应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统

摘要

本发明公开了一种应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统。该单元包括壳体，以及设置于壳体内顺次排布的变速风机、电动风阀、整流格栅及送风风道；所述变速风机至少与三个电动风阀对应，所述整流格栅及送风风道均与电动风阀数量相同且一一对应，且每个送风风道的末端均设有球形喷口。该系统包括多个环境风场模拟单元，用于支撑和移动各单元的支架及万向轮，以及用于控制系统送风速度和风向的控制系统。本发明通过合理的结构设计，既可同时缩尺模拟整个建筑外墙不同高度处的环境风场，也可全尺模拟某着火层外部的环境风场，从而为准确进行高层及超高层建筑防火性能试验提供基础和保障。

权利要求

1.应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统，其特征在于，包括至少两个环境风场模拟单元，所有的环境风场模拟单元按照平铺或上下叠加的方式进行组合，所述环境风场模拟单元包括壳体，以及设置于壳体内顺次排布的变速风机(1)、电动风阀(2)、整流格栅(3)及送风风道(4)；所述变速风机(1)至少与三个电动风阀(2)对应，所述的整流格栅(3)和送风风道(4)均与电动风阀(2)数量相同且一一对应，且每个送风风道(4)的末端均设有球形喷口(5)；同时该环境风场模拟系统还包括用于支撑和移动各个环境风场模拟单元的支架(6)和万向轮(7)，以及用于控制系统送风速度和风向的控制系统；所述控制系统包括风速采集仪(8)、控制柜(9)及计算机(10)；所述控制柜(9)同时与环境风场模拟单元中的变速风机(1)、电动风阀(2)和球形喷口(5)连接；所述风速采集仪(8)位于球形喷口(5)前端，用于将采集到的风速值反馈给计算机(10)，所述计算机(10)与控制柜(9)连接，用于通过控制柜(9)控制变速风机(1)的转速、电动风阀(2)的开度及球形喷口(5)的送风角度，使每个送风通道的送风速度和风向稳定在预设值。

2.根据权利要求1所述的应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统，其特征在于，所述电动风阀(2)为单轴矩形风阀，阀体可在0°～90°范围内自由转动。

3.根据权利要求1或2所述的应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统，其特征在于，每个送风风道(4)末端的球形喷口(5)的数量不少于三个，且呈均匀分布，每个喷口可输出0～20m/s风速，送风角度可在正负30°范围内通过人工或执行机构调整。

4.根据权利要求3所述的应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统，其特征在于，所述支架(6)底部设有升降机构。

说明书

应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统

技术领域

[0001] 本发明涉及消防工程技术领域，具体涉及的是一种应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统。

背景技术

[0002] 随着社会经济的发展和城镇化进程的加剧，城市土地资源承载力受到了前所未有的挑战，土地资源的集约利用及建筑空间的高效整合成为必然的发展趋势，许多高层及超高层建筑应运而生。但伴随着巨大的建筑体量、密集的人员分布和较高的火灾荷载，一旦发生火灾其危害性也绝非普通单、多层建筑可比，极易造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，对高层及超高层建筑开展火灾试验研究对火灾蔓延机理的掌握、防火灭火策略的制定以及人员疏散的决策均具有极其重要的指导作用。

[0003] 近些年诸多火灾案例表明，建筑外墙已成为高层及超高层建筑火灾迅速蔓延的重要途径，研究不同外墙形式下的开口火溢流行为特征对保障高层及超高层建筑消防安全具有非常重要的现实意义。由于作用于高层和超高层建筑外墙的环境风场的风速大小随建筑高度的增加依幂指规律呈逐步增大的趋势，较高楼层处室外环境风场的风速可达十几米每秒甚至几十米每秒，火灾工况时开口火溢流行为势必受到环境风场的强烈影响。因此，在开展高层及超高层建筑火灾试验研究时若不考虑室外环境风场的影响将无法较为真实地反映出建筑外墙实际的火灾场景，因而研发一款应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟装置就显得尤为迫切和重要。

[0004] 既有的各环境风场模拟装置大多应用于火灾科学以外的领域。如申请号为201110273861.3的专利公开了一种室内海面风场模拟试验装置，申请号为201510683151.6的专利公开了一种导线舞动试验用的风场模拟装置，申请号为200910196463.9的专利公开了一种模拟舒适性自然风的空调装置。

[0005] 而对于既有为数不多的应用于火灾试验的环境风场模拟装置，其在高层及超高层建筑外墙防火性能试验方面的应用仍存在很大的局限性。如申请号为201510906813.1的专利公开了一种环境风作用下宽阔水面油池火燃烧模拟装置，但仅能用于缩尺火灾试验。其中用于环境风场模拟的装置虽可实现送风风速的变频调节，但送风角度不能改变，也无法同时于不同高度处输出不同大小的风速。又如申请号为201420057338.6的专利公开了一种外界风作用下高层建筑楼梯井或竖井火灾实验模拟装置，也仅能用于缩尺火灾试验。其中用于环境风场模拟的装置虽采用了移动风幕系统，可实现对任意楼层室外环境风场的模拟，但无法实现整个建筑外墙环境风场的同时再现，此外送风角度无法改变，仅能垂直于建筑外墙，送风速度的区间也仅为0～8m/s，很难反映超高层建筑较高楼层处的室外环境风场。同时，上述两专利中环境风场模拟装置送风面的几何形状均较为单一，无法产生具有多种分布规律的环境风场，且无法较好地应用于复杂几何形状的建筑外墙。

[0006] 因此，有必要设计一种能够专门为高层及超高层建筑外墙全尺及缩尺防火性能试验提供环境风场模拟的系统。

发明内容

[0007] 针对上述技术不足，本发明提供了一种应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟单元及系统，其可为高层及超高建筑防火性能试验提供外部风场条件。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟单元，包括壳体，以及设置于壳体内顺次排布的变速风机、电动风阀、整流格栅及送风风道；所述变速风机至少与三个电动风阀对应，所述的整流格栅和送风风道均与电动风阀数量相同且一一对应，且每个送风风道的末端均设有球形喷口。

[0010] 进一步地，所述电动风阀为单轴矩形风阀，阀体可在0°～90°范围内自由转动。

[0011] 进一步地，每个送风风道末端的球形喷口的数量不少于三个，且呈均匀分布，每个喷口可输出0～20m/s风速，送风角度可在正负30°范围内通过人工或执行机构调整。

[0012] 应用于建筑外墙防火性能试验的环境风场模拟系统，包括至少两个如上所述的环境风场模拟单元，所有的环境风场模拟单元按照平铺或上下叠加的方式进行组合，以提供送风断面为矩形、三角形或梯形等几何形状的环境风场；同时该环境风场模拟系统还包括用于支撑和移动各个环境风场模拟单元的支架和万向轮，以及用于控制系统送风速度和风向的控制系统。

[0013] 进一步地，为方便升降本发明，所述支架底部还设有升降机构。

[0014] 具体地说，所述控制系统包括风速采集仪、控制柜及计算机；所述控制柜同时与环境风场模拟单元中的变速风机、电动风阀和球形喷口连接；所述风速采集仪位于球形喷口前端，用于将采集到的风速值反馈给计算机，所述计算机与控制柜连接，用于通过控制柜控制变速风机的转速、电动风阀的开度及球形喷口的送风角度，使每个送风通道的送风速度和风向稳定在预设值。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0016] (1)本发明应用广泛，既可同时缩尺模拟整个建筑外墙不同高度处的环境风场，也可全尺模拟某着火层的室外环境风场，可同时应用于高层及超高层建筑的缩尺及全尺火灾试验。

[0017] (2)本发明的环境风场模拟系统可通过支架将多个模拟单元快速组合及拼接，便于模块化及标准化生产。同时可根据需要将送风断面组合为矩形、三角形或梯形等几何形状，可应用于各种复杂几何形状的建筑外墙开口形式。

[0018] (3)本发明在垂直方向上设置了多个送风风道，可根据某地环境风场随高度的变化规律通过控制系统同时模拟多个高度处不同风速风向的环境风场，更加真实地反映出高层及超高层建筑外墙环境风场的分布特性。

[0019] (4)本发明的送风末端采用球形喷口的形式，具有送风距离远及速度衰减慢的优良特性，进行火灾试验时可在保证环境风场模拟系统与缩尺或全尺起火建筑之间安全距离的前提下，为高层及超高层建筑外墙提供符合速度要求的环境风场。

附图说明

[0020] 图1为本发明环境风场模拟系统的结构示意图。

[0021] 图2为本发明环境风场模拟单元的内部结构三视图及整流格栅左视剖视图。

[0022] 图3为本发明中球形喷口的结构示意图。

[0023] 图4为与本发明配合进行建筑外墙防火性能试验的试验装置的主视图。

[0024] 图5为试验装置的俯视剖视图。

[0025] 图6为试验装置中部分零部件的结构示意图。

[0026] 图7为试验装置中网架的结构示意图。

[0027] 其中，附图标记对应的零部件名称为：

[0028] 1-变速风机，2-电动风阀，3-整流格栅，4-送风风道，5-球形喷口，6-支架，7-万向轮，8-风速采集仪，9-控制柜，10-计算机，11-模拟主墙，12-模拟翼墙，13-燃烧室，14-网架，15-热电偶传感器孔位，16-窗口，17-竖直导轨，18-上移动板，19-下移动板，20-左移动板，
21-右移动板，22-导轨。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

[0030] 如图1～3所示，本发明提供了一种可以为高层及超高层建筑外墙防火性能试验提供外部环境风场条件的送风单元及系统。其单元包括壳体，以及设置于壳体内的变速风机1、可任意调节开度的电动风阀2、促进送风均匀性的整流格栅3、送风风道4，设置于送风风道末端的球形喷口5(球形喷口的数量及分布方式可任意调整，本实施例中，球形喷口数量至少为九个，且呈均匀分布)。其系统包括多个单元(可按平铺或上下叠加等方式进行任意组合，图1所示为上下叠加方式)，用于支撑和移动各单元的支架6及万向轮7，以及包含风速采集仪8、控制柜9及计算机10在内的用于控制系统送风速度和风向的控制系统。同时，当进行全尺火灾实验时，为使本发明能够更好地匹配不同高度的建筑外墙开口形式，所述支架6底部还设有升降机构，可根据实际需要调节整个系统的升降。

[0031] 本发明使用时，启动变速风机1，位于球形喷口5前端的风速采集仪8将采集到的风速值反馈给计算机10，计算机10通过控制柜9控制变速风机1的转速、电动风阀2的开度以及球形喷口5的送风角度，使每个送风通道的送风速度和风向稳定在预设值。当本发明用于全尺火灾实验以模拟某着火层的实际室外环境风场时，由于风速在垂直方向变化较小，可将所有电动风阀2设置为全开，所有变速风机的送风量设置为同一所需风量，以提供风速均匀的送风面。当本发明用于缩尺火灾实验以模拟整个建筑外墙的环境风场时，可通过调节各送风通道内电动风阀的开度将不同高度处的各送风速度设置为所需大小。

[0032] 本发明通过合理的结构设计，利用变速风机、电动风阀以及球形喷口之间的配合，能够很好地实现建筑外部环境风场的模拟，使高层及超高层建筑外墙防火性能试验更加真实可靠，所获取的试验数据可为防火灭火策略的制定及人员疏散的决策提供重要参考。

[0033] 下面列举一种防火性能试验装置，以便阐述其与环境风场模拟装置配合实现建筑外墙构造形式的防火性能测试。本实施例所列举的试验装置，能很好地模拟出高层及超高层建筑外墙等结构形式对溢流火焰行为的影响。而关于这方面的现有技术，均无法满足建筑外墙形式防火性能试验装置的需求。

[0034] 如图4～7所示，本实施例所述的试验装置包括模拟主墙11、模拟翼墙12、燃烧室13、网架14、调节机构。所述模拟主墙11下部开设有窗口16，所述燃烧室13设置在该模拟主墙11旁，并且其上设有与窗口16连通的开口。燃烧室13用于模拟燃烧，从而产生火焰，并经由窗口16溢流到模拟主墙11上。具体地说，所述燃烧室13内设有燃烧器组件，该燃烧器组件包括设置在燃烧室13内的支架，放置在该支架上的电子天平，放置在该电子天平上的支架底盘，以及设置在支架底盘上的燃烧器；电子天平通过支架可以测得支架底盘上燃烧器的质量变化。所述的调节机构则用于改变燃烧室上的开口的尺寸大小，以便实现对建筑溢流火焰影响的模拟研究，具体地说，该调节机构包括设置在燃烧室13内、且位于开口两边的竖直导轨17，同时与两个竖直导轨滑动连接的上移动板18，同时与两个竖直导轨滑动连接的下移动板19，同时与上移动板18和下移动板19滑动连接的左移动板20，以及同时与上移动板18和下移动板19滑动连接的右移动板21。通过调整上下移动板或左右移动板的间距，即可实现开口大小的改变。

[0035] 所述的模拟翼墙12有两个，分设于模拟主墙11两侧，并且水平对应。本实施例中，两个模拟翼墙同时与一导轨22滑动，如此可以实现两个模拟翼墙的左右移动，从而改变两个模拟翼墙的间距，实现翼墙间距变化的溢流火焰行为的研究。同时，模拟翼墙可以为防火玻璃，从而可以对火焰的形态进行直接观测。

[0036] 所述的网架14设置在模拟主墙和两个模拟翼墙所形成的空间内，其上设置有热流传感器，并且靠近模拟主墙7的一侧还均匀布有热电偶传感器孔位15(直径为3mm)，用于安装热电偶。

[0037] 在进行建筑外墙防火性能试验时，将本发明安置于两个模拟翼墙旁，且送风面对准模拟主墙和两个模拟翼墙所形成的空间，然后分别调节燃烧室上的开口大小，并启动变速风机1，通过控制变速风机1的转速、电动风阀2的开度以及球形喷口5的送风角度，使每个送风通道的送风速度和风向稳定在预设值。然后在燃烧室内模拟燃烧，产生火焰，并通过本发明使模拟主墙和两个模拟翼墙所形成的空间内产生外部环境风场。在结合环境风场的前提下，所述的试验装置可以更真实地模拟出高层及超高层建筑某个外墙溢流火焰的行为，然后由热流传感器和热电偶分别实时测量模拟主墙上的热流密度及温度，进而获得真实、准确的数据。

[0038] 本实施例所述的试验装置，其利用燃烧室上的开口及模拟主墙上的窗口设计，可实现室内溢流火的火灾场景及不同建筑外墙形势下的防火性能研究。通过窗口左右、上下可移动板的设计，并配合本发明对建筑外墙环境风场的设计(同时在不同高度处模拟出不同的风速值)，实现了不同高层及超高层建筑窗口对溢流火焰行为影响的研究。而通过两个模拟翼墙的活动安装，并调整两个模拟翼墙的间距位置，可以实现模拟翼墙对建筑外墙火焰行为影响的研究。可以说，在配合本发明后，所述的试验装置很好地促进了高层及超高层建筑外墙翼墙间距变化对溢流火焰行为影响及对窗口面积变化对溢流火焰影响的研究，为高层及超高层建筑消防安全设计提供了参考。

[0039] 上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。