一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置的制作方法

1.本发明涉及消防安全技术领域，具体涉及一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置，用于研究环境风作用下村落古建筑开口火溢流诱发建筑群火蔓延及烟气输运行为。


背景技术：

2.传统村落集民俗历史与古建筑艺术为一体，是我国历史文化和古建筑的重要宝库。村落中民居建筑毗邻相连，建筑间距较小，一旦村落中某个房间内发生火灾，火焰极容易由窗户开口溢出形成建筑开口火溢流，溢出的火焰极易引燃相邻外部建筑，尤其是当外部存在环境风作用时，“风助火势”，形成外部大尺度火灾蔓延及烟气扩散。2013年3月，丽江古城景区发生火灾，13户103间建筑被烧；2014年1月，独克宗古城突发大火，300多座老屋被烧毁；2021年2月14日，被誉为“中国最后原始部落”的翁丁村老寨遭遇火灾几近毁灭。这些村落古建筑群的火灾蔓延基本可以描述为：室内小火从燃料控制燃烧由补气供氧不足逐步演化为通风控制燃烧并形成外部开口火焰溢出，溢出的火焰在外界环境风作用下向周围扩散，引燃相邻建筑，造成火灾规模进一步扩大，形成村落建筑群大尺度火灾蔓延及烟气扩散。受外界环境风影响的村落古建筑大尺度火灾蔓延行为非常复杂，开展全尺寸真实火灾实验难度较大，需消耗大量的人力、物力和财力，提取宝贵的实验特征参数也十分困难。
3.环境风作用下村落古建筑开口火溢流诱发建筑群火灾蔓延主要涉及到两个相互关联的火灾场景：(1)室内发生火灾，外界环境风作用于村落建筑群，在建筑群内形成复杂的湍流流场结构，直接或间接作用于室内火灾，当室内火灾因氧气供给不足发生开口火焰溢出时，环境风在建筑群内形成复杂的湍流流场作用于溢出火焰，导致溢出火焰沿风向下游传播；(2)溢出火焰在外界环境风作用下引燃相邻建筑，致使火灾规模进一步扩大，形成村落建筑群火灾。近年来，国内外学者通过解耦的思想，将环境风作用下的建筑群落火灾蔓延假设为固体可燃物(木材、壁面装饰材料等)火灾复杂扩散燃烧过程(通过木材模拟单个建筑)，并没有考虑建筑内部着火诱发建筑群火灾蔓延的连续完整过程。因此，搭建更加贴近实际情况的小尺寸实验模型，是研究建筑群火灾蔓延以及烟气扩散规律的很好选择，有助于研究建筑群火灾蔓延行为，从而有效的预测并防止火灾蔓延及烟气扩散。
4.现有的相关专利一般是研究无风条件下单个房间开口火溢流行为，如专利公布号为cn104730198a(一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置)、cn101696888a(城市建筑外壁面火灾模拟实验装置)、cn102052936a(建筑物外墙保温系统火灾实验装置)、cn106645552a(一种建筑外立面防火性能试验装置)，上述专利均是针对城市建筑火灾相关研究，

技术实现要素：
涉及到建筑房间(燃烧腔室)与建筑外立面(模拟建筑外墙)；公开号为cn104730198a和cn106645552a的专利侧重于研究建筑防火结构与性能；专利公布号为cn101696888a重点硏究建筑外壁面火灾特征；cn102052936a侧重研究建筑物外墙保温系统火灾规律以及建筑防火测试。此外，如专利公布号为cn106875822a(一种建筑外立面火灾模
拟装置)、cn103761919a(一种外界风作用下腔室火灾模拟实验装置)、cn108806457a(一种研究风环境中火溢流在狭长受限空间蔓延的模拟装置)、cn106228890a(一种环境风作用下高层建筑立体火行为模拟实验装置)，其主要研究环境风对城市建筑火灾的影响，模拟环境风直接作用于建筑外立面火灾。上述专利均是研究无风以及环境风作用下的城市建筑外立面火灾，均未涉及到环境风作用对建筑群火灾蔓延及烟气扩散的影响。
5.通过对相关专利检索，尚无涉及到对环境风作用下村落古建筑群火灾的研究，因此，可以建立相关的火灾模拟实验装置，研究环境风作用下村落古建筑开口火溢流诱发建筑群火灾蔓延以及烟气扩散行为。为了更充分的研究环境风与村落建筑群形成的复杂边界条件，本发明设计了一套可旋转式建筑村落群实验平台，旋转村落实验平台，设置不同的来流环境风向，从而研究外界复杂环境风对建筑群火灾蔓延以及烟气扩散行为的影响机制。
发明内容
6.为了能够开展更加贴近实际条件的环境风作用下建筑群火灾蔓延以及烟气扩散过程的相关实验研究，本发明的目的在于提供一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置。
7.本发明实现上述目的的技术解决方案如下：一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置，包括供风系统、建筑群模型、单体燃烧腔室、火源系统、质量监测系统以及配套的测量监控系统。其中：
8.所述供风系统，用于模拟外界环境风条件，包括风机、整流管以及供风出口，风速范围0
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10m/s，用于提供模拟环境风作用下的村落建筑群所需的外部风场。
9.所述建筑群模型，用于模拟真实村落建筑群场景，包括若干个相同尺度的单体燃烧腔室。示意图画的是规模为5
×
5的建筑群模型，可以根据实际情况扩展或缩减单体燃烧腔室数量，可以根据实际需要布置燃烧腔室数量与尺寸。
10.所述单体燃烧腔室为正方体构造，使用第一钢板作为框架焊接，内部衬有防火板，腔室的一侧设置有窗户开口门板，可以通过更换门板来模拟不同大小的窗户开口，腔室的侧面安装有石英玻璃，腔室下方焊接有支架，支架末端焊接有万向滚轮，可以任意旋转腔室并固定其位置，腔室的顶部和侧面等距离处设有热电偶孔口和热流计孔口用于测量腔室内部温度和热流相关参数。所述燃烧腔室底部安装火源系统。可选地，所述防火板材质为硅酸钙。
11.所述火源系统，用于提供火灾模拟实验中的火源。
12.所述窗户开口，包括三种窗户开口，一种是窗户开口，没有任何遮挡；一种是平开窗设计，在窗户开口的侧边缘固定转轴，转轴连接有一块与窗户开口大小一致的玻璃板，沿转轴旋转玻璃门板从而设计不同窗户与建筑外立面的夹角，一种是上悬窗设计，转轴设置在开口上边缘。
13.所述火源系统分为固、液、气三种燃料，腔室底部中心位置放置有方形多孔气体燃烧器，由钢板焊接，内部均匀铺放有玻璃珠用于气体均匀混合，燃烧器下部连接有钢管，钢管依次连接橡胶管和气体流量控制器以及供气瓶(例如丙烷、甲烷等)；固体燃料(例如，木垛，pmma等)放置于腔室内部指定位置，通过气体燃烧器将其引燃；液体燃烧则将燃料倒在油盘中放置于腔室中，通过点火器将其点燃。
14.所述质量监测系统用于实时测量建筑群(固、液)燃烧质量损失速率，建筑群放置在腔室支撑板上，腔室支撑板放置在质量监测系统上，其下方是转盘，可由电脑终端控制系统调整转盘角度。
15.所述温度测量系统，为三维可移动式热电偶阵列支架，所述三维可移动式热电偶阵列支架上安装有热电偶，用于测量建筑外部三维空间温度分布。所述三维可移动式热电偶阵列支架均为可拆卸式支架，通过转换头将圆柱状丝杆和支架杆连接，通过螺丝固定在任意位置，进而测量建筑外部三维空间温度分布。
16.所述测量监控系统，包括腔室群侧面数码摄像机以及腔室群后方数码摄像机、腔室群前方激光源片光器，腔室群上方无人机航拍系统，以及电脑终端控制系统；所述腔室群侧面数码摄像机用于拍摄侧面腔室火焰溢出传播蔓延的整个过程；所述腔室群前方激光源片光器，用于观察烟气流动及烟气扩散行为；所述腔室群上方无人机航拍系统，通过电脑终端控制系统控制相机拍摄视角与范围，自上而下拍摄火灾由单体燃烧腔室向周围建筑群火灾蔓延传播的整个过程；上述拍摄视频及图像拍摄由电脑终端控制系统控制，并通过无线实时传输到电脑终端控制系统。
17.进一步地，所述风机依次连通整流管和供风出口，外界空气通过风机鼓入，经过整流管到达供风出口。
18.进一步地，单体燃烧腔室为立方体结构，外部是由第一钢板焊接支撑，内衬保温材料为防火板，内衬保温材料与第一钢板通过螺丝相连固定；侧边设有开口门板，相邻侧边设置有玻璃视窗，腔室底部设置有多孔气体燃烧器，腔室的侧边设置有热电偶孔口，顶部和下部分别设置有热流计孔口，腔室下方焊接有腔室支架，支架下方有滚轮。
19.进一步，开口门板由第二钢板和防火板拼接而成，门板固定外框嵌入开口门板，旋入固定螺丝固定于单体燃烧腔室侧面，开口门板可以更换不同的尺寸，以及开口形式；优选地，开口形式为平开窗和上悬窗，均可以通过转轴实现不同的窗户开口角度。
20.进一步地，所述测量监控系统中，腔室群侧面数码摄像机放置在建筑群模型一侧，电脑终端控制系统放置在供风系统旁边，在建筑群模型背面放置有腔室群后方数码摄像机，建筑群模型正前方放置有腔室群前方激光源片光器，腔室群上方无人机航拍系统通过电脑终端控制系统来进行位置的调节，在建筑群模型上方运动。
21.进一步地，腔室群侧面数码摄像机、腔室群后方数码摄像机和腔室群上方无人机航拍系统通过无线连接到电脑终端控制系统，电脑终端控制系统分别控制腔室群侧面数码摄像机、腔室群后方数码摄像机和腔室群上方无人机航拍系统的拍摄启动和停止。
22.进一步地，所述转盘可以依据边缘底盘刻度线旋转。
23.进一步地，所述三维可移动式热电偶阵列支架，由支架杆与丝杆支撑，支架杆末端为螺纹结构，并与支架底座固定，支架底座焊接有支架滚轮，转换头安装于支架杆上并可自由滑动，侧面通过旋入固定螺丝进行固定，转换头侧面开有螺丝孔，旋入丝杆，丝杆通过转换头与另一根丝杆连接，并通过转换头固定陶瓷管，所述陶瓷管用于安装并固定热电偶。
24.本发明可以达到的有益效果：
25.(1)关于单个村落内房间火灾模拟，将单个燃烧腔室放置在质量监测系统上，通过更换不同形式的窗户开口门板，例如窗户开口、平开窗或上悬窗，使用螺栓固定，其中窗户开口角度任意可调，从而实现不同窗户开口形式下室内火灾由内向外的溢出情况，通过腔
室侧面的窗户玻璃可以观察室内火灾发展演化规律；开启风机，旋转转盘来设置不同环境风与腔室开口法向的角度，模拟不同环境风向和风速条件下室内火灾发展演化规律；
26.(2)关于建筑群内火灾模拟，设计相应的建筑数量及摆放方式(一般可以通过阵列放置)来模拟真实场景下村落建筑形式，通常设定其中一个腔室为着火房间(用于引燃相邻的建筑)，开启风机，通过电脑终端控制系统控制环境风与腔室开口法向的角度，模拟不同环境风向和风速条件下建筑群火灾蔓延及发展演化规律；
27.(3)为了更加真实的模拟建筑群火灾，可以在腔室外表面包裹可燃材料，开启风机，观察溢出火焰向相邻建筑传播蔓延的整个过程，尤其是整个建筑群落之间的火灾蔓延；同时也可以模拟整个村落建筑房间都引燃的情况，即每个燃烧腔室供给气体燃料燃烧，模拟环境风作用下建筑群落大尺度火灾及蔓延情况；
28.(4)实验可以采用广泛的燃料，可以采用固、液、气三种燃料，来模拟室内不同可燃物燃烧情况。其中液体燃料可以在房间底部设置油盘模拟油池燃烧；固体燃料则使用木垛、pmma等模拟室内家具火灾蔓延；气体燃烧在房间底部放置有多孔燃烧器可以实现燃料的充分混合并通过相关装置进行固定，通过减压阀和流量计来精确控制燃料的供给，同时可以模拟室内不同火源功率；
29.(5)关于实验中相关参数的测量方面，实验中采用腔室群侧面数码摄像机以及腔室群后方数码摄像机、腔室群前方激光源片光器、腔室群上方的无人机来拍摄火焰特征尺度以及火灾烟气在建筑群的蔓延情况，热电偶及热流计通过孔口布置在腔室内部，可以通过热电偶来实时测量不同高度处的温度分布，外部通过三维可移动式热电偶阵列支架测量建筑外部三维羽流及火焰温度场。
附图说明
30.图1为本发明整体结构示意图；
31.图2为单体燃烧腔室结构示意图以及燃烧腔室的剖面图；(a)
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(b)单体燃烧腔室结构示意图；(c)燃烧腔室的剖面图；
32.图3为建筑开口门板示意图；图3(a)建筑开口门板安装示意图，(b)开口平开窗设计和(c)上悬窗设计；
33.图4为底座旋转平台示意图；
34.图5为三维可移动式热电偶阵列支架；(a)三维可移动式热电偶阵列支架整体示意图，(b)三维可移动式热电偶阵列支架局部放大图。
35.其中，1
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供风系统、2
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风机、3
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整流管、4
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供风出口、5
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腔室群前方激光源片光器、6
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腔室群上方无人机航拍系统、7
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建筑群模型、8
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三维可移动式热电偶阵列支架、9
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腔室群后方数码摄像机、10
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旋转底盘、11
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单体燃烧腔室、12
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腔室支撑板、13
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腔室群侧面数码摄像机、14
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质量监测系统、15
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电脑终端控制系统、16
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玻璃视窗、17
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气体燃烧器、18
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腔室支架、19
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滚轮、20
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开口门板、21
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防火板、22
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第一钢板、23
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内衬保温材料、24
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固体燃料、25
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热电偶孔口、26
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热流计孔口、27
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玻璃珠、28
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第二钢板、29
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窗户开口、30
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门板固定外框、31
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固定螺丝、32
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平开窗、33
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转轴、34
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上悬窗、35
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底座齿轮、36
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圆形轨道、37
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底盘刻度线、38
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支架滚轮、39
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支架底座、40
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支架杆、41
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第一刻度线、42
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螺丝、43
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转换头、44
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丝杆、45
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陶瓷管。
具体实施方式
36.下面将结合附图，对发明做进一步的说明。
37.图1是本发明整体结构示意图，一种环境风作用下村落古建筑火灾诱发建筑群火灾模拟实验装置，主要包括供风系统1，建筑群模型7，质量监测系统14，旋转底盘10，三维可移动式热电偶阵列支架8。所述供风系统1用于提供模拟环境风作用下的村落建筑群所需的外部风场。所述供风系统1由风机2，整流管3以及供风出口4组成，风机2依次连通整流管3和供风出口4。所述整流管3具有多个，呈行列排列。外界空气通过风机2鼓入，经过整流管3到达供风出口4，风速范围0
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10m/s，用于提供模拟环境风作用下的村落建筑群所需的外部风场。供风出口4的出口位置正对着建筑群模型7。建筑群模型7由多个单体燃烧腔室11组成(所述建筑群模型7，用于模拟真实建筑村落场景，包括若干个相同尺度的单体燃烧腔室11。示意图画的是规模为5
×
5的建筑群模型，可以根据实际情况扩展或缩减单体燃烧腔室11数量，可以根据实际需要布置燃烧腔室数量与尺寸)。建筑群模型7放置在腔室支撑板12上，腔室支撑板12放在质量监测系统14上，质量监测系统14放置在旋转底盘10上，上述均是分离式装置，不需要固定，直接放置在上面即可。腔室支撑板12采用防火板。腔室群侧面数码摄像机13放置在建筑群模型一侧，用于拍摄侧面腔室火焰溢出
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传播
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蔓延的整个过程；电脑终端控制系统15放置在供风系统1旁边并尽量远离建筑群模型7，在建筑群模型7侧面放置有腔室群侧面数码摄像机13，背面放置有腔室群后方数码摄像机9。建筑群模型7正前方放置有两台腔室群前方激光源片光器5，腔室群上方无人机航拍系统6通过电脑终端控制系统15来进行位置的调节，在建筑群模型7上方运动，通过电脑终端控制系统控制相机拍摄视角与范围，自上而下拍摄火灾由单体燃烧腔室11向周围建筑群蔓延传播的整个过程。上述视频及图像拍摄由电脑终端控制系统控制，并通过无线实时传输到电脑终端控制系统。腔室群侧面数码摄像机13、腔室群后方数码摄像机9和腔室群上方无人机航拍系统6分别通过无线连接到电脑终端控制系统15，电脑终端控制系统15分别控制腔室群侧面数码摄像机13、腔室群后方数码摄像机9和腔室群上方无人机航拍系统6的拍摄启动和停止。本发明中，将建筑群模型7正对着供风出口4的一面视为正面，与正面相反的面为背面。在建筑群模型7的正面至供风出口4的方向上，视为建筑群模型7的前方。
38.腔室群前方激光源片光器5主要用于观察火灾早期(火灾早期是指燃料控制燃烧阶段)烟气流动及烟气扩散行为。
39.所述三维可移动式热电偶阵列支架用于温度测量，均为可拆卸式支架，通过转换头将圆柱状丝杆和支架杆连接，通过螺丝固定在任意位置，进而测量建筑外部三维空间温度分布。
40.图2为单体燃烧腔室结构示意图及腔室的剖面图(c)，其单体燃烧腔室11为立方体结构，外部是由第一钢板22焊接支撑，内衬保温材料23使用防火板21，起到保温隔热的作用，内衬保温材料23与第一钢板22通过螺丝相连固定；侧边设置有开口门板20，相邻侧边设置有玻璃视窗16，材质为石英玻璃。内衬保温材料23位于单体燃烧腔室11内部，覆盖单体燃烧腔室11的除开口门板20和玻璃视窗16以外的内侧面和顶部内表面。单体燃烧腔室11的内腔室底部设置有多孔气体燃烧器17模拟室内火源，燃烧器内部均匀铺放有玻璃珠27用于气体整流(均匀混合)，燃烧器下部连接有钢管，钢管依次连接橡胶管和气体流量控制器以及供气瓶(例如丙烷、甲烷等)，此外，还可以将固体燃料24(例如，木垛，pmma等)放置于单体燃
烧腔室11内部指定位置，通过气体燃烧器17将其引燃；液体燃烧则将燃料倒在油盘中放置于腔室中，通过点火器点燃(需要说明的是，如果固、液作为燃料时，通过质量监测系统14用于实时测量建筑群(固、液)燃烧质量损失速率)。单体燃烧腔室11的侧边设置有热电偶孔口25，顶部和下部有热流计孔口26，热电偶孔口25插入热电偶，热流计孔口26插入热流计，热电偶测量室内温度，热流计测量热流分布。单体燃烧腔室11下方焊接有腔室支架18，支架下方有滚轮19。例如，顶部和下部分别设置有热流计孔口26。可选地，热电偶孔口25等距离均匀设置。可选地，热流计孔口26等距离均匀设置。可选地，气体燃烧器17为方形多孔气体燃烧器。
41.图3为建筑开口门板示意图，主要通过门板固定外框30嵌入开口门板20，通过旋入固定螺丝31使其固定，开口门板20由第二钢板28和防火板21拼接而成，通过螺丝固定。主要设计了三种开口形式，窗户开口29即窗户没有任何遮挡，完全打开(图3(a))，平开窗32(图3(b))以及上悬窗34(图3(c))，对于平开窗32，其侧面安装有一块玻璃，通过侧边缘转轴33旋转，对于上悬窗34，其转轴33在开口上边缘，其玻璃均可以沿着转轴33自由旋转并固定。
42.图4为底座旋转平台，建筑群模型腔室支撑板12放在质量监测系统14上，质量监测系统14放在旋转底盘10上，旋转底盘10下方焊接有底座齿轮35并固定在圆形轨道36内，其中，旋转底盘10边缘刻有底盘刻度线37。建筑群模型7放置在腔室支撑板12上。建筑群模型7由多个单体燃烧腔室11组成。
43.图5为三维可移动式热电偶阵列支架8，由支架杆40与丝杆44支撑的架子，均是圆杆，并设置有第一刻度线41，支架杆40末端设有螺纹，可以旋入支架底座39，支架底座39焊接有支架滚轮38，支架杆40上安装有转换头43，可在上面自由滑动，并在侧面旋入螺丝42固定，转换头43侧面开有螺丝孔，并旋入丝杆44，丝杆44通过转换头43连接另一根丝杆44，并通过转换头43固定陶瓷管45，所述陶瓷管45用于安装并固定热电偶。
44.实验1：基于技术背景所述的火灾场景(1)可以建立上述实验装置，研究环境风作用下建筑群中的单体腔室燃烧情况，对溢出火焰传播蔓延的影响，设置5
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5方形建筑群阵列，其中一个燃烧腔室(中心位置腔室)使用气体燃烧器17作为火源，其它腔室不设置任何可燃物，连接质量流量计和丙烷气瓶供气，模拟室内燃烧，开启风机2，逐渐增加室内火源燃烧热释放速率，通过腔室顶部和下部的热流计孔口26以及侧边热电偶孔口25插入热流计和热电偶来测量腔室侧壁热流及温度分布，同时打开腔室群侧面数码摄像机13、腔室群后方数码摄像机9、腔室群前方激光源片光器5以及腔室群上方无人机航拍系统6，分别测量火焰高度、宽度、长度、卷吸涡旋尺寸以及烟气蔓延范围，来揭示火焰特征尺度以及火灾烟气在外界复杂环境风作用下的蔓延规律，同时测量建筑外部的三维温度场，实验中可以通过移动腔室滚轮改变建筑群模型7中单体燃烧腔室11之间的间隔，模拟建筑间隔对建筑群内部单体燃烧腔室11的影响。
45.实验2：基于技术背景所述的火灾场景(2)(溢出火焰在外界环境风作用下引燃相邻建筑，致使火灾规模进一步扩大，形成村落建筑群火灾)可以建立上述实验装置，研究环境风作用下多个单体腔室(建筑群模型7)燃烧情况，实验中每个燃烧腔室均使用气体燃烧器17作为火源，同时点燃，设置相同的燃料供给速率，开启供风系统1。通过腔室顶部和下部的热流计孔口26以及侧边热电偶孔口25分别插入热流计和热电偶来测量腔室侧壁热流及温度分布；通过电脑终端控制系统15开启腔室群上方无人机航拍系统6，从腔室群上方俯拍
火焰，测量火焰蔓延范围；通过腔室群前方激光源片光器5，观察外部烟气流动特征，测量涡旋尺度；腔室群侧面数码摄像机13和腔室群上方无人机航拍系统6观察外部火焰形态特征，基于matlab处理得到火焰形态特征参数，如火焰高度、宽度、长度等。模拟环境风作用下建筑群村落大尺度火灾蔓延及烟气扩散情况，调节转盘，实现不同的环境风来流方向。
46.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。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和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。