一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台

1.本发明涉及火灾安全的技术领域，更具体地说是涉及一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台。


背景技术：

2.船舶舱室发生火灾时，火灾产生的热量除了随高温烟气通过人员通道、通风管路进行传递外，还会直接加热舱室壁面向相邻舱室进行热量传递。这会造成相邻舱室温度升高，极端条件下能引燃相邻舱室内易燃物品，从而造成舱室火灾蔓延。此外，不同的壁面材质和机械通风状态会影响舱室内部的热量分布情况，进而影响火源的燃烧特性、烟气及舱室壁面的温升等。因此，围绕火灾条件下舱室壁面的传热机制及其对舱室内火灾燃烧特性、烟气特性和壁面温升规律的影响开展研究，有利于开展相应的防火设计，对提高舰船自身防火能力有着积极的作用。
3.1994年moyne对21个包括不同厚度和密度硅酸钙防护层以及非保护的钢制舱壁进行了a-60，a-30，a-15，a-0等级的全尺度实验。1993年peatross等在美国海岸警卫队mayo lykes试验船上进行了全尺度船舶舱室火灾试验，对具有高导热性舱室的温度分布以及舱室壁面温度分布开展了大量试验研究。前人基于大尺度实验平台的研究，已经对舱室内的热量传递途径、烟气及壁面升温规律进行了初步的研究，并建立了适用于不同条件下的舱室温度预测模型，但是大尺度实验不仅需要耗费巨大的人力物力，而且壁面材质的影响规律不是很明显。同时，不同的壁面材质和机械通风状态影响下舱室的传热机制及其对火灾发展和火行为的影响研究仍然存在不足，此外，也缺少可用于此类研究的小尺度实验平台。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台，通过分析在不同壁面材质和不同通风状态下舱室内的传热过程，研究舱室壁面及烟气的温升规律，对构建不同壁面材质的船舶机舱温度分布预测模型具有重要意义。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台，包括用于模拟船舱舱室的倒立实验台、机械送风系统、火源系统和测量系统，且实验台为倒立四棱台形；所述实验台的两侧面上分别开设有观察窗4，其中一侧面为可更换面3，实验台的前端面开设有舱门5，舱门5的两侧对应开设有一对观察窗；船舱舱室的中部设有用于模拟一对柴油机的一对长方体12，一对长方体12平行间隔布置且每个长方体的上端设有短圆柱13，用于模拟柴油机排烟管；船舱舱室上端的中部向上凸起形成长方体形的船舱围阱6，且船舱围阱6的长度方向和第一长方体的长度方向垂直，船舱舱室上端的前部开设有一对送风口9，船舱舱室上端的后部开设有一对排风口10；
所述机械通风系统包括进风机1和排风机8，进风机1的出口通过进风管道2分别和一对送风口9连通，排风机8的进口通过排风管道7分别和一对排风口10连通；所述火源装置包括油盘火源装置14和喷射火源装置15，油盘火源装置14用于模拟面起火，喷射火源装置15用于模拟管道漏油点起火；油盘火源装置14布置在一对长方体12之间的中部，或其中一个第一长方体的相对外侧且靠近对应的送风口处，喷射火源装置15布置在另一个第一长方体的相对外侧的中间部位；所述测量系统包括温度测量系统、风速测量系统、烟气分析系统和计算机系统；温度测量系统包括5个以上的热电偶树16和20个以上的贴片热电偶17，每个热电偶树16包括竖向均匀布置的5个以上的单热电偶；所述实验台的可更换面的内、外侧壁的中心x轴和中心y轴方向上分别均匀布置所述贴片热电偶17，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个热电偶树16，所述船舱舱室内的4个直角对应处分别设有热电偶树16；风速测量系统包括5个以上的皮托管18，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个皮托管18，所述每个送风口和排风口内均设有皮托管18；烟气分析系统包括至少一个烟气分析仪19，每个所述油盘火源装置14的油盘外沿处分别设有所述烟气分析仪19；实验时，开启机械通风系统，点燃一个油盘火源装置14或喷射火源装置15，每个贴片热电偶17、单热电偶、皮托管18和烟气分析仪19测得的数据通过信号传递至计算机系统，计算机系统记录并分析上述数据；更换不同导热系数的船舱舱室的可更换面进行重复实验，得到不同壁面材质作为船舱舱室侧面时的温度分布规律、烟气流动速率，和氧气、一氧化碳和二氧化碳的浓度变化。
6.进一步，所述油盘火源装置14包括油盘和电子天平，油盘布置于电子天平上，电子天平和计算机系统连接，可以得到油盘内燃油的质量变化情况；所述喷射火源装置15包括喷头、油箱、压力泵和阀门，喷头通过阀门和压力泵管道连通着油箱，控制阀门开度调节喷射火的大小。
7.进一步，所述实验台的一侧面包括矩形安装框11和侧壁板，侧壁板通过螺栓和螺孔的配合安装在安装框11上，使得实验台的一侧面为可更换面3。
8.进一步，每个所述热电偶树16上的相邻单热电偶之间的距离为50~150mm，且热电偶树16顶端的单热电偶距离对应船舱舱室顶部的距离小于3mm；所述相邻贴片热电偶17之间的距离为200~350mm。
9.进一步，每个所述皮托管18的布置高度为1~1.5m。
10.进一步，所述进风机1和排风机8均为离心风机，分别控制每个送风口的送风风量不小于161m
³
/h，每个排风口的排风风量不小于197m
³
/h；当进风机1和排风机8同时打开，所述机械通风系统为开启状态，当进风机1和排风机8同时关闭时，所述机械通风系统为关闭状态。
11.本发明的有益技术效果如下：（1）本发明的一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台，实验台的一
侧面为可更换面，可替换成a30、a60、钢板和石膏板等材质，直接模拟实际船舱中发生火灾后，壁面材质不同的相邻舱室之间的热量传递以及火灾发展的过程。因此，本实验平台在简单的操作下就可以进行多种火灾场景下的舱室火实验，对帮助认识实际的船舶火灾发展规律具有重要意义。
12.（2）在船舶火灾的研究中，常采用数值模拟的方式帮助认识火灾的发展规律，但是实验结果仅限于理想的情况下，实际的火灾发展过程往往更加复杂，因此需要借助相应的实验平台，且进行一组实验所需要的时间远小于数值模拟所需要的时间。因此，与计算机模拟方法相比，本实验平台得到的结果准确性更高，耗时更短。
13.因此本发明的火灾实验平台，研究不同壁面材质下对舱室内传热过程的影响，为建立船舶机舱温度分布预测模型和火灾危险性评估提供可靠且重要依据。
附图说明
14.图1为本发明的一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台的结构示意图。
15.图2为图1的正视图。
16.图3为图1的后视图。
17.图4为本发明的船舱舱室内热电偶树的布置图。
18.图5为本发明船舱舱室的可更换面的贴片热电偶的布置图。
19.图6为本发明船舱舱室内皮托管的布置图。
20.图7为本发明船舱舱室内烟气分析仪的布置图。
21.图8为本发明船舱舱室内喷射火装置或油盘火装置的布置图。
22.图中标号：1-送风机；2-送风管道；3-可更换面；4-观察窗；5-舱门；6-长方体凸台；7-排烟管道；8-排风机；9-一对送风口；10-一对排风口；11-安装框；12-一对长方体；13-短圆柱；14-油盘火装置；15-喷射火装置；16-热电偶树；17-贴片热电偶；18-皮托管；19-烟气分析仪。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.实施例1见图1~图3，一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台，包括用于模拟船舱舱室的实验台、机械送风系统、火源系统和测量系统，且实验台为倒立四棱台形；所述实验台的两侧面上分别开设有观察窗4，所述实验台的一侧面包括矩形安装框11和侧壁板，侧壁板通过螺栓和螺孔的配合安装在安装框11上，使得实验台的一侧面为可更换面3，可更换面3的材质为钢板，导热系数为46.5w/(m
·
k)。
25.实验台的前端面开设有舱门5，舱门5的两侧对应开设有一对观察窗；船舱舱室的中部设有用于模拟一对柴油机的一对长方体12，一对长方体12平行间隔布置且每个长方体
的上端设有短圆柱13，用于模拟柴油机排烟管；船舱舱室上端的中部向上凸起形成长方体形的船舱围阱6，且船舱围阱6的长度方向和第一长方体的长度方向垂直。
26.船舱舱室上端的前部开设有一对送风口9，船舱舱室上端的后部开设有一对排风口10；所述机械通风系统包括进风机1和排风机8，进风机1的出口通过进风管道2分别和一对送风口9连通，排风机8的进口通过排风管道7分别和一对排风口10连通；所述进风机1和排风机8均为离心风机，分别控制每个送风口的送风风量不小于161m
³
/h，每个排风口的排风风量不小于197m
³
/h；当进风机1和排风机8同时打开，所述机械通风系统为开启状态，当进风机1和排风机8同时关闭时，所述机械通风系统为关闭状态。
27.所述火源装置包括油盘火源装置14和喷射火源装置15，油盘火源装置14用于模拟面起火，喷射火源装置15用于模拟管道漏油点起火。
28.油盘火源装置14布置在一对长方体12之间的中部，或其中一个第一长方体的相对外侧且靠近对应的送风口处，喷射火源装置15布置在另一个第一长方体的相对外侧的中间部位；所述喷射火源装置15包括喷头、油箱、压力泵和阀门，喷头通过阀门和压力泵管道连通着油箱，控制阀门开度调节喷射火的大小。
29.所述测量系统包括温度测量系统、风速测量系统、烟气分析系统和计算机系统；见图4，温度测量系统包括5个以上的热电偶树16和20个以上的贴片热电偶17，每个热电偶树16包括竖向均匀布置的5个以上的单热电偶；见图5，所述实验台的可更换面的内、外侧壁的中心x轴和中心y轴方向上分别均匀布置所述贴片热电偶17，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个热电偶树16，所述船舱舱室内的4个直角对应处分别设有热电偶树16；每个所述热电偶树16上的相邻单热电偶之间的距离为50~150mm，且热电偶树16顶端的单热电偶距离对应船舱舱室顶部的距离小于3mm；所述相邻贴片热电偶17之间的距离为200~350mm。
30.见图6，风速测量系统包括5个以上的皮托管18，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个皮托管18，所述每个送风口和排风口内均设有皮托管18；每个所述皮托管18的布置高度为1~1.5m。
31.见图7，烟气分析系统包括至少一个烟气分析仪19，每个所述油盘火源装置14的油盘外沿处分别设有所述烟气分析仪19。
32.实验时，开启机械通风系统，点燃一对长方体12之间中部的油盘火源装置14，所述油盘火源装置14包括油盘和电子天平，油盘布置于电子天平上，电子天平和计算机系统连接，可以得到油盘内燃油的质量变化情况；每个贴片热电偶17、单热电偶、皮托管18和烟气分析仪19测得的数据通过信号传递至计算机系统，计算机系统记录并分析上述数据；更换不同导热系数的船舱舱室的可更换面进行重复实验，得到不同壁面材质作为船舱舱室侧面时的温度分布规律、烟气流动速率，和氧气、一氧化碳和二氧化碳的浓度变化。
33.先计算舱室内四处热电偶树同一高度上热电偶温度的平均值，将获得的平均值再求平均，即可得到整个舱室内烟气的平均温度；将壁面3上内壁面和外壁面的贴片热电偶的
温度数据分别求取平均值，即可得到内外壁面的平均温度，得到如下表1。
34.表1舱室内烟气和壁面3内外表面的平均温度
时间/s烟气平均温度/℃壁面3内壁面平均温度/℃壁面3外壁面平均温度/℃5031.725.120.510060.450.240.515066.355.345.620068.560.552.525072.665.360.230076.370.863.635079.275.769.940054.468.958.945045.260.850.850041.755.948.1
实施例2见图1~图3，一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台，包括用于模拟船舱舱室的的实验台、机械送风系统、火源系统和测量系统，且实验台为倒立四棱台形；所述实验台的两侧面上分别开设有观察窗4，所述实验台的一侧面包括矩形安装框11和侧壁板，侧壁板通过螺栓和螺孔的配合安装在安装框11上，使得实验台的一侧面为可更换面3，可更换面3的为石膏板，导热系数为0.2w/(m
·
k)。
35.实验台的前端面开设有舱门5，舱门5的两侧对应开设有一对观察窗；船舱舱室的中部设有用于模拟一对柴油机的一对长方体12，一对长方体12平行间隔布置且每个长方体的上端设有短圆柱13，用于模拟柴油机排烟管；船舱舱室上端的中部向上凸起形成长方体形的船舱围阱6，船舱围阱6的长度方向和第一长方体的长度方向垂直。
36.船舱舱室上端的前部开设有一对送风口9，船舱舱室上端的后部开设有一对排风口10；所述机械通风系统包括进风机1和排风机8，进风机1的出口通过进风管道2分别和一对送风口9连通，排风机8的进口通过排风管道7分别和一对排风口10连通；所述进风机1和排风机8均为离心风机，分别控制每个送风口的送风风量不小于161m
³
/h，每个排风口的排风风量不小于197m
³
/h；当进风机1和排风机8同时打开，所述机械通风系统为开启状态，当进风机1和排风机8同时关闭时，所述机械通风系统为关闭状态。
37.所述火源装置包括油盘火源装置14和喷射火源装置15，油盘火源装置14用于模拟面起火，喷射火源装置15用于模拟管道漏油点起火。
38.油盘火源装置14布置在一对长方体12之间的中部，或其中一个第一长方体的相对外侧且靠近对应的送风口处，喷射火源装置15布置在另一个第一长方体的相对外侧的中间部位；所述喷射火源装置15包括喷头、油箱、压力泵和阀门，喷头通过阀门和压力泵管道连通着油箱，控制阀门开度调节喷射火的大小。
39.所述测量系统包括温度测量系统、风速测量系统、烟气分析系统和计算机系统；
见图4，温度测量系统包括5个以上的热电偶树16和20个以上的贴片热电偶17，每个热电偶树16包括竖向均匀布置的5个以上的单热电偶；见图5，所述实验台的可更换面的内、外侧壁的中心x轴和中心y轴方向上分别均匀布置所述贴片热电偶17，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个热电偶树16，所述船舱舱室内的4个直角对应处分别设有热电偶树16；每个所述热电偶树16上的相邻单热电偶之间的距离为50~150mm，且热电偶树16顶端的单热电偶距离对应船舱舱室顶部的距离小于3mm；所述相邻贴片热电偶17之间的距离为200~350mm。
40.见图6，风速测量系统包括5个以上的皮托管18，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个皮托管18，所述每个送风口和排风口内均设有皮托管18；每个所述皮托管18的布置高度为1~1.5m。
41.见图7，烟气分析系统包括至少一个烟气分析仪19，每个所述油盘火源装置14的油盘外沿处分别设有所述烟气分析仪19。
42.实验时，开启机械通风系统，点燃一对长方体12之间中部的油盘火源装置14，所述油盘火源装置14包括油盘和电子天平，油盘布置于电子天平上，电子天平和计算机系统连接，可以得到油盘内燃油的质量变化情况；每个贴片热电偶17、单热电偶、皮托管18和烟气分析仪19测得的数据通过信号传递至计算机系统，计算机系统记录并分析上述数据；更换不同导热系数的船舱舱室的可更换面进行重复实验，得到不同壁面材质作为船舱舱室侧面时的温度分布规律、烟气流动速率，和氧气、一氧化碳和二氧化碳的浓度变化。
43.先计算舱室内四处热电偶树同一高度上热电偶温度的平均值，再将获得的平均值再求平均，即可得到整个舱室内烟气的平均温度；将壁面3上内壁面和外壁面的贴片热电偶的温度数据分别求取平均值，即可得到内外壁面的平均温度，得到如下表2。
44.表2 舱室内烟气和壁面3内外表面的平均温度
时间/s烟气平均温度/℃壁面3内壁面平均温度/℃壁面3外壁面平均温度/℃5040.630.118.510072.460.230.315078.366.333.620080.575.535.525085.178.337.230088.380.840.635090.285.645.840080.482.835.745070.275.230.850060.768.225.1
实施例3见图1~图3，一种可更换壁面材质的小尺度船舶机舱火灾实验平台，包括用于模拟船舱舱室的的实验台、机械送风系统、火源系统和测量系统，且实验台为倒立四棱台形；
所述实验台的两侧面上分别开设有观察窗4，所述实验台的一侧面包括矩形安装框11和侧壁板，侧壁板通过螺栓和螺孔的配合安装在安装框11上，使得实验台的一侧面为可更换面3，可更换面3的材质为a60防火级别，导热系数为0.03w/(m
·
k)。
45.实验台的前端面开设有舱门5，舱门5的两侧对应开设有一对观察窗；船舱舱室的中部设有用于模拟一对柴油机的一对长方体12，一对长方体12平行间隔布置且每个长方体的上端设有短圆柱13，用于模拟柴油机排烟管；船舱舱室上端的中部向上凸起形成长方体形的船舱围阱6，船舱围阱6的长度方向和第一长方体的长度方向垂直。
46.船舱舱室上端的前部开设有一对送风口9，船舱舱室上端的后部开设有一对排风口10；所述机械通风系统包括进风机1和排风机8，进风机1的出口通过进风管道2分别和一对送风口9连通，排风机8的进口通过排风管道7分别和一对排风口10连通；所述进风机1和排风机8均为离心风机，分别控制每个送风口的送风风量不小于161m
³
/h，每个排风口的排风风量不小于197m
³
/h；当进风机1和排风机8同时打开，所述机械通风系统为开启状态，当进风机1和排风机8同时关闭时，所述机械通风系统为关闭状态。
47.所述火源装置包括油盘火源装置14和喷射火源装置15，油盘火源装置14用于模拟面起火，喷射火源装置15用于模拟管道漏油点起火。
48.油盘火源装置14布置在一对长方体12之间的中部，或其中一个第一长方体的相对外侧且靠近对应的送风口处，喷射火源装置15布置在另一个第一长方体的相对外侧的中间部位；所述喷射火源装置15包括喷头、油箱、压力泵和阀门，喷头通过阀门和压力泵管道连通着油箱，控制阀门开度调节喷射火的大小。
49.所述测量系统包括温度测量系统、风速测量系统、烟气分析系统和计算机系统；见图4，温度测量系统包括5个以上的热电偶树16和20个以上的贴片热电偶17，每个热电偶树16包括竖向均匀布置的5个以上的单热电偶；见图5，所述实验台的可更换面的内、外侧壁的中心x轴和中心y轴方向上分别均匀布置所述贴片热电偶17，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个热电偶树16，所述船舱舱室内的4个直角对应处分别设有热电偶树16；每个所述热电偶树16上的相邻单热电偶之间的距离为50~150mm，且热电偶树16顶端的单热电偶距离对应船舱舱室顶部的距离小于3mm；所述相邻贴片热电偶17之间的距离为200~350mm。
50.见图6，风速测量系统包括5个以上的皮托管18，所述船舱围阱下方对应的船舱舱室内均匀布置有3个皮托管18，所述每个送风口和排风口内均设有皮托管18；每个所述皮托管18的布置高度为1~1.5m。
51.见图7，烟气分析系统包括至少一个烟气分析仪19，每个所述油盘火源装置14的油盘外沿处分别设有所述烟气分析仪19。
52.实验时，开启机械通风系统，点燃一对长方体12之间中部的油盘火源装置14，所述油盘火源装置14包括油盘和电子天平，油盘布置于电子天平上，电子天平和计算机系统连接，可以得到油盘内燃油的质量变化情况；每个贴片热电偶17、单热电偶、皮托管18和烟气分析仪19测得的数据通过信号传
递至计算机系统，计算机系统记录并分析上述数据；更换不同导热系数的船舱舱室的可更换面进行重复实验，得到不同壁面材质作为船舱舱室侧面时的温度分布规律、烟气流动速率，和氧气、一氧化碳和二氧化碳的浓度变化。
53.先计算舱室内四处热电偶树同一高度上热电偶温度的平均值，再将获得的平均值再求平均，即可得到整个舱室内烟气的平均温度；将壁面3上内壁面和外壁面的贴片热电偶的温度数据分别求取平均值，即可得到内外壁面的平均温度，得到如下表3。
54.表3 舱室内烟气和壁面3内外表面的平均温度
时间/s烟气平均温度/℃壁面3内壁面平均温度/℃壁面3外壁面平均温度/℃5045.632.817.510072.466.525.315080.970.228.520083.275.331.225088.680.533.230088.383.235.635095.287.338.540084.385.237.645080.283.525.750076.280.220.2
从上述3个实施例可知，从温度大小来看，壁面材质的导热系数越低，舱室内烟气的温度越高，可更换面3内壁面温度越高，外壁面温度越低。从温升速率来看，壁面材质导热系数越高，可更换面3外侧壁面的温升速率越大，内外壁面的温度差越小。
55.同时通过烟气分析仪19的相关数据，分析得到在实验过程中，机械通风系统开启情况下，气体浓度变化并不明显，在机械通风系统关闭的情况下，氧气浓度逐渐下降、一氧化碳和二氧化碳浓度逐渐上升，且机械通风系统关闭时，油盘火或喷射火都会逐渐熄灭。皮托管18测得的相关数据，分析得到可更换面3的导热系数与舱室的其他壁面的导热系数相差越大，舱室内的烟气流动速率相对越快。
56.因此通过本发明的火灾实验平台，研究不同壁面材质下对舱室内传热过程的影响，为建立船舶机舱温度分布预测模型和火灾危险性评估提供依据。
57.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。