本實用新型屬于火災(zāi)安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)境風(fēng)作用下高層建筑立體火行為模擬實驗裝置，其為存在復(fù)雜環(huán)境風(fēng)作用下的高層建筑立體火行為與火焰特征參數(shù)的演變規(guī)律的實驗與研究設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著我國城市不斷發(fā)展，為緩解用地緊張，越來越多的高層建筑逐漸興起，高度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越多樣化，隨之而來的是突出的高層建筑火災(zāi)問題，并有愈演愈烈之勢。近年來發(fā)生很多大型建筑火災(zāi)事件，均形成了由腔室火災(zāi)到外壁面火蔓延再到上層建筑內(nèi)部被引燃的“立體火蔓延”行為，比傳統(tǒng)的外壁面火蔓延危害更大，造成了大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，引起社會廣泛而深刻的思考。

2010年上海靜安膠州路教師公寓住宅由于電焊工無證違規(guī)操作，致使周圍易燃物被焊渣引燃，造成腳手架突發(fā)大火。最終遇難人數(shù)58人，受傷70余人。2009年中央電視臺(CCTV)新址北配樓工地發(fā)生大火，火勢有80米到100米高，火災(zāi)共造成1人死亡和7人受傷。類似的案例還有012廣州荔灣區(qū)光復(fù)路光復(fù)大廈13樓一房子發(fā)生火災(zāi)，在受限空間發(fā)生火災(zāi)后，火焰通過窗戶向建筑外立面的窗戶溢出，對上層建筑造成了很大的破壞。

另外，火災(zāi)的發(fā)生往往伴隨著外界風(fēng)的作用，高層建筑隨豎直高度的增加風(fēng)速將不斷增大，在香港城區(qū)，海拔32m高度上風(fēng)速約為3-8m/s，最大風(fēng)速可超過40m/s。當(dāng)風(fēng)速范圍為5-20m/s時，風(fēng)速作用于建筑的風(fēng)壓將達(dá)到15-240Pa，而一般火焰產(chǎn)生的壓差僅為5Pa。毫無疑問，外部環(huán)境風(fēng)將會對火災(zāi)動力學(xué)、煙氣蔓延及溢出火焰的熱力學(xué)行為產(chǎn)生顯著的影響，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)展特征不同于傳統(tǒng)的無風(fēng)條件下的研究。

在強(qiáng)烈的外界環(huán)境風(fēng)作用下，會加劇溢出火焰“由外入內(nèi)”的過程，促進(jìn)高層建筑立體火蔓延行為的發(fā)展，從而引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)蔓延事故。同時，由于環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向復(fù)雜多變，極易產(chǎn)生側(cè)向風(fēng)將火焰吹向鄰層引起更為嚴(yán)重的蔓延。目前國內(nèi)對于高層建筑立體火蔓延(溢出火焰由外入內(nèi))行為研究較少，尤其是針對復(fù)雜環(huán)境風(fēng)作用下的立體火蔓延行為的研究幾乎處于空白，科研人員對此缺乏相關(guān)的認(rèn)識，工程人員及火災(zāi)現(xiàn)場撲救與應(yīng)急調(diào)度急需相應(yīng)的預(yù)測模型作為輔助決策支持。因此，研究高層建筑立體火蔓延行為，尤其在環(huán)境風(fēng)作用下其立體火蔓延行為具有非常重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了研究復(fù)雜環(huán)境風(fēng)對高層建筑火災(zāi)立體火蔓延行為及火焰特征參數(shù)的影響，本實用新型提供一套可以研究環(huán)境風(fēng)作用下高層建筑立體火蔓延行為的火災(zāi)模擬實驗裝置。

本實用新型采用的技術(shù)方案如下：

一種環(huán)境風(fēng)作用下高層建筑立體火行為模擬實驗裝置，包括高層建筑模型、火源模擬裝置、旋轉(zhuǎn)平臺、三維可移動式熱電偶架和方向可調(diào)式風(fēng)洞，其中：

所述高層建筑模型為立方體殼狀，外層為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌陶瓷纖維板作為隔熱材料，高層建筑模型共設(shè)有四個腔室，左下腔室為點(diǎn)火實驗腔室，其余三腔室為火蔓延實驗腔室，所有腔室均設(shè)有開口模擬建筑窗口，點(diǎn)火實驗腔室開口為雙層結(jié)構(gòu)，外層為上下移動式防火卷簾，內(nèi)層為左右推拉式防火板；火蔓延實驗腔室開口設(shè)有凹槽并裝有普通建筑用玻璃；高層建筑模型側(cè)面設(shè)有高溫玻璃觀察窗，點(diǎn)火實驗腔室背面設(shè)有溫度測量孔、火蔓延實驗腔室背面設(shè)有熱流測量孔；

所述火源模擬裝置為三層結(jié)構(gòu)，上部立方式框架為雙層錯位孔擴(kuò)散層，下部錐形框架內(nèi)填充細(xì)沙石和金屬絲網(wǎng)，火源模擬裝置設(shè)置在下層燃燒腔室底面中心位置，用專用氣管連接到燃?xì)怃撈?，并設(shè)有流量及氣壓控制裝置；

所述旋轉(zhuǎn)平臺為圓盤狀，立設(shè)于圓形地面軌道上，其上方聯(lián)接高層建筑模型，圓形地面軌道為齒條狀，旋轉(zhuǎn)平臺底部設(shè)有與之嚙合的齒輪，齒輪由傳動軸驅(qū)動可實現(xiàn)繞平臺中心的任意角度轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)平臺上設(shè)有角度刻度盤用以精確調(diào)節(jié)與風(fēng)向夾角；

所述三維可移動式熱電偶架為組合式長方形框架，其中間橫桿為外圓內(nèi)方型鋼管，兩端聯(lián)接螺絲緊固件固定在兩側(cè)立柱上，螺絲緊固件在立柱上的豎向位置可任意調(diào)節(jié)，中間橫桿上設(shè)有可橫向移動的陶瓷管支架，陶瓷管支架為可伸縮裝置，長度范圍為0.6-1.5m，熱電偶可布置在開口外任意位置且數(shù)量可調(diào)，兩側(cè)立柱與中間橫桿均設(shè)有刻度尺用以精確調(diào)節(jié)熱電偶位置；

所述方向可調(diào)式風(fēng)洞為長方體通道，其截面為正方形，包括動力段、整流段、收縮段及實驗段，動力由30kW離心式變速風(fēng)機(jī)提供，并通過變頻器調(diào)整頻率控制風(fēng)速，實驗段設(shè)有風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置及測速系統(tǒng)，風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置由一系列可統(tǒng)一上下轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)板構(gòu)成。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本實用新型首次建立了一套研究復(fù)雜環(huán)境風(fēng)對高層建筑立體火蔓延行為及火焰特征參數(shù)模擬實驗裝置，風(fēng)向、風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全便捷、數(shù)值精確，實驗裝置包括室內(nèi)外溫度、熱流計等特征參數(shù)測量系統(tǒng)、室內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)象觀察系統(tǒng)。本實用新型的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)高層建筑立體火蔓延模擬方面，高層建筑模型點(diǎn)火實驗腔室開口為雙層結(jié)構(gòu)，寬高尺寸調(diào)節(jié)方便，可研究開口尺度對立體火蔓延的影響機(jī)制，高層建筑模型側(cè)面安裝有高溫玻璃，可方便觀察下層點(diǎn)火實驗層火災(zāi)增長、火焰溢出及上層火蔓延實驗層的引燃、著火等高層建筑立體火蔓延完整過程；

(2)在環(huán)境風(fēng)模擬方面，采用30kW離心式變速發(fā)動機(jī)可提供穩(wěn)定連續(xù)的環(huán)境風(fēng)，其風(fēng)速波動小于2％，實驗段設(shè)有風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置，配合旋轉(zhuǎn)平臺，可以模擬實際情況下任意方向、風(fēng)速(0-15m/s)的復(fù)雜環(huán)境風(fēng)，能夠真實地模擬復(fù)雜環(huán)境風(fēng)作用下建筑火災(zāi)(室內(nèi)火災(zāi)、外壁面蔓延、上層或鄰層起火)發(fā)展的完整過程，可用于分析研究環(huán)境風(fēng)對高層建筑立體火行為的影響機(jī)制；

(3)在火源模擬方面，由雙層錯位多孔擴(kuò)散層連接錐形漸縮管構(gòu)成，錐形漸縮管內(nèi)部填充金屬絲網(wǎng)和細(xì)沙石，可充分地降低氣體流速并能很好地使氣體均勻分布在燃燒器平面上，從而實現(xiàn)了真實地模擬建筑內(nèi)部起火的現(xiàn)象，其下部由氣管連接到燃?xì)馄?，氣管上連接有壓力表及流量控制裝置，滿足方便調(diào)節(jié)與安全實驗的需求；

(4)在火焰特征參數(shù)測量方面，三維可移動式熱電偶架使得熱電偶在三個方向上任意移動且其數(shù)量可任意設(shè)置，可以測量溢出火焰在豎向、徑向及開口兩側(cè)方向的三維溫度場，高層建筑模型設(shè)有多功能測量孔洞，可測量室內(nèi)溫度、壓力分布；高層建筑模型上層開口面設(shè)有壁面輻射與熱流測量裝置，測量裝置位置可任意布置，便于研究溢出火焰對上層建筑立體火蔓延的影響機(jī)制。

附圖說明

圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為高層建筑模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為模擬建筑開口結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖4(a)為整體示意圖，圖4(b)為局部放大圖；

圖5為火源模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖5(a)為立體模型圖，圖5(b)為分層示意圖；

圖6為三維可移動式熱電偶架結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖6(a)為整體示意圖，圖6(b)為局部放大圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為高層建筑模型，2為旋轉(zhuǎn)平臺，3為三維可移動式熱電偶架，4為方向可調(diào)式風(fēng)洞，5為離心式風(fēng)機(jī)，7為風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置，8為點(diǎn)火實驗腔室，9為火蔓延實驗腔室，10為玻璃窗，11為防火卷簾，12為防火板，13為凹槽，14為建筑玻璃，15為火源模擬裝置，16為溫度與壓力測量孔洞，17為熱流測量裝置，18為圓形地面軌道，19為齒輪，20為傳動軸，21為角度刻度盤，22為雙層錯位孔擴(kuò)散層，23為錐形漸擴(kuò)管，24為金屬絲網(wǎng)，25為細(xì)沙石，26為外圓內(nèi)方橫桿，27為立柱，28為刻度尺，29為螺絲緊固件，30為陶瓷管支架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型作進(jìn)一步地說明。

參見圖1，高層建筑立體火蔓延模擬實驗裝置包括高層建筑模型1、旋轉(zhuǎn)平臺2、三維可移動式熱電偶架3、方向可調(diào)式風(fēng)洞4。方向可調(diào)式風(fēng)洞4包括動力段、整流段、伸縮段及實驗段，動力段設(shè)有30kW離心式風(fēng)機(jī)5，風(fēng)機(jī)可通過調(diào)節(jié)頻率控制動力輸出，整流段設(shè)有多層整流網(wǎng)6，實驗段設(shè)有可統(tǒng)一調(diào)節(jié)方向的風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置7。

參見圖2，高層建筑模型1為雙層立方式框架狀，外殼由鋼表面連接而成，內(nèi)嵌陶瓷纖維板為隔熱材料，分為點(diǎn)火實驗腔室8與火蔓延實驗腔室9，上下兩層均在兩側(cè)面設(shè)有高溫玻璃窗10。點(diǎn)火實驗腔室模擬建筑開口為雙層結(jié)構(gòu)，外層設(shè)有上下雙向移動式防火卷簾11，內(nèi)層設(shè)有左右雙向可推拉式防火板12，可通過調(diào)整間距控制開口寬高尺寸，開口寬高尺寸調(diào)節(jié)范圍為0-0.25m。火蔓延實驗腔室開口處設(shè)有凹槽13，可安裝普通建筑玻璃14。

參見圖3，點(diǎn)火實驗腔室底部中心位置設(shè)有火源模擬裝置15，背面設(shè)有溫度與壓力測量孔洞16，火蔓延實驗腔室背面設(shè)有熱流測量裝置17。

參見圖4，旋轉(zhuǎn)平臺立設(shè)于圓形地面軌道18之上，其底部設(shè)有齒輪19嚙合，齒輪由傳動軸20驅(qū)動可實現(xiàn)在圓形地面軌道上轉(zhuǎn)動，角度調(diào)節(jié)范圍為0-180°，旋轉(zhuǎn)平臺上設(shè)有角度刻度盤21。

參見圖5，火源模擬裝置為氣體燃燒器，共設(shè)有三層擴(kuò)散穩(wěn)流層，上部立方體框架為雙層錯位孔擴(kuò)散層22，下部為錐形漸擴(kuò)管23，其內(nèi)部填充金屬絲網(wǎng)24和細(xì)沙石25，可降低氣流速度，并使氣體燃料均勻分布在燃燒器表面。

參見圖6，三維可移動式熱電偶架由若干外圓內(nèi)方橫桿26與兩側(cè)立柱27構(gòu)成，立柱和橫桿上均設(shè)有刻度尺28，橫桿由螺絲緊固件29固定在兩側(cè)立柱，橫桿上設(shè)有可移動、可伸縮的陶瓷管支架30。

實驗1，當(dāng)用作研究復(fù)雜環(huán)境風(fēng)對高層建筑立體火蔓延及火焰特征參數(shù)的影響機(jī)制時，首先，將室內(nèi)外溫度測量系統(tǒng)布置好，并確保三維可移動式熱電偶架和室內(nèi)多功能測量孔運(yùn)轉(zhuǎn)正常。將火源模擬裝置通過氣管和壓力及流量控制裝置連接氣瓶作為實驗用火源。通過調(diào)節(jié)點(diǎn)火實驗腔室內(nèi)外層開口間距確定開口寬度、高度。在火蔓延實驗腔室放置木跺作為可燃物。開啟風(fēng)機(jī)，逐步調(diào)節(jié)至實驗頻率，且通過風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置確定風(fēng)向。實驗準(zhǔn)備就緒，將引燃紙點(diǎn)燃通過開口放入燃燒室內(nèi)，迅速開啟氣瓶、流量計控制閥進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火的同時開始采集相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)流量控制火源功率，可以觀察到室內(nèi)火災(zāi)增長及最終立體火蔓延的現(xiàn)象，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率、風(fēng)向控制裝置配合旋轉(zhuǎn)平臺即可研究不同風(fēng)向、風(fēng)速的環(huán)境風(fēng)作用下高層建筑火災(zāi)立體火蔓延現(xiàn)象。不同工況下(開口尺寸、環(huán)境風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速)的實驗需要等待建筑模型冷卻之后，重復(fù)準(zhǔn)備步驟即可。

實驗2，當(dāng)用作研究環(huán)境風(fēng)對建筑外墻玻璃破裂影響機(jī)制時，首先在火蔓延實驗腔室模擬開口凹槽處安裝普通建筑用玻璃，同時將輻射與熱流裝置布置在三維可移動式熱電偶架上，用以測量壁面輻射與熱流數(shù)據(jù)。安裝完畢按實驗1中所述方法調(diào)節(jié)點(diǎn)火實驗層開口尺寸、氣體流量、環(huán)境風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速，實驗布置就緒即可點(diǎn)火實驗，同時開始采集相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。不同工況下(開口尺寸、環(huán)境風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速)的實驗需要等待建筑模型冷卻之后，重復(fù)準(zhǔn)備步驟即可。