一种受限空间池火燃烧研究实验平台及其使用方法与流程

1.本发明涉及火灾安全技术领域，尤其涉及受限空间池火燃烧研究实验平台及其使用方法。


背景技术：

2.火灾一直是人类面对的重大灾害之一，往往会造成难以接受的人员伤亡和财产损失。随着社会和科技的发展，社会化、工业化等不断推进，方便了人们生活的同时，也将火灾隐患遍布到了社会的各个角落。其中，池火是液体火灾的重要形式之一，是船舶面临的主要危险之一。据统计，在船舶火灾中，机舱火灾占所有船舶火灾总数的三分之二左右，且其中超过一半是由于燃油等可燃液体泄漏被高温热源点燃导致的，而一旦发生火灾，船舶本身很难得到外部的有效援助，只能依靠自身实施灭火救援，但船舶结构复杂、回旋余地小、扑救设备有限等原因造成船舶火灾扑救难度大，一旦发生火灾往往就会导致严重的财产损失和人员伤亡。因此，研究船舶舱室的池火燃烧行为和机理，对于保证船舶安全具有重要意义。
3.为了预防和减少火灾的危害，模拟火灾场景建立实验平台并进行燃烧实验是最为直接有效的研究方法。国内外专家普遍将船舶池火作为受限空间内的燃烧，搭建了许多受限空间实验平台，并配备了相应的实验设备。例如，具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置(cn201820475490.4)公开了一种具有顶部开口的受限空间火灾实验模拟装置，设置腔室是由腔室支撑架支撑的可拆卸结构，分设为下层腔室和上层腔室，顶部开口腔，底部中央设置燃料盘，在腔室上方设置排烟系统，在腔室外部设置摄像机以记录烟气流动过程，能够研究排烟速度、壁面材料物性对燃烧的影响。一种研究不同液位深度池火燃烧特性的实验装置(cn201710747421.4)，包括燃烧器和数据采集系统，燃烧器整体为圆柱形，可根据所需研究的不同液位深度调节内杯和外杯的高度位置，也可调整空气六里昂，研究不同液位深度、不同空燃比池火的燃烧特性。一种研究油池火灾沸腾燃烧现象的实验装置(cn201920887496.7)包括火灾场景模拟系统、燃料监控系统和测量系统，能够通过改变顶部开口的尺寸和位置，研究受限空间对液体沸腾燃烧发展的影响；通过改变横向风风速模拟特殊建筑设施内通风系统，揭示环境对流对液体沸腾燃烧影响规律。液体火灾模拟实验平台(cn202022493574.0)包括：固定板、油池火模拟系统、船舶摇晃模拟系统、数据采集系统，可以通过船舶摇晃模拟系统对油盘进行摇晃，能够调整摇晃的频率、幅度，操作简单，实现对油池火燃烧时船舶机舱的摇晃状况的模拟。一种能够实现液面持续稳定的燃烧实验装置(cn2012103611786.0)能够实现燃料池火燃烧液面的稳定，液面高度可控，能够较为准确实时地监测和记录燃烧速率。一种模拟不同倾斜角度的船舶甲板池火行为的实验装置(cn201922346862.0)提供了一种能够改变地板倾斜角、油盘形状大小可变且操作方便的池火实验装置。
4.现有的池火燃烧实验平台在很大程度上满足了人们对池火研究的需求，为池火燃烧特性的研究做出了巨大贡献，切实推动了人们对池火的机理及特征的认识，但也存在一
些缺点：现有实验平台在设计时大多具有明显的目的性，这就使得其在相应的研究方向上能够发挥出巨大作用，但很难兼用到其他研究上；许多设备位置都是固定的，导致缺乏灵活性，比如传感器的位置固定，只能测量指定位置的数据，不能根据研究需要改变；能够模拟的池火场景单一，难以满足对受限空间各种场景的池火研究需要。
5.综上所述，目前现有的池火实验平台有其可取之处，但也存在着一定缺陷，有必要针对现有实验平台的缺点，设计出灵活性强、设备可变动、操作简便、模拟场景多样化的实验平台。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决受限空间池火研究实验中存在的问题，提供一种灵活性强、设备可变动、操作简便、数据采集全面、模拟场景多样化的受限空间池火燃烧研究实验平台及其使用方法。
7.本发明所采用的技术方案：一种受限空间池火燃烧研究实验平台，分为两种结构形式：燃料固定式和燃料维持式，设备部件包括：实验舱底、实验舱壁、实验舱顶、燃料供应口、供气口、舱底导轨系统、载物台、点燃器、电子天平、燃料盘、观察窗、舱壁导轨、竖直导轨、伸缩杆、传感器、舱顶本体、密封条一、密封条二、供气支管、供气干管、干管流量阀、支管流量阀、摄像机、燃料供应管一、燃料供应管二、燃料供应装置、燃料供应天平、圆形导轨、平行导轨，所述实验舱底、实验舱壁、实验舱顶共同组成圆柱形实验舱体，形成受限空间；所述实验舱底为圆形，其中央设置有燃料供应口，实验舱底的其他部分均匀分布设置供气口，所述实验舱底上安装有舱底导轨系统；所述舱底导轨系统安装于实验舱底，舱底导轨系统上设置有载物台；所述载物台安装在舱底导轨系统上，载物台中央设有开口，载物台边缘安装有点燃器；所述实验舱壁为圆柱形筒壁，实验舱壁上设有观察窗，且实验舱壁内表面安装有舱壁导轨；所述舱壁导轨呈环状，安装于实验舱壁内表面，舱壁导轨上安装有竖直导轨；所述竖直导轨竖直安装于舱壁导轨，竖直导轨上安装有伸缩杆；所述伸缩杆一端安装于竖直导轨，另一端安装有传感器；所述实验舱顶为圆形，由舱顶本体、密封条一、密封条二构成；所述舱顶本体为圆形，舱顶本体上镶嵌有密封条一和密封条二，所述舱顶本体在径向留有长度等于半径的开口，且该开口可被密封条一完全覆盖密封；所述密封条一和密封条二镶嵌于舱顶本体上，密封条一和密封条二径向分布在实验舱顶的同一条直径方向上；所述供气口与供气支管相连；所述供气支管一端与供气口相连，另一端与供气干管相连；所述供气干管上安装有干管流量阀。
8.优选的，所述舱底导轨系统包括圆形导轨和平行导轨；所述圆形导轨安装在实验舱底，圆形导轨上安装有平行导轨；所述平行导轨安装于圆形导轨上，平行导轨可沿圆形导轨旋转，所述平行导轨上安装有载物台，可通过平行导轨移动载物台。
9.优选的，所述燃料盘分为底部有供应口和底部无供应口两类，且每类至少有两种不同的直径尺寸。
10.优选的，所述观察窗采用石英玻璃制成，共设置4个观察窗，均匀分布在实验舱壁上，且其中一个观察窗外设置有摄像机；所述摄像机设置在其中一个观察窗外，拍摄池火燃烧过程，具体设置位置根据拍摄观察需要选择相应的观察窗设置。
11.优选的，所述竖直导轨的数量至少为1个；所述伸缩杆和传感器一一对应，且每个
竖直导轨上的伸缩杆和传感器数量至少为1个；所述传感器包括但不限于热电偶、辐射流量计。
12.优选的，所述供气口与供气支管一一对应，其数量至少为2个，且每个供气支管上都安装有支管流量阀。
13.优选的，所述燃料固定式结构形式下，所述载物台中央放置电子天平；所述电子天平放置在载物台中央，电子天平上放置燃料盘；所述燃料盘选用底部无供应口的，位于电子天平上，燃料盘内盛放液体燃料。
14.优选的，所述燃料维持式结构形式下，所述燃料盘选用底部有供应口的，放置于载物台中央，且燃料盘底部的供应口与载物台中央的开口对应，所述燃料盘底部的供应口与燃料供应管一相连；所述燃料供应管一的一端穿过载物台中央的开口与燃料盘底部的供应口相连，燃料供应管一的另一端与燃料供应口相连；所述燃料供应口两侧分别对接燃料供应管一、燃料供应管二；所述燃料供应管二的一端与燃料供应口相连，另一端与燃料供应装置相连；所述燃料供应装置持续向燃料盘供应燃料维持燃料液面的稳定，燃料供应装置与燃料供应管二相连，且燃料供应装置位于燃料供应天平上方；所述燃料供应天平位于燃料供应装置下方，测量燃料供应装置的质量变化，进而得到燃料盘内燃料的消耗。
15.本发明一种受限空间池火燃烧研究实验平台使用方法，其分为燃料固定式和燃料维持式，燃料固定式使用方法的具体步骤如下：
16.(一)准备：选用底部无供应口的燃料盘，按照燃料固定式结构形式连接安装各个部件，根据实验工况，利用舱底导轨系统的圆形导轨旋转调整平行导轨的位置，再利用平行导轨移动调整载物台的位置，选择传感器并安装，通过舱壁导轨滑动调整竖直导轨的位置，通过竖直导轨滑动调整伸缩杆的位置，再通过伸缩杆的伸缩最终确定传感器的位置，选择便于清楚观测的观察窗设置摄像机，关闭燃料供应口，通过滑动密封条一和密封条二调整顶部开口的位置和大小；
17.(二)供气点火：根据实验工况，通过调整干管流量阀和支管流量阀控制实验舱体内的空气供应情况，供气五分钟流场稳定后，向燃料盘中加入燃料，开启电子天平、传感器和摄像机记录数据，通过点燃器点燃燃料；
18.(三)数据采集和处理：燃料燃烧过程中，传感器、电子天平和摄像机实时采集记录数据，数据采集完毕后，通过电脑将传感器、电子天平和摄像机采集的数据导出，以进行下一步研究处理。
19.(四)实验结束：完成数据采集后，待燃烧熄灭，滑动密封条一和密封条二，将顶部开口调至最大，并调节干管流量阀和支管流量阀，进行实验舱体内的通风降温，直至实验仓体内的温度降至外界环境温度，然后清理燃料盘内未燃尽的燃料，最后清洁各个部件。
20.本发明一种受限空间池火燃烧研究实验平台使用方法，其燃料维持式使用方法的具体步骤如下：
21.(一)准备：选用底部有供应口的燃料盘，关闭燃料供应口，按照燃料维持式结构形式连接安装各个部件，根据实验工况，利用舱底导轨系统的圆形导轨旋转调整平行导轨的位置，再利用平行导轨移动调整载物台的位置，选择传感器并安装，通过舱壁导轨滑动调整竖直导轨的位置，通过竖直导轨滑动调整伸缩杆的位置，再通过伸缩杆的伸缩最终确定传感器的位置，选择便于清楚观测的观察窗设置摄像机，通过滑动密封条一和密封条二调整
顶部开口的位置和大小；
22.(二)供气点火：根据实验工况，通过调整干管流量阀和支管流量阀控制实验舱体内的空气供应情况，供气五分钟流场稳定后，根据实验工况设置燃料盘中的燃料高度并调整燃料供应装置，打开燃料供应口，燃料供应装置通过燃料供应管二、燃料供应口、燃料供应管一向燃料盘中供应燃料，维持燃料盘中燃料高度不变，开启传感器、摄像机和燃料供应天平记录数据，通过点燃器点燃燃料；
23.(三)数据采集和处理：燃料燃烧过程中，传感器、燃料供应天平和摄像机实时采集记录数据，数据采集完毕后，通过电脑将传感器、燃料供应天平和摄像机采集的数据导出，以进行下一步研究处理。
24.(四)实验结束：完成数据采集后，关闭燃料供应装置和燃料供应口，待燃烧熄灭，滑动密封条一和密封条二，将顶部开口调至最大，并调节干管流量阀和支管流量阀，进行实验舱体内的通风降温，直至实验仓体内的温度降至外界环境温度，然后清理燃料盘内未燃尽的燃料，最后清洁各个部件。
25.本发明的有益效果：(1)本发明能够通过舱底导轨系统和载物台调整火源位置，通过舱壁导轨、竖直导轨和伸缩杆调整传感器的位置，通过密封条一和密封条二调整顶部开口大小和位置，通过干管流量阀和支管流量阀调整供气流场，操作简单、灵活性强且实现了设备的可变动；(2)本发明中既可进行燃料固定式燃烧，也可进行燃料维持供应式燃烧，设置有燃料供应装置保持燃料液面高度不变，同时传感器、火源位置、顶部开口、供气流场均可调整控制，虽然顶部开口的限制在一定范围内，但火源与顶部开口的相对位置可自由变化，能够满足多种受限空间池火工况的研究需求，实现了模拟场景多样化；(3)本发明中传感器位置可自由调整，也可根据测量需要安装更换多种不同类型的传感器，四个观察窗的设计保证了摄像机录像和人员观察的便捷性、高效性和清晰度，使得数据采集更加全面；(4)本发明中供气口、供气干管、供气支管、干管流量阀、支管流量阀能够控制实验中的空气供应，营造出实验所需的各种流场。
附图说明
26.图1是本发明的燃料维持式结构示意图。
27.图2是本发明的燃料固定式结构示意图。
28.图3是本发明的实验舱底的示意图。
29.图4是本发明的舱底导轨系统和载物台俯视图。
30.图5是本发明的燃料维持式的舱底导轨系统和载物台侧视图。
31.图6是本发明的燃料固定式的舱底导轨系统和载物台侧视图。
32.图7是本发明的实验舱壁水平剖面图。
33.图8、9是本发明的分别为舱壁导轨、竖直导轨、伸缩杆、传感器的俯视图和侧视图。
34.图10、11是本发明的实验舱顶的俯视图和剖面图。
35.图中：1—实验舱底，2—实验舱壁，3—实验舱顶，4—燃料供应口，5—供气口，6—舱底导轨系统，7—载物台，8—点燃器，9—电子天平，10—燃料盘，11—观察窗，12—舱壁导轨，13—竖直导轨，14—伸缩杆，15—传感器，16—舱顶本体，17—密封条一，18—密封条二，19—供气支管，20—供气干管，21—干管流量阀，22—支管流量阀，23—摄像机，24—燃料供
应管一，25—燃料供应管二，26—燃料供应装置，27—燃料供应天平，28—圆形导轨，29—平行导轨。
具体实施方式：
36.下面结合附图与具体实例对本发明进行详细说明。
37.如图所示，本发明一种受限空间池火燃烧研究实验平台，分为两种结构形式：燃料固定式和燃料维持式，设备部件包括：实验舱底1、实验舱壁2、实验舱顶3、燃料供应口4、供气口5、舱底导轨系统6、载物台7、点燃器8、电子天平9、燃料盘10、观察窗11、舱壁导轨12、竖直导轨13、伸缩杆14、传感器15、舱顶本体16、密封条一17、密封条二18、供气支管19、供气干管20、干管流量阀21、支管流量阀22、摄像机23、燃料供应管一24、燃料供应管二25、燃料供应装置26、燃料供应天平27、圆形导轨28、平行导轨29，所述实验舱底1、实验舱壁2、实验舱顶3共同组成圆柱形实验舱体，形成受限空间；所述实验舱底1为圆形，其中央设置有燃料供应口4，实验舱底1的其他部分均匀分布设置供气口5，所述实验舱底1上安装有舱底导轨系统6；所述舱底导轨系统6安装于实验舱底1，舱底导轨系统6上设置有载物台7；所述载物台7安装在舱底导轨系统6上，载物台7中央设有开口，载物台7边缘安装有点燃器8；所述实验舱壁2为圆柱形筒壁，实验舱壁2上设有观察窗11，且实验舱壁2内表面安装有舱壁导轨12；所述舱壁导轨12呈环状，安装于实验舱壁2内表面，舱壁导轨12上安装有竖直导轨13；所述竖直导轨13竖直安装于舱壁导轨12，竖直导轨13上安装有伸缩杆14；所述伸缩杆14一端安装于竖直导轨13，另一端安装有传感器15；所述实验舱顶3为圆形，由舱顶本体16、密封条一17、密封条二18构成；所述舱顶本体16为圆形，舱顶本体16上镶嵌有密封条一17和密封条二18，所述舱顶本体16在径向上留有长度等于半径的开口，且该开口可被密封条一17完全覆盖密封；所述密封条一17和密封条二18镶嵌于舱顶本体16上，密封条一17和密封条二18径向分布在实验舱顶17的同一条直径方向上；所述供气口5与供气支管19相连；所述供气支管19一端与供气口5相连，另一端与供气干管20相连；所述供气干管20上安装有干管流量阀21。
38.优选的，所述舱底导轨系统6包括圆形导轨28和平行导轨29；所述圆形导轨28安装在实验舱底1，圆形导轨28上安装有平行导轨29；所述平行导轨29安装于圆形导轨28上，平行导轨29可沿圆形导轨28旋转，所述平行导轨29上安装有载物台7，可通过平行导轨29移动载物台7。
39.优选的，所述燃料盘10分为底部有供应口和底部无供应口两类，且每类至少有两种不同的直径尺寸。
40.优选的，所述观察窗11采用石英玻璃制成，共设置4个观察窗11，均匀分布在实验舱壁2上，且其中一个观察窗11外设置有摄像机23；所述摄像机23设置在其中一个观察窗11外，拍摄池火燃烧过程，具体设置位置根据拍摄观察需要选择相应的观察窗11设置。
41.优选的，所述竖直导轨13的数量至少为1个；所述伸缩杆14和传感器15一一对应，且每个竖直导轨13上的伸缩杆14和传感器15数量至少为1个；所述传感器15包括但不限于热电偶、辐射流量计。
42.优选的，所述供气口5与供气支管19一一对应，其数量至少为2个，且每个供气支管19上都安装有支管流量阀22。
43.优选的，所述燃料固定式结构形式下，所述载物台7中央放置电子天平9；所述电子天平9放置在载物台7中央，电子天平9上放置燃料盘10；所述燃料盘10选用底部无供应口的，位于电子天平9上，燃料盘10内盛放液体燃料。
44.优选的，所述燃料维持式结构形式下，所述燃料盘10选用底部有供应口的，放置于载物台7中央，且燃料盘10底部的供应口与载物台7中央的开口对应，所述燃料盘10底部的供应口与燃料供应管一24相连；所述燃料供应管一24的一端穿过载物台7中央的开口与燃料盘10底部的供应口相连，燃料供应管一24的另一端与燃料供应口4相连；所述燃料供应口4两侧分别对接燃料供应管一24、燃料供应管二25；所述燃料供应管二25的一端与燃料供应口4相连，另一端与燃料供应装置26相连；所述燃料供应装置26持续向燃料盘10供应燃料维持燃料液面的稳定，燃料供应装置26与燃料供应管二25相连，且燃料供应装置26位于燃料供应天平27上方；所述燃料供应天平27位于燃料供应装置26下方，测量燃料供应装置26的质量变化，进而得到燃料盘10内燃料的消耗。
45.本发明一种受限空间池火燃烧研究实验平台使用方法，其分为燃料固定式和燃料维持式，燃料固定式使用方法的具体步骤如下：
46.(一)准备：选用底部无供应口的燃料盘10，按照燃料固定式结构形式连接安装各个部件，根据实验工况，利用舱底导轨系统6的圆形导轨28旋转调整平行导轨29的位置，再利用平行导轨29移动调整载物台7的位置，选择传感器15并安装，通过舱壁导轨12滑动调整竖直导轨13的位置，通过竖直导轨13滑动调整伸缩杆14的位置，再通过伸缩杆14的伸缩最终确定传感器15的位置，选择便于清楚观测的观察窗11设置摄像机23，关闭燃料供应口4，通过滑动密封条一17和密封条二18调整顶部开口的位置和大小；
47.(二)供气点火：根据实验工况，通过调整干管流量阀21和支管流量阀22控制实验舱体内的空气供应情况，供气五分钟流场稳定后，向燃料盘10中加入燃料，开启电子天平9、传感器15和摄像机23记录数据，通过点燃器8点燃燃料；
17.(三)数据采集和处理：燃料燃烧过程中，电子天平9、传感器15和摄像机23实时采集记录数据，数据采集完毕后，通过电脑将电子天平9、传感器15和摄像机23采集的数据导出，以进行下一步研究处理；
48.(四)实验结束：完成数据采集后，待燃烧熄灭，滑动密封条一17和密封条二18，将顶部开口调至最大，并调节干管流量阀21和支管流量阀22进行实验舱体内的通风降温，直至实验舱体内的温度降至外界环境温度，然后清理燃料盘10内未燃尽的燃料，最后清洁各个部件。
49.本发明一种受限空间池火燃烧研究实验平台使用方法，所述燃料维持式使用方法的具体步骤如下：
50.(一)准备：选用底部有供应口的燃料盘10，关闭燃料供应口4，按照燃料维持式结构形式连接安装各个部件，根据实验工况，利用舱底导轨系统6的圆形导轨28旋转调整平行导轨29的位置，再利用平行导轨29移动调整载物台7的位置，选择传感器15并安装，通过舱壁导轨12滑动调整竖直导轨13的位置，通过竖直导轨13滑动调整伸缩杆14的位置，再通过伸缩杆14的伸缩最终确定传感器15的位置，选择便于清楚观测的观察窗11设置摄像机23，通过滑动密封条一17和密封条二18调整顶部开口的位置和大小；
51.(二)供气点火：根据实验工况，通过调整干管流量阀21和支管流量阀22控制实验
舱体内的空气供应情况，供气五分钟流场稳定后，根据实验工况设置燃料盘10中的燃料高度并调整燃料供应装置26，打开燃料供应口4，燃料供应装置26通过燃料供应管二25、燃料供应口4、燃料供应管一24向燃料盘10中供应燃料，维持燃料盘10中燃料高度不变，开启传感器15、摄像机23和燃料供应天平27记录数据，通过点燃器8点燃燃料；
52.(三)数据采集和处理：燃料燃烧过程中，传感器15、摄像机23和燃料供应天平27实时采集记录数据，数据采集完毕后，通过电脑将传感器15、摄像机23和燃料供应天平27采集的数据导出，以进行下一步研究处理。
53.(四)实验结束：完成数据采集后，关闭燃料供应装置26和燃料供应口4，待燃烧熄灭，滑动密封条一17和密封条二18，将顶部开口调至最大，并调节干管流量阀21和支管流量阀22，进行实验舱体内的通风降温，直至实验仓体内的温度降至外界环境温度，然后清理燃料盘10内未燃尽的燃料，最后清洁各个部件。
54.需要说明的是，在本发明的实施例中术语“中央”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“底部”、“顶部”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，仅是为了便于描述实施例，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发明的限制。此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
55.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。