本發(fā)明屬于空氣流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種車廂窗口處氣流狀態(tài)示蹤裝置及實(shí)驗(yàn)方法，主要用于如內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)下的窗口處氣流動(dòng)狀態(tài)測(cè)定和機(jī)車內(nèi)部的氣流狀態(tài)測(cè)定等。

背景技術(shù)：

消防科學(xué)研究中常常需要測(cè)量車廂窗口處的氣流狀態(tài)，如內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)下的窗口處氣流動(dòng)狀態(tài)測(cè)定，機(jī)車內(nèi)部的氣流狀態(tài)測(cè)定等?？諝庾鳛榛馂?zāi)發(fā)生的三要素之一，對(duì)于火災(zāi)發(fā)生發(fā)展、火災(zāi)狀態(tài)、火災(zāi)撲救時(shí)機(jī)的選擇都有很大的影響，是消防研究中必須分析和測(cè)試的重點(diǎn)。目前車廂內(nèi)火災(zāi)研究中的空氣量測(cè)定大多依靠在窗口處指定位置布置風(fēng)速儀的方法，以點(diǎn)流場(chǎng)代替整個(gè)面的流場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)氣量的估算，存在著較大的計(jì)算誤差，一是測(cè)試過(guò)程中，無(wú)法判定窗口處及車廂內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，因此往往忽略空氣擾動(dòng)產(chǎn)生的局部回流影響因素。二是由于運(yùn)動(dòng)車體復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)的方向?qū)崟r(shí)變化，這些復(fù)雜的氣流狀態(tài)依靠現(xiàn)有的風(fēng)速儀難以測(cè)定和測(cè)準(zhǔn)。三是，風(fēng)速儀設(shè)置后只能測(cè)定指定方向的風(fēng)速，而實(shí)際在窗口處流動(dòng)的空氣往往和窗口有一定的角度，風(fēng)速儀的測(cè)試結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確描述實(shí)際氣流狀態(tài)。此外，空氣在車廂內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)也無(wú)法得知，更無(wú)法判斷火災(zāi)時(shí)風(fēng)場(chǎng)對(duì)于火災(zāi)蔓延的影響。因此構(gòu)建車廂窗口處氣流狀態(tài)示蹤裝置對(duì)于此類問(wèn)題的研究顯得尤為重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，旨在為消防研究過(guò)程中提供一種測(cè)試車廂窗口處氣流狀態(tài)的示蹤裝置并針對(duì)該裝置提出測(cè)試方法，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究手段的不足和空白。

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示窗口處氣流跡線，直觀的判斷氣流方向，與攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、風(fēng)速儀等設(shè)備結(jié)合使用還可以分析氣流流速，進(jìn)一步可計(jì)算車廂窗口處空氣流通量，此參數(shù)可以作為消防研究過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)或模擬邊界條件。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，所采用的技術(shù)方案是：一種車廂窗口處氣流狀態(tài)示蹤裝置，包括煙氣發(fā)生器、儲(chǔ)煙罐、風(fēng)機(jī)、流量調(diào)節(jié)閥、電源，其特征在于：還包括干管、支管、緩沖管、釋放管，所述緩沖管、釋放管和流量調(diào)節(jié)閥構(gòu)成煙氣釋放組管，在兩端封堵的緩沖管的兩側(cè)，間隔對(duì)稱的連接數(shù)對(duì)釋放管，每根釋放管的外側(cè)為封堵?tīng)顟B(tài)，在數(shù)對(duì)釋放管上分別間隔豎直向下的設(shè)有數(shù)個(gè)煙氣釋放孔，在緩沖管中間一側(cè)的緩沖管上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，流量調(diào)節(jié)閥的輸出口與緩沖管和數(shù)對(duì)釋放管相通；

所述儲(chǔ)煙罐分別與煙氣發(fā)生器和風(fēng)機(jī)連接，風(fēng)機(jī)依次通過(guò)干管和支管分別與至少一組釋放組管流量調(diào)節(jié)閥的輸入端連接，電源為煙氣發(fā)生器和風(fēng)機(jī)提供電源；所述干管、支管、緩沖管、釋放管和儲(chǔ)煙罐均為透明材質(zhì)。

一種車廂窗口處氣流狀態(tài)示蹤裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：

步驟一，設(shè)計(jì)計(jì)算；

第一、確定釋放煙氣量，煙氣量的確定應(yīng)根據(jù)車廂的體積和機(jī)械排風(fēng)和自然排風(fēng)狀態(tài)及車廂窗口的大小和形式確定；

第二、根據(jù)車廂窗口的大小和形式確定煙氣釋放組管布局，煙氣釋放組管的管路設(shè)計(jì)需滿足釋放煙氣能夠覆蓋整個(gè)窗口，設(shè)計(jì)原則為垂直于緩沖管上的數(shù)對(duì)釋放管的間距不大于350mm，數(shù)對(duì)釋放管水平方向應(yīng)布滿整個(gè)窗口，釋放管上的數(shù)個(gè)煙氣釋放孔的孔徑為40mm，方向豎直向下，數(shù)個(gè)煙氣釋放孔的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)流速不大于2.5m/s和煙氣量確定，均勻分布；

第三、緩沖管的設(shè)計(jì)是防止煙氣在較長(zhǎng)管道中運(yùn)行，累計(jì)沿程阻力過(guò)大而使釋放管上各個(gè)煙氣釋放孔的出流偏差過(guò)大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)在緩沖管內(nèi)盡量降低動(dòng)壓提高靜壓，緩沖管截面尺寸應(yīng)根據(jù)煙氣量和設(shè)計(jì)速度不大于1.5m/s計(jì)算；

第四、干管和支管的管徑的選取按照煙氣量和設(shè)計(jì)速度不大于2.5m/s，支管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥；

第五、儲(chǔ)煙罐作為壓力平衡和煙氣儲(chǔ)存用容器，頂端開(kāi)口，體積采取10s的煙氣量；

第六、風(fēng)機(jī)3采用直流無(wú)刷變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)量需滿足煙氣量的1.5倍，壓力滿足壓力損失計(jì)算；

第七、煙氣發(fā)生器采用數(shù)碼煙霧機(jī)，煙霧密度和空氣接近，可長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中且沒(méi)有毒害，綜合成本較低，煙氣量及產(chǎn)生煙氣速度最小應(yīng)大于2倍的煙氣量，并可連續(xù)發(fā)生煙霧；

步驟二，系統(tǒng)連接調(diào)試；該裝置配合風(fēng)速儀、攝像機(jī)和與計(jì)算機(jī)連接的數(shù)據(jù)采集器，可直觀的顯示流場(chǎng)狀態(tài)，數(shù)個(gè)風(fēng)速儀采用三杯式風(fēng)速儀，與示蹤裝置的釋放管平行布置，數(shù)個(gè)風(fēng)速儀與釋放孔的位置和數(shù)量對(duì)應(yīng)，也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求適當(dāng)增減，風(fēng)速儀通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器連接；數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制時(shí)間和風(fēng)速曲線，實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)顯示風(fēng)速的效果；攝像機(jī)至少布置兩臺(tái)，拍攝窗口平行面一臺(tái)，拍攝窗口垂直面一臺(tái)，攝像機(jī)可以直觀拍攝出煙氣流動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像分析可以得到流動(dòng)跡線，結(jié)合風(fēng)速儀測(cè)得的速度數(shù)據(jù)結(jié)果獲取整個(gè)空間的流場(chǎng)狀態(tài)；

步驟三，進(jìn)行試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括煙氣生成及導(dǎo)入、煙氣流量調(diào)節(jié)、流場(chǎng)示蹤及數(shù)據(jù)收集，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，流量調(diào)節(jié)閥保持全開(kāi)啟狀態(tài)；需先開(kāi)啟風(fēng)機(jī)使空氣在管道內(nèi)循環(huán)，同時(shí)預(yù)熱煙氣發(fā)生器，待煙氣發(fā)生器預(yù)熱完成后開(kāi)啟，煙氣依次由干管、支管、流量調(diào)節(jié)閥、緩沖管、釋放管和釋放孔釋放到車廂窗口處，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，使得釋放管路釋放孔中的煙氣噴射距離不大于釋放管的間距，之后調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)精調(diào)，使煙氣在車廂內(nèi)跡線清晰可見(jiàn)又不至過(guò)快充滿整個(gè)空間；煙氣量通過(guò)煙氣發(fā)生器的控制或啟動(dòng)關(guān)斷的方法調(diào)節(jié)，以煙氣時(shí)刻充滿儲(chǔ)煙罐作為控制標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄視頻；

風(fēng)速儀采集風(fēng)速數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以電壓信號(hào)的形式傳輸給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器連續(xù)記錄數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)端的軟件將電壓信號(hào)計(jì)算還原為風(fēng)速數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制風(fēng)速和時(shí)間曲線，攝像機(jī)拍攝煙氣示蹤裝置所釋放出的煙氣，并將圖像存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，攝像機(jī)記錄的時(shí)間應(yīng)與計(jì)算機(jī)時(shí)間保持一致；

步驟四，實(shí)驗(yàn)結(jié)束及整理；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉煙氣發(fā)生器，待煙氣耗盡后依次關(guān)閉風(fēng)機(jī)和流量調(diào)節(jié)閥；

攝像機(jī)的錄像存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)，通過(guò)視頻編輯軟件導(dǎo)入時(shí)間坐標(biāo)，可以直觀顯示車廂窗口處空氣的實(shí)時(shí)流動(dòng)狀態(tài)，判斷車廂窗口處的風(fēng)向；風(fēng)速儀采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器記錄并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后通過(guò)數(shù)據(jù)采集器的軟件繪制入口處時(shí)間和速度曲線，可以據(jù)此計(jì)算得到車廂通過(guò)窗口處的換氣量，從而為后續(xù)發(fā)生火災(zāi)空間的風(fēng)場(chǎng)模擬及火災(zāi)耗氧量計(jì)算提供數(shù)據(jù)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.根據(jù)示蹤裝置及方法可實(shí)現(xiàn)車廂窗口處復(fù)雜氣流流動(dòng)狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定?？赏ㄟ^(guò)煙氣發(fā)生裝置、風(fēng)機(jī)的選擇和流量調(diào)節(jié)閥的控制，實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度流場(chǎng)測(cè)定和跡線顯示，彌補(bǔ)風(fēng)速采集儀測(cè)試系統(tǒng)只能采集風(fēng)速數(shù)據(jù)而無(wú)法判定風(fēng)速實(shí)時(shí)方向和氣流現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的缺點(diǎn)。建立煙氣示蹤裝置的時(shí)間短、費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)效率高且可重復(fù)利用，可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜氣流測(cè)試的需求中，為消防研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，如列車運(yùn)行中窗口空氣流動(dòng)的狀態(tài)測(cè)定等。

2.在車廂窗口處形成煙幕，煙氣流量穩(wěn)定可調(diào)，適用于車廂不同窗口大小和形式，跡線清晰可辨，煙氣流量流向調(diào)試簡(jiǎn)單，示蹤裝置管路采用透明塑料，可直觀查看煙氣在系統(tǒng)中的流動(dòng)狀態(tài)，方便調(diào)節(jié)壓力使煙氣均勻流出。

3.該裝置可以配合風(fēng)速儀、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備直觀的顯示氣流狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)步驟少、安全可靠，可用于后期空氣量計(jì)算結(jié)果的修正，有利于車廂窗口處氣流狀態(tài)的科學(xué)測(cè)定，進(jìn)而可準(zhǔn)確計(jì)算流通空氣量，對(duì)于消防研究中的火災(zāi)狀態(tài)判斷具有重要的意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的使用狀態(tài)圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種車廂窗口處氣流狀態(tài)示蹤裝置，包括煙氣發(fā)生器1、儲(chǔ)煙罐2、風(fēng)機(jī)3、流量調(diào)節(jié)閥4、電源5，還包括干管6、支管7、緩沖管8、釋放管9。

緩沖管8、釋放管9和流量調(diào)節(jié)閥4構(gòu)成煙氣釋放組管，在兩端封堵的緩沖管8的兩側(cè)，間隔對(duì)稱的連接數(shù)對(duì)釋放管9，每根釋放管9的外側(cè)為封堵?tīng)顟B(tài)，在數(shù)對(duì)釋放管9下面上，分別間隔豎直向下的設(shè)有數(shù)個(gè)煙氣釋放孔9-1，在緩沖管8中間一側(cè)的緩沖管8上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥4，流量調(diào)節(jié)閥4的輸出口與緩沖管8和數(shù)對(duì)釋放管9相通；

將儲(chǔ)煙罐2分別與煙氣發(fā)生器1和風(fēng)機(jī)3連接，風(fēng)機(jī)3依次通過(guò)干管6和支管7分別與至少一組釋放組管流量調(diào)節(jié)閥4的輸入端連接，電源5為煙氣發(fā)生器1和風(fēng)機(jī)3提供電源。

干管6、支管7、緩沖管8、釋放管9和儲(chǔ)煙罐2均為透明材質(zhì)。

如圖2所示，一種車廂窗口處氣流狀態(tài)示蹤裝置的實(shí)驗(yàn)方法：以機(jī)車窗口流場(chǎng)為例進(jìn)行示蹤裝置的設(shè)計(jì)及工作過(guò)程詳述。

機(jī)車尺寸為8m（長(zhǎng)）*3m（寬）*2.9m（高），窗口尺寸為1.1m（寬）*1.7m（高）。

步驟一，設(shè)計(jì)計(jì)算；

第一、確定釋放煙氣量，煙氣量的確定應(yīng)根據(jù)車廂體積和機(jī)械排風(fēng)和自然排風(fēng)狀態(tài)及車廂窗口大小及形式確定。

第二、根據(jù)車廂窗口大小確定煙氣釋放組管布局，煙氣釋放組管的管路設(shè)計(jì)需滿足釋放煙氣能夠覆蓋整個(gè)窗口，設(shè)計(jì)原則為垂直于緩沖管8上的數(shù)對(duì)釋放管9的間距不大于350mm，數(shù)對(duì)釋放管9水平方向應(yīng)布滿整個(gè)窗口，釋放管9上的數(shù)個(gè)煙氣釋放孔9-1的孔徑為40mm，方向豎直向下，數(shù)個(gè)煙氣釋放孔9-1的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)流速不大于2.5m/s和煙氣量確定，均勻分布。

第三、緩沖管8的設(shè)計(jì)是防止煙氣在較長(zhǎng)管道中運(yùn)行，累計(jì)沿程阻力過(guò)大而使釋放管9上各個(gè)煙氣釋放孔9-1的出流偏差過(guò)大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)在緩沖管8內(nèi)盡量降低動(dòng)壓提高靜壓，緩沖管8截面尺寸應(yīng)根據(jù)煙氣量和設(shè)計(jì)速度不大于1.5m/s計(jì)算。

第四、干管6和支管7的管徑的選取按照煙氣量和設(shè)計(jì)速度不大于2.5m/s，支管7上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥4。

第五、儲(chǔ)煙罐2作為壓力平衡和煙氣儲(chǔ)存用容器，頂端開(kāi)口，體積采取10s的煙氣量。

第六、風(fēng)機(jī)3采用直流無(wú)刷變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)量需滿足煙氣量的1.5倍，壓力滿足壓力損失計(jì)算。

第七、煙氣發(fā)生器1采用數(shù)碼煙霧機(jī)，煙霧密度和空氣接近，可長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中且沒(méi)有毒害，綜合成本較低，煙氣量及產(chǎn)生煙氣速度最小應(yīng)大于2倍的煙氣量，并可連續(xù)發(fā)生煙霧。

步驟二，系統(tǒng)連接調(diào)試；該裝置可以配合風(fēng)速儀10、攝像機(jī)11和與計(jì)算機(jī)12連接的數(shù)據(jù)采集器13，可直觀的顯示氣流狀態(tài)，數(shù)個(gè)風(fēng)速儀10采用三杯式風(fēng)速儀，與示蹤裝置的釋放管9平行布置，數(shù)個(gè)風(fēng)速儀10原則上與釋放孔9-1的位置和數(shù)量對(duì)應(yīng)，也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求適當(dāng)增減，風(fēng)速的采集方向應(yīng)通過(guò)空白示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定；風(fēng)速儀10通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器13連接；數(shù)據(jù)采集器13將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)12，并通過(guò)計(jì)算機(jī)12繪制時(shí)間和風(fēng)速曲線，實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)顯示風(fēng)速的效果；攝像機(jī)11至少布置兩臺(tái)，拍攝窗口平行面一臺(tái)，拍攝窗口垂直面一臺(tái)，攝像機(jī)11可以直觀拍攝出煙氣流動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)12圖像分析可以得到流動(dòng)跡線，結(jié)合風(fēng)速儀10測(cè)得的速度數(shù)據(jù)結(jié)果獲取整個(gè)空間的氣流狀態(tài)。

步驟三，進(jìn)行試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括煙氣生成及導(dǎo)入、煙氣流量調(diào)節(jié)、氣流示蹤及數(shù)據(jù)收集，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，流量調(diào)節(jié)閥4保持全開(kāi)啟狀態(tài)；需先開(kāi)啟風(fēng)機(jī)3使空氣在管道內(nèi)循環(huán)，同時(shí)預(yù)熱煙氣發(fā)生器1，待煙氣發(fā)生器1預(yù)熱完成后開(kāi)啟，煙氣依次由干管6、支管7、流量調(diào)節(jié)閥4、緩沖管8、釋放管9和釋放孔9-1釋放到車廂窗口處，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)3的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，使得釋放管路釋放孔9-1中的煙氣噴射距離不大于釋放管9的間距，之后調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥4實(shí)現(xiàn)精調(diào)，使煙氣在車廂內(nèi)跡線清晰可見(jiàn)又不至過(guò)快充滿整個(gè)空間，煙氣量通過(guò)煙氣發(fā)生器1的控制或啟動(dòng)關(guān)斷的方法調(diào)節(jié)，以煙氣時(shí)刻充滿儲(chǔ)煙罐2作為控制標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄視頻；

風(fēng)速儀采集風(fēng)速數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以電壓信號(hào)的形式傳輸給數(shù)據(jù)采集器13，數(shù)據(jù)采集器13連續(xù)記錄數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)12端的軟件將電壓信號(hào)計(jì)算還原為風(fēng)速數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制風(fēng)速-時(shí)間曲線。攝像機(jī)11拍攝煙氣示蹤裝置所釋放出的煙氣，并將圖像存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，攝像機(jī)11記錄的時(shí)間應(yīng)與計(jì)算機(jī)12時(shí)間保持一致。

步驟四，實(shí)驗(yàn)結(jié)束及整理；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉煙氣發(fā)生器1，待煙氣耗盡后依次關(guān)閉風(fēng)機(jī)3和流量調(diào)節(jié)閥4。

攝像機(jī)12的錄像存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)，通過(guò)視頻編輯軟件導(dǎo)入時(shí)間坐標(biāo)，可以直觀顯示車廂內(nèi)空氣的實(shí)時(shí)流動(dòng)狀態(tài)，判斷車廂內(nèi)和窗口處風(fēng)向，風(fēng)速儀10采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器13記錄并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)12后通過(guò)數(shù)據(jù)采集器的軟件繪制入口處時(shí)間和速度曲線，可以據(jù)此計(jì)算得到車廂通過(guò)窗口處的換氣量，從而為后續(xù)發(fā)生火災(zāi)空間的風(fēng)場(chǎng)模擬，火災(zāi)耗氧量計(jì)算等提供數(shù)據(jù)。