一种点燃实验模拟装置的制作方法

1.本发明涉及材料点燃技术领域，更具体地说，涉及一种点燃实验模拟装置。


背景技术：

2.森林火灾是世界八大自然灾害之一，历史重特大火灾案例表明，包括我国在内的世界各国的森林—城镇交界区域火灾(以下简称交界域火灾)形势日益严峻。交界域中建筑与植被混合分布，可燃物分布和地理环境非常复杂，发生火灾更易导致严重后果。火蔓延是火焰对前方燃料不断预热并持续点燃的过程。可燃物热解与着火是固体火灾发生的初始阶段，对交界域火灾的蔓延与发展至关重要。在真实火蔓延场景中，交界域中的树冠精细燃料存在可燃烧到不可燃的突变，这是目前火蔓延半经验模型无法解释的现象。此外，火灾蔓延模型无法基于对火灾蔓延过程的基本理解来提供更有效的管理方案。采用实验和理论方法来提高对火蔓延过程的认识，特别是灌木和树冠燃料(精细燃料)的点燃行为已经成为当前研究的重点。
3.火蔓延过程中主要存在对流加热、辐射加热和对流冷却三种传热形式。辐射点燃和对流点燃的机理有所不同；现阶段业内对精细燃料主导加热的机制和灌木树冠燃料的点燃现象存在很大争议。为了建立能够可靠地估计灌木丛和乔木冠层发生火灾(树冠火)的可能性的物理基础，对燃料进行点燃模拟实验研究是不可或缺的。由于对主导加热机制的不确定性，前人在辐射加热或对流加热条件下进行了点燃实验研究，但现有装置无法同时实现对辐射热通量和对流热加热热流的独立控制；且现有的对流加热装置在对流段均使用常规的高发射率材料，未采取措施降低对流装置的背景辐射值，这对点燃特征参数与对流加热变化相关性研究产生了不可忽视的影响。并且，现有对流装置出口端尺寸和气流流速较小，这对实验样本尺寸和实验工况的选择带来了很大限制。即现有装置无法同时实现对辐射热通量和对流加热热流的精细控制，亦不能相对独立地调节对流加热热流和辐射热通量在总加热热流中的占比；且目前的对流加热装置中存在较高的背景辐射值和较低的气流流速上限，无法涵盖真实森林火灾场景中的参数范围。
4.因此，如何相对独立地实现对辐射热通量和对流加热热流的控制，是现阶段该领域亟待解决的难题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种点燃实验模拟装置，该装置能够相对独立地实现对辐射热通量和对流加热热流的控制，解决了现阶段该领域的难题。
6.一种点燃实验模拟装置，包括对流加热系统、辐射加热系统以及固体实验样本；
7.所述对流加热系统包括气体管道、设置于所述气体管道入口的空气压缩机和对流加热器以及用于控制所述对流加热器的对流加热控制柜；所述气体管道出口的内周面设有铂片，外周面包裹有水冷套管，内壁设有能够使气体穿过的铂网；所述气体管道内的所述气体为氧气和氮气的混合物；
8.所述固体实验样本设置于所述气体管道出口的上方；
9.所述辐射加热系统包括设置于所述气体管道出口的红外加热模块和用于控制所述红外加热模块的红外加热控制柜。
10.优选的，所述的点燃实验模拟装置，所述空气压缩机与所述对流加热器之间还设有冷冻式干燥机、减压阀以及气体质量流量控制器。
11.优选的，所述的点燃实验模拟装置，还包括用于固定所述气体管道的管道支架，所述气体管道的外周面包裹有保温材料。
12.优选的，所述的点燃实验模拟装置，还包括用于固定所述红外加热模块的模块支架，所述模块支架通过所述管道支架固定于所述气体管道的出口。
13.优选的，所述的点燃实验模拟装置，还包括用于支撑所述对流加热器的升降台；
14.所述对流加热器通过法兰与所述气体管道相连接。
15.优选的，所述的点燃实验模拟装置，还包括测量控制系统，所述测量控制系统包括：用于测试所述固体实验样本的质量损失速率的高精度电子天平；用于拍摄所述固体实验样本点燃过程的dv摄像机；用于测量所述气体管道出口的气体流速的热线风速仪；设置于所述气体管道出口的热电偶、高速红外热像仪，辐射热流计，总热流计以及气体分析系统；
16.还包括与所述热线风速仪、所述热电偶、所述辐射热流计以及所述总热流计均通讯连接的数据处理装置。
17.优选的，所述的点燃实验模拟装置，所述气体分析系统包括设置于所述气体管道出口的集气罩，与所述集气罩相连通的鼓风机以及用于测量气体中二氧化碳、一氧化碳、氧气和水蒸气含量的气体分析仪。
18.优选的，所述的点燃实验模拟装置，还包括用于固定所述dv摄像机的第一固定架，用于固定所述高速红外热像仪的第二固定架以及用于支撑所述固体实验样本的样本支撑架。
19.优选的，所述的点燃实验模拟装置，所述气体管道内气体的温度范围为25
‑
850℃，流速范围为0
‑
10m/s，氧气浓度范围为0
‑
40％。
20.优选的，所述的点燃实验模拟装置，所述辐射加热系统的辐射热通量范围为0
‑
70kw/m2。
21.本发明提出的点燃实验模拟装置，包括对流加热系统、辐射加热系统以及固体实验样本；对流加热系统包括气体管道、设置于气体管道入口的空气压缩机和对流加热器以及用于控制对流加热器的对流加热控制柜；气体管道出口的内周面设有铂片，外周面包裹有水冷套管，内壁设有能够使空气穿过的铂网；气体管道内的气体为氧气和氮气的混合物；固体实验样本设置于气体管道出口的上方；辐射加热系统包括设置于气体管道出口的红外加热模块和用于控制红外加热模块的红外加热控制柜。上述点燃实验模拟装置包括对流加热系统和辐射加热系统，并设有对流加热控制柜和红外加热控制柜，能够相对独立地调节对流加热系统和辐射加热系统对固体实验样本所施加的对流加热热流值和辐射热通量值，以实现对辐射热通量和对流加热热流的精准控制；且在气体管道的出口设置铂片、铂网和水冷套管，以使出口端成为低辐射管道，进而能够更灵活地调控装置所提供的总热通量中辐射热通量与对流加热热流的相对比例。因此，本发明提出的点燃实验模拟装置，能够相对
独立地实现对辐射热通量和对流加热热流的控制，解决了现阶段该领域的难题。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明具体实施方式中点燃实验模拟装置的示意图；
24.图2为本发明具体实施方式中对流加热系统的正视图；
25.图3为本发明具体实施方式中气体管道的立体图；
26.图4为本发明具体实施方式中气体管道出口的俯视图；
27.图5为本发明具体实施方式中气体管道出口的剖视图；
28.图6为本发明具体实施方式中辐射加热系统的示意图。
29.图1
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图6中：
30.气体管道—1；空气压缩机—2；对流加热器—3；对流加热控制柜—4；铂片—5；水冷套管—6；铂网—7；红外加热模块—8；红外加热控制柜—9；冷冻式干燥机—10；减压阀—11；气体质量流量控制器—12；管道支架—13；保温材料—14；模块支架—15；升降台—16；法兰—17；高精度电子天平—18；dv摄像机—19；热线风速仪—20；热电偶—21；高速红外热像仪—22；辐射热流计—23；总热流计—24；集气罩—25；鼓风机—26；气体分析仪—27；第一固定架—28；第二固定架—29；样本支撑架—30；固定器—31；带孔钢板—32；天平支撑架—33。
具体实施方式
31.本具体实施方式的核心在于提供一种点燃实验模拟装置，该装置能够相对独立地实现对辐射热通量和对流加热热流的控制，解决了现阶段该领域的难题。
32.以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
33.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，包括对流加热系统、辐射加热系统以及固体实验样本；对流加热系统包括气体管道1、设置于气体管道1入口的空气压缩机2和对流加热器3以及用于控制对流加热器3的对流加热控制柜4；气体管道1出口的内周面设有铂片5，外周面包裹有水冷套管6，内壁设有能够使空气穿过的铂网7；气体管道1内的气体为氧气和氮气的混合物；固体实验样本设置于气体管道1出口的上方；辐射加热系统包括设置于气体管道1出口的红外加热模块8和用于控制红外加热模块8的红外加热控制柜9。
34.上述点燃实验模拟装置包括对流加热系统和辐射加热系统，并设有对流加热控制柜4和红外加热控制柜9，能够相对独立地调节对流加热系统和辐射加热系统对固体实验样本所施加的对流加热热流值和辐射热通量值，以实现对辐射热通量和对流加热热流的精准控制；且在气体管道1的出口设置铂片5、铂网7和水冷套管6，以使出口端成为低辐射管道，进而能够更灵活地调控装置所提供的总热通量中辐射热通量与对流加热热流的相对比例。
35.因此，本发明提出的点燃实验模拟装置，能够相对独立地实现对辐射热通量和对流加热热流的控制，解决了现阶段该领域的难题。具体请参见图1
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图6。
36.上述红外加热模块8的个数可以为四个，外形的尺寸可以为350mm*150mm*150mm，总加热功率可以为20kw；当然，亦可以为能够起到同等作用的其他类型。
37.红外加热模块8可以由红外辐射器、水冷结构、风冷结构、辐射器安装固定装置、红外线模块框架、密封板及固定连接结构等部分组成；且红外加热模块8可以面朝中心，并通过模块支架15来保持斜向上辐射加热的状态，且可以通过模块支架15设置于管道支架13的顶部。
38.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，空气压缩机2与对流加热器3之间还可以设有冷冻式干燥机10、减压阀11以及气体质量流量控制器12，进而更好地对气体管道1内气体的各项参数进行控制，进而精准的控制对流加热热流。
39.进一步，上述点燃实验模拟装置，还可以包括用于固定气体管道1的管道支架13，进而避免在实验过程中气体管道1出现晃动等，保证实验的顺利进行；且气体管道1的外周面可以包裹有保温材料14，进而更好地对气体管道1内的气体的温度进行控温，以降低高温热气流在流经管道时的热损，减少壁面冷却对出口气流热均匀性的影响。
40.上述气体管道1可以通过固定器31和带孔钢板32实现与管道支架13的固定，且固定器31和带孔钢板32的个数可以根据实际需要进行设计；例如，固定器31可以包裹于气体管道1的外周面，并通过与带孔钢板32的固定实现将气体管道1固定于管道支架13。具体请参见图1
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3。
41.优选的，气体管道1可以为316不锈钢管道，该气体管道1可以包括垂直的水平段和竖直段，气体自水平段进入气体管道1，并自竖直段流出气体管道1；例如，水平段与竖直段的长度可以均为500mm，且两者连接的弯管弯道的半径可以为229mm。
42.当然，在实际设计时，气体管道1的材质、尺寸以及样式可以根据实际需要进行设计。
43.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，还可以包括用于固定红外加热模块8的模块支架15，模块支架15可以通过管道支架13固定于气体管道1的出口，即模块支架15可以固定于管道支架13的顶部，具体位置如图1
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6。
44.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，还可以包括用于支撑对流加热器3的升降台16；对流加热器3可以通过法兰17与气体管道1相连接；即升降台16用于支撑并调整对流加热器3的高度，以使对流加热器3的中轴线能够与法兰17的中轴线位于同一水平高度上。
45.上述法兰17可以为焊接法兰17，该法兰17的直径可以为275mm，且在距圆心120mm的半径处均匀开了八个23mm直径的孔以用于螺丝的固定。
46.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，还可以包括测量控制系统，测量控制系统可以包括：用于测试固体实验样本的质量损失速率的高精度电子天平18；用于拍摄固体实验样本点燃过程的dv摄像机19；用于测量气体管道1出口的气体流速的热线风速仪20；设置于气体管道1出口的热电偶21、用于拍摄固体实验样本点燃过程的高速红外热像仪22，辐射热流计23，总热流计24以及气体分析系统；还可以包括与热线风速仪20、热电偶21、辐射热流计23以及总热流计24均通讯连接的数据处理装置，进而使得热线风速仪20、热电偶
21、辐射热流计23以及总热流计24的测量数据均能够被传送至数据处理装置。
47.上述数据处理装置主要储存记录相关的测量参数，并根据后续需要采用相关软件对数据进行分析。
48.其中，热线风速仪20能够实现水平移动和竖直移动，进而能够通过调节热线风速仪20的位置使其与样本支撑架30所处的位置相同，以更好地对点燃实验进行测量和模拟。
49.上述测量控制系统的存在能够更好地对气体进行检测和分析，进而获得点燃过程中的各项参数，以对固体实验样本的点燃过程进行研究。
50.进一步，气体分析系统可以包括设置于气体管道1出口的集气罩25，与集气罩25相连通的鼓风机26以及用于测量气体中二氧化碳、一氧化碳、氧气和水蒸气含量的气体分析仪27；进而更好地对点燃后的气体的成分进行分析。
51.例如，气体分析仪27对二氧化碳的检测范围可以为0
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60000ppm，一氧化碳测量的范围可以为0
‑
5000ppm；氧气测量范围可以为0
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100％；水的测量范围可以为0
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60mmol/mol；在实际设计时，气体分析仪27的种类可以根据实际需要进行选择。
52.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，还可以包括用于固定dv摄像机19的第一固定架28，用于固定高速红外热像仪22的第二固定架29以及用于支撑固体实验样本的样本支撑架30。样本支撑架30可以放置于高精度电子天平18上，而高精度电子天平18可以设置于管道支架13外周面的天平支撑架33的顶部。
53.进一步，可以设计使第一固定架28和第二固定架29可以实现角度调节，进而调节dv摄像机19和高速红外热像仪22的角度，以更好地实现对固体实验样本点燃过程的拍摄。
54.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置，气体管道1内气体的温度范围可以为25
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850℃，流速范围可以为0
‑
10m/s，氧气浓度范围可以为0
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40％；进一步，对流加热器可以实现1℃的幅度调节，进而更精准的对气体的温度进行控制；且辐射加热系统的辐射热通量的调节范围可以为0
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70kw/m2，上述变量范围能够更好地涵盖真实森林火灾场景中的参数范围，进而可以分别对辐射点燃和对流点燃的机理进行研究。
55.需要说明的是，气体中氧气含量的范围为0
‑
40％，上述点燃实验模拟装置工作时，空气压缩机2将空气通入气体管道1，并通过氮气气瓶和氧气气瓶来调节气体中氧气的占比。
56.本具体实施方式中，主要通过参数来确定装置选型，从而达到使对流流速达到10m/s，具体实现过程如下：
57.首先，根据需要的出口气流流速上限计算要达到此流速所需要的最大气流体积流量(升每分钟
‑‑
slm)。
58.再根据最大气体体积流量对空气压缩机2进行选型，选择能够提供最大流量的空气压缩机2。
59.且根据流量范围确定选择相应的对流加热器3，并根据对流加热器3的基础参数曲线，确保在最大气体流量范围下对流加热器3出口气流也能加热至温度的最高上限。
60.需要说明的是，对流加热器3温度的控制以及空气压缩机2流量的控制均通过相应的控制器来实现的。
61.本具体实施方式提供的点燃实验模拟装置与现有的对流辐射加热实验装置相比，将对流加热系统与辐射加热系统组合在一起，且两个系统可以单独进行使用。
62.同时，气体管道1的出口段通过使用低发射率的材料铂来降低管道出口端所产生的背景辐射值，能够保证施加对流加热热流时可相对忽略对流装置产生的背景辐射值，进而能够相对独立提供辐射加热和对流加热，以实现对辐射与对流加热热流的精确控制，在实验研究中更灵活地调控装置所提供的总热通量中辐射热通量与对流加热热流的相对比例，进而开展更大变量范围的实验探究。
63.进一步，红外加热模块8能够调整对固体实验样本施加辐射的角度，对流加热器3能够较为精准地控制加热气体的温度，进而能够使气体管道1内部较为快速获得稳定的高温气流。
64.气体温度可以在25
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850℃之间控制；最大的气流流速可以达到10m/s；辐射热通量能够在0
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70kw/m2范围内可任意设定，进而实现对辐射与对流加热热流和环境气氛的精确控制，开展复杂热环境条件下固体可燃物点燃特性的实验观测和精细测量，深入揭示森林火蔓延燃料的点燃机制；此外，该装置中气体管道1中的气体在出口端能够较均匀流出。且固体实验样本能够在很短的时间内从未加热区移动到对流辐射加热区域内，进而能够保证减少在实验中样本在还未进行实验的移动过程中所接收的额外热流量，显著提高实验现象及数据的准确性。
65.上述点燃实验模拟装置包括对流加热系统和辐射加热系统，并设有对流加热控制柜4和红外加热控制柜9，能够相对独立地调节对流加热系统和辐射加热系统对固体实验样本所施加的对流加热热流值和辐射热通量值，以实现对辐射热通量和对流加热热流的精准控制；且在气体管道1的出口设置铂片5、铂网7和水冷套管6，以使出口端成为低辐射管道，进而能够更灵活地调控装置所提供的总热通量中辐射热通量与对流加热热流的相对比例。具体请参见图1
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图6。
66.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
67.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。