城市建筑外壁面火灾模拟实验装置 【技术领域】
本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及城市(超)高层建筑外壁面火灾蔓延、以及存在毗邻坡地受限情况下的火焰与烟气羽流特征的实验和研究设备
背景技术
随着社会经济的迅速发展，城市人口持续增长，城市土地资源的紧张，促使城市建筑不断向大型、人员密集化发展，超高层建筑、大型枢纽工程等在我国一大批发达城市迅速涌现。据不完全统计，仅北京目前的超高层建筑已达到300栋以上。火灾安全是国家公共安全的重要组成部分，911事件以来，城市大型建筑的火灾安全已成为国际关注的热点。
在近年来发生的城市大型建筑火灾中，均形成了火灾沿建筑外壁面迅速蔓延扩大的大型灾害事件，对城市安全造成重大威胁。2009年元宵节中央电视台配楼发生火灾，造成了1名消防队员牺牲、7人受伤，经济损失惨重，造成重大社会影响；又如，2008年乌鲁木齐德汇国际广场火灾连续燃烧了68小时，直接经济损失超过5亿元，并导致了3名消防官兵牺牲；类似的案例还有2008年的哈尔滨“经纬360度”大厦火灾等。在这类建筑火灾中，火焰从着火层窗户蔓延出来后，沿建筑外壁面迅速蔓延扩展；再加上目前在城市高层建筑外壁面广泛使用了保温材料，这些保温材料更是加速了火灾蔓延速度，导致更大损失。
另外，在我国的部分城市，例如香港和重庆，由于所具有的特殊自然地形原因，大量的建筑被迫修建在坡地上，香港地区在处理陡坡建筑的经验在世界范围内都是最丰富的，重庆消防总队在2008年开展的“高层建筑专项治理”活动中，对全市的高层建筑数量进行了统计，目前仅重庆市就有8000多栋高层建筑，其中90％以上都是建设在坡地上的坡地建筑。这类建筑外壁面火灾在坡地的影响下，火焰及烟羽流卷吸新鲜空气的行为受到局部限制，导致火灾发展特征不同于常规修建在平地上的建筑。
城市建筑外壁面火灾就是室内火灾中火焰随着烟气流出窗户并在外部燃烧的现象，其中通常还伴有轰然情况，此时溢出火焰在外部具有很高温度，极易引起二次火灾，使火灾向邻近房间和周围建筑蔓延；在火灾现场，火灾扑救与应急调度管理人员目前缺乏有效工具来预测和估计这种建筑外壁面大尺度火灾事件的强度及发展趋势，这对科学决策与应急管理形成了技术制约瓶颈；而当前火灾安全研究及成果仍主要集中在室内，对于城市大型建筑外壁面火灾蔓延的研究还比较少，尤其是针对坡地受限情况下的建筑外壁面火灾蔓延特性研究几乎是空白，科学人员对此还缺乏相关的认识，工程人员及火灾现场扑救与应急调度管理人员急需相应的预测模型作为辅助决策支持。因此，开展相应的实验，来研究城市建筑外壁面火灾燃烧特征具有非常重要的意义。
火灾科学的试验研究，从试验尺寸上可分为小尺寸试验研究和全尺寸试验研究。全尺寸实验需要投入大量人力、物力和财力，研究周期也较长，而且由于实际火灾的复杂性和随机性，全尺寸火灾试验的可再现性较差；因此，大量学者主要是通过小尺寸的模型，并引入相似理论的思想来进行研究，小尺寸试验具有易操控性、良好的可再现性以及测量结果的可信度高等优点。
【发明内容】
为了研究建筑外壁面火灾燃烧现象的火焰与烟羽流特性和火蔓延行为，尤其对这种坡地对建筑外壁面火灾蔓延的影响机制，本发明提供一套可以研究建筑外壁面火灾特征的城市建筑外壁面火灾模拟实验装置。
具体的结构设计技术方案如下：
城市建筑外壁面火灾模拟实验装置包括模拟墙体、燃烧小室、称重机构、斜坡板、地面轨道、热电偶架和热辐射通量测量架；
所述模拟墙体为立式框架状，其顶部两侧设有墙体滑轮；所述地面轨道的一端位于模拟墙体底部；所述斜坡板立设于轨道上，其顶部两端分别连接着拉索，两根拉索分别跨绕过模拟墙体顶部两侧的墙体滑轮连接着模拟墙体底部两侧的卷扬电机；
燃烧小室为一方箱，其一侧面设有高温玻璃窗，相对的另一侧面设有5个以上的热电偶；另一侧面设有箱门，箱门上设有洞口；其顶部设有一个以上的喷淋孔，其底面设有两个以上的洞口；燃烧小室位于模拟墙体下部，箱门与斜坡板相对；燃烧小室底连接着称重支架；
称重机构包括电子天平和活动支架，电子天平位于活动支架上，活动支架底部设有两个以上的活动轮，燃烧小室通过称重支架设于电子天平上；
热电偶架为矩形框架，其上均布设有10个以上的热电偶；
热辐射通量测量架为十字架状，其横杆一端设有热辐射探头，热辐射通量测量架位于斜坡板与燃烧小室的箱门之间，热辐射探头对应位于燃烧小室的箱门处。
所述模拟墙体为立式框架状，由钢结构单元联接构成，框架表面设有钢板防火材料复合的墙面平板。
所述地面轨道为齿条状，所述斜坡板底部外侧设有传动轴；传动轴两端分别设有与齿条状地面轨道配合的齿轮，传动轴中部设有传动链轮，链轮上部的斜坡板上设有传动电机，传动电机的输出轴上设有输出链轮，传动链轮和输出链轮上跨设有链条。
所述热电偶架上均布设有10个以上的热电偶套管，热电偶套管内设有热电偶；热电偶架底部设有三角形斜筋和矩形底座，底座底部设有移动轮。
所述燃烧小室顶部、底部及侧面设有加强筋，高温玻璃窗一侧的燃烧小室壁上均布设有两个以上的备用孔洞。
所述斜坡板的角度调节范围为0-90度。
本发明首次建立了一套研究建筑外壁面火灾特征及其受坡地影响机制的模拟实验装置，坡度调节系统安全、灵活、便捷，实验装置具有完备的温度和热辐射强度测量系统。本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：
(1)外壁面火灾的火焰与烟羽流现象的模拟方面，实验装置按照量纲相似理论，完整地模拟起火房间、建筑外壁面及相邻的坡地，能够真实地反映实际建筑中房间着火产生的火焰沿着窗户或门向上蔓延，燃烧小室旁侧中央装有可耐1700度高温玻璃窗，可方便通过玻璃观察窗清晰地观测到燃烧小室内部的燃烧实验过程和现象；
(2)在模拟火源设置方面，对于液体燃料，采用甲醇油池火作为火源，燃烧充分完全，产物清洁；对于气体燃料，采用液化石油气作为燃料，燃烧充分完全，产物清洁；同时，设置了专门地流量及压力控制装置，可以连续调节流量，也就是连续调节火源功率，增加了对燃烧过程的控制，在试验结束或出现火势失控等意外情况下能够及时的关停热源，避免事故的发生；
(3)在实验装置的控制及典型参数的测量方面，燃烧小室系统的燃烧小室门框和门板可拆卸，可以方便调换门板，即调节门洞大小，燃烧小室底部有若干小洞，方便模拟设置不同位置火源，包括气体和液体，底部支架中间放称重天平，称重系统可以方便调节；坡度调节控制系统，斜坡板角度在0-90°范围内连续可调，离建筑外壁面的距离也可方便连续调节，进而模拟不同坡地情况，以便研究坡地对外壁面火灾的火焰及烟羽流特征的影响机制；外部火焰及烟羽流特征的测量系统中的热电偶架移动方便，热电偶的垂直与水平间距亦可调，可根据需要测量不同范围内的温度场二维分布。
【附图说明】
图1为本发明结构示意图，
图2为燃烧小室结构示意图，
图3为称重机构结构示意图，
图4为热电偶架结构示意图，
图5为图4的局部方大图，
图6为热辐射通量测量架结构示意图，
图7为图6的局部放大图。
【具体实施方式】
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
参见图1，城市建筑外壁面火灾模拟实验装置包括模拟墙体1、燃烧小室2、称重机构8、斜坡板4、地面轨道7、热电偶架9和热辐射通量测量架；
模拟墙体1为立式框架状，由钢结构单元连接构成，框架表面安装有钢板防火材料复合的墙面平板。模拟墙体1顶部两侧设有墙体滑轮10；地面轨道7的一端位于模拟墙体底部；斜坡板4立设于轨道7上，其顶部两端分别连接着拉索11，两根拉索11分别跨绕过模拟墙体顶部两侧的墙体滑轮10连接着模拟墙体底部两侧的卷扬电机3；地面轨道7为齿条状，斜坡板4底部外侧安装有传动轴5；传动轴5两端分别安装有与齿条状地面轨道7配合的齿轮24，传动轴5中部安装有传动链轮25，传动链轮25上部的斜坡板4上安装有传动电机6，传动电机6的输出轴上安装有输出链轮，传动链轮25和输出链轮上跨装有链条23；传动电机6通过链传动机构带动齿轮24在齿条地面轨道7上转动，实现斜坡板4的相对与模拟墙体1倾斜，斜坡板4的倾斜角度调节范围为0-90度。
参见图2和图3，燃烧小室2为一方箱，其一侧面设有高温玻璃窗12，相对的另一侧面设有5个以上的热电偶孔13；另一侧面设有箱门14，箱门14上开有箱门洞口15；其顶部设有加强筋和三个喷淋孔16，其底面设有两个以上的气孔；燃烧小室2位于模拟墙体1下部，箱门14与斜坡板4相对；燃烧小室2底部连接着称重支架17；燃烧小室的高温玻璃窗12一侧的燃烧小室壁上均布开设有两个以上的备用孔洞26。燃烧小室顶部、底部及侧面设有加强筋。
称重机构包括电子天平18和活动支架19，电子天平18位于活动支架19上，活动支架19底部安装有四个活动轮，燃烧小室2通过称重支架17设于电子天平18上；
参见图4、图5，热电偶架9为矩形框架，其上均布设有10个以上的热电偶套管20，热电偶套管20内装有热电偶；热电偶架9底部安装有三角形斜筋和矩形底座，底座底部装有移动轮。
参见图6、图7，热辐射通量测量架21为十字架状，其横杆一端安装有热辐射探头22，热辐射通量测量架位于斜坡板4与燃烧小室2的箱门之间，热辐射探头22对应位于燃烧小室的箱门14处。
实施例2：
见图1，模拟外壁面的框架结构单元采用角钢焊接而成，长度为1m，截面面积为30cm×30cm，以螺丝铆接固定。模拟墙体1框架总高度为5m，两侧立柱各由5个单元组成；水平横梁长3m，由3个单元组成，在距离地面高度3m处另设一根横梁加固。在墙体框架上面焊接2mm厚度钢板，外侧铺设5mm厚度玻镁防火板，形成墙面。
见图2，燃烧小室2内部净尺寸为80cm×80cm×80cm，燃烧小室2箱体采用5块6mm厚钢板无缝焊接而成，侧面为箱门，箱门门框是采用6mm厚钢板焊接而成，箱门门框上装有一个槽，可以方便安装门板，门板上开有50×50门板洞口15，门板洞口安装有50cm×50cm耐温1700度的石英玻璃；燃烧小室2后面设置3竖排直径1mm的孔洞，一排在正中央，另两排离两边侧面10cm，每排7个孔洞，下面6个孔洞间距为10cm，最下面孔洞距离燃烧小室下缘20cm，最上面一个孔洞距离燃烧小室上缘5cm，在玻璃窗12侧，左上角和左下角各开有直径为2.5cm的备用孔洞，以便加装相关仪器的测量探头，另一侧面也开有1竖排直径为1mm的孔洞，距离门口边缘10cm；如图2所示，备用孔洞直径为2.5cm，距离燃烧小室内面10cm，一个离燃烧小室底部30cm，一个离底部60cm，喷淋孔16以便研究喷淋与燃烧小室火焰相互作用情况。
见图2，燃烧小室底部开洞口，直径1cm的洞口在使用液池作为火源时，称重支架17可由此穿过，并保证称重支架17与洞口不会相互接触，其洞口共11个，间距为20cm，使得称重支架17可以置于燃烧小室内中前、正中、中后、侧中、侧后，实现火源位于燃烧小室内各个位置的工况。直径2.5cm的洞口在使用气体燃烧器时，进气管由此进入。洞口配有相应堵头，可对未使用的洞口进行封堵，避免补气影响。同时燃烧小室壁面还设有4个竖排口径1mm装热电偶的热电偶孔13。
见图3，燃烧小室置于底部活动支架19上，活动支架19高1m，中间有一横板，采用6mm钢板制成，离地面高度为60cm，以放置称重电子天平18。电子天平18上放5mm防火板，再放上称重支架17进入，其上部位于燃烧小室内，以托举不同尺寸的燃料盘。
见图4，热电偶架高4m，宽1m，由方钢围成矩形框架及下部支撑底座，框架内以一定间距焊有横条，横条上焊有热电偶套管20。套管水平方向间距为5cm、5cm、5cm、10cm、10cm、10cm，竖直方向距地面1m至2.5m间间距为7.5cm，2.5m至4m间间距为15cm。
见图1，斜坡板4竖直方向长度为4m，宽度为3m，采用方钢焊接成骨架，方钢水平间距为0.75m，竖直间距为1m。在其上面装有2mm厚钢板，之后再在其表面镶有5mm厚防火板。
斜坡板4顶部装有两个圆环，直径为5cm。拉索11为钢丝绳，钢丝绳一端固定于圆环上，经过模拟墙体1顶端安装的两个滑轮引入模拟墙体1底部的两个卷扬电机3，从而控制壁面的斜坡板4角度。斜坡板4下部安装有齿轮走行装置，在斜坡板4底端安装有一根传动轴5，两端直径15cm的行走齿轮24和作为齿条的地面轨道7相配合，中部传动链轮25与链条23咬合，在传动电机6的驱动下可调整斜坡板4下部距模拟墙体1外壁面的距离。传动电机6内部可制动，以保证斜坡板4的斜面在大角度倾斜的情况下不滑移。
见图5，热辐射通量测量架的底座是面积为30cm×30cm铁块，上面杆长度为2m，为光面钢筋所制，半径为4mm。热辐射探头22固定装置是由铁杆上面固定卡子和热辐射探头圆环组成，铁杆上卡子可以上下移动，以便测量不同高度的热辐射通量情况，热辐射探头22处的固定圆环也是可以调节半径的，以便安装不同型号的热辐射探头。
实验1，当用作研究不同坡度情况下对溢流火焰的影响机制时，首先，将温度、辐射通量、失重测量系统布置好，确保热电偶架和燃烧小室2内的热电偶测温和辐射通量测量正常，将坡度调节系统的斜坡板4调到离燃烧小室2远端，大概2m处，将燃烧小室2的箱门14打开，选择一定开口大小的门板洞口15，之后在燃烧小室2底部放上一定尺寸的油盘，将电子天平18调为零示数，将油盘倒上一定量的甲醇，将斜坡板4底部调至离墙体50cm，且迅速将斜坡板4调到到80度，此时热辐射通量测量架21放在离燃烧小室45cm处，都准备好以后就开始点火；于此同时开始采集相关数据，待火焰熄灭后，将斜坡板4移至远端，打开燃烧小室的箱门14，用落地扇扇风将其迅速冷却，待温度冷却下来后，重复上面步骤，将斜坡板4调节为70度，之后也重复以前步骤，以后每次降10度各做一次实验。也可以将斜坡板4底部移至与模拟墙体1高层底部重合，这种极端情况下溢流火焰行为值得研究。
实验2，当用于研究不同火源及功率条件下墙体外壁面溢流火焰情况时，针对不同火源，可以选择汽油、甲醇等液体燃料，选择不同尺寸油盘，在不同门洞开口情况下，建筑外壁面火焰情况。同时也可以用气体燃烧器，用液化石油气供气，经由流量计可以确定流量，进而确定火源功率，同样可以研究不同火源功率情况下建筑外壁面火焰情况，之后操作步骤同实验1。