样本的热释放速率，可通过一氧化碳和二氧化碳的浓度变化计算并展示出样本的燃烧效率。

在其中一种实施方式中，所述集烟罩2中，排烟管道3与燃烧室的连接处设有抽风机，从而可以加快烟气的流动，及时地将固体燃料燃烧所产生的烟气导入排烟管道3中进行测量，提高测量的准确度。

作为第二方面，本发明还涉及一种上述测量装置所实施的测量方法，包括以下步骤：

(1)检查测量装置各部分是否处于正常状态，开启计算机6，打开与设备相配套的分析软件，使用标准火对烟密度激光检测模块4和气体成分分析模块5进行校准，校准完成后对分析软件中的相关系数进行调整，关闭分析软件。

(2)将固体燃料进行裁剪，使固体燃料的表面面积小于或等于材料支撑板11的表面面积，通过铁夹或其他固定方式将固体燃料固定于材料支撑板11。将热电偶20插入材料支撑板11上的热电偶插孔，根据所测试固体燃料的硬度不同，将热电偶20的探头插入固体燃料内部或置于固体燃料底部，对热电偶20进行编号并连接至热电偶数据采集模块8。

(3)调整变角度载台1在地面的摆放角度，使材料支撑板11的某一边与高清摄像机10的镜头平面平行。通过控制台7设置材料支撑板11在各平面的初始角度，设置变角度载台1各个平面的摆动范围、频率和速度。

(4)打开排烟管道3与燃烧室连接处的抽风机，保证实验过程中产生的烟气有效排出。打开高清摄像机10，用以记录固体燃料的燃烧过程，打开计算机6的分析软件，用以记录热电偶20温度的变化、烟密度的变化以及燃烧产生气体的种类和浓度。使用点火器对固体燃料的某个角或某条边进行点火，使得火焰从某个指定边或某个指定角向其他位置蔓延，启动控制台7中变角度载台1的运行按钮。

(5)实时记录燃烧过程的视频图像、温度变化、烟密度变化以及燃烧产生气体的种类和浓度变化，固体燃料燃烧完毕后，整个采集过程结束，关闭摄像机10、抽风机、控制软件、分析软件和控制台7。将实验数据统一输出。

(6)对实验数据进行分析，依据热电偶20数据、视频数据和火蔓延模型推导固体燃料的火蔓延数据。依据烟密度数据、燃烧产生气体种类和浓度变化数据判断材料在三维动态场景下火蔓延过程的热释放速率、毒气危险性、燃烧效率等。可依据所有实验数据综合判断燃料在特定三维动态场景下的火灾危险性。

(7)通过控制台7改变变角度载台1中材料支撑板11各个平面的摆动规律，重复步骤(1)至(6)，判断其他三维动态场景下固体燃料的火蔓延特性以及火灾危险性。其实验数据和分析结果可用于仿真模拟、火灾风险评估、实际工程指导、规范标准制定等。

本发明的测量装置和测量方法中，通过设置三维动态的变角度载台1 在各个平面的摆动范围、频率和速度，可有效模拟固体燃料在运输过程中的转向和颠簸。结合烟密度激光检测模块4、气体成分分析模块5、热电偶数据采集模块8和高清摄像机10各系统模块获得的数据或图像可定量求得不同三维动态场景下固体燃料的火蔓延速率、烟气毒性、热释放速率、燃烧效率等，为相关的理论模拟和实际应用提供相应参考和指导。

以上实施例通过模拟固体燃料运输过程来说明本发明的测量装置和测量方法的实现原理，但不意味着该测量装置仅可用于揭示固体燃料的运输动态的火蔓延机理和火灾危险性判定，该测量装置还可揭示固体燃料在实际生产(如加工)和使用等三维动态场景下的火蔓延机理与火灾风险。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中发明的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。