一种固体燃烧火焰的模拟装置及模拟方法

本发明涉及燃烧及火灾安全控制领域，具体为一种固体燃烧火焰的模拟装置及模拟方法。

背景技术：

0、技术背景

1、固体燃烧作为燃烧的基本方式之一，由于其可燃物种类多且常见，燃烧火焰传播速度快、产热大，因此是火灾安全重点关注领域之一。固体燃烧过程包括可燃物的热解、着火、火蔓延及火焰熄灭几个过程，是一种同时具备物理过程和化学过程及多相能量与物质传递的复杂反应。

2、目前多数关于火灾安全的实验研究通过直接点燃固体燃料进行火焰行为观测，但由于燃烧速度及环境污染等原因，实验对象的大小一般较小，燃烧时长较短，难以观测到接近稳定状态的长时间、大尺度火焰，不能反映火焰的完整发展行为；另一方面，固体燃烧过程火焰传播快，每秒传播可达米级以上，若采用相机固定测量，容易受到光源亮度、光学畸变等影响导致测量结果变形，出现测量误差，影响分析精度及准确性。

3、另一方面，国内外一些火灾安全实验研究及消防标准采用固定的气体燃烧器模拟固体燃烧火焰，研究火灾发生过程中固体燃烧火焰对特定建筑材料或房屋结构的影响，但因为研究重点在于验证材料或结构满足特定消防标准下的防火性能，一般采用固定的气体流量，控制变量保证实验结果可靠性。因此不能真实反映固体燃烧速率与产热量的相关性，无法反映固体燃烧的多相耦合反应物理本质。

技术实现思路

1、基于目前固体燃烧火焰的实验研究装置的发展现状，本发明提出一种固体燃烧火焰的模拟装置，根据传感器火焰强度实时监测结果，利用燃烧学能量转化及反应理论，自适应控制燃料气体流量，因而可从物理本质上实现对固体燃烧火焰的瞬态、长时间精确模拟；此外，集成了流场、化学组分、光学、传热等多维度传感器，实现对固定火焰的高效精确策略，对研究固体燃烧火焰行为及火灾安全防护有重要应用价值。

2、一种固体燃烧火焰的模拟装置，包括气源、燃烧风洞、传感器及计算机终端，所述气源包括空气源和燃料气体，所述空气源混合后由风洞一端的进口流入风洞，风洞下方开有用于燃料气体流入的进风口，所述燃料气体由该进风口流入风洞，与风洞内气体扩散混合形成火焰，基于所述传感器实时测量火焰瞬态强度，并由该火焰瞬态强度自适应控制所述燃料气体的流量，基于所述计算机终端记录分析模拟的固体燃烧火焰发展过程。

3、作为优选，所述空气源包括氧气和氮气，所述氧气和氮气混合流入风洞；所述氧气和氮气基于流量计控制各自的流量，以改变燃烧风洞内的流速及氧气浓度。

4、作为优选，所述燃烧风洞依次包括稳流段、反应段、出口段三个段，所述稳流段用于控制氧气及氮气充分混合并平稳输出，所述反应段用于模拟固体燃烧的火焰行为及观测火焰特性，所述反出口段用于反应产物分析及尾气处理。

5、作为优选，所述传感器包括温度传感器、热流量传感器和气体分析传感器，所述温度传感器、热流量传感器设于所述燃烧风洞的反应段燃料出口下游，用于实时监测、测量分析火焰的热流量及温度，所述燃料气体的流量根据所述热流量传感器实时数据自适应控制；所述气体分析传感器设于所述燃烧风洞的出口段生成物出口，用于进行气体分析。

6、作为优选，所述燃烧风洞的稳流段包括阻尼网、蜂窝器及流速计，所述阻尼网、蜂窝器放置于稳流段入口，用于提高气流的平直度并减小气流的紊乱程度；所述流速计放置于风洞中部，用于测量管路中流体的速度。

7、作为优选，所述燃烧风洞的反应段还包括载物台、相机和点火器，所述点火器用于点燃燃料气体；所述载物台置于反应段的风洞内下方，由绝热材料制成，所述热流量传感器设于所述载物台上，用于实时测量火焰瞬态强度；所述相机与所述计算机终端连接，用于拍摄火焰点燃及燃烧过程动态过程图像。

8、作为优选，所述燃烧风洞的出口段还包括集气装置、数据采集器和流速计，所述集气装置实时收集燃烧后的气体产物，输入至所述气体分析传感器进行气体分析，所述数据采集器连接所述传感器与计算机终端。

9、作为优选，所述气体分析传感器包括氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器，用于检测各气体组分浓度的动态变化。

10、作为优选，燃料气体流量根据能量平衡及反应平衡确定，公式为：

11、

12、

13、其中，及δs表示热流量传感器监测热流量及传感器面积，l、cp及δtig分别为模拟固体燃料的反应热、比热及着火点，为模拟固体燃料的当量反应率；α为模拟固体燃料的燃烧比，根据风洞中二氧化碳及一氧化碳产生比确定，qcs、qg分别为模拟固体燃料及实验用燃料气体的燃烧热，由文献或一般热分析实验获得。

14、本发明还公开了一种固体燃烧火焰的模拟方法，基于上述的固体燃烧火焰的模拟装置，还包括以下步骤：

15、步骤1，将各气瓶接通，打开开关，按照实验要求设置氮气及氧气流量，使风洞达到适当流速及氧含量；

16、步骤2，打开燃料气体开关后启动点火器，引燃燃料气体，基于传感器实时监测燃烧过程，将数据传输到数据采集器及计算机终端；

17、步骤3，在火焰产生到燃尽过程中，通过相机进行连续拍摄火焰图片或获取火焰动态变化视频，将火焰瞬态发展过程所有数据，包括生成物组分含量、火焰图像、火焰温度计热量，均采集到计算机中实时显示并进行分析。

18、有益效果

19、与现有技术相比，本发明的有益效果有以下几个方面：

20、1.本发明根据能量转化及反应平衡自适应控制燃料气体的体积流量，抓住了固体燃烧的多相耦合反应物理本质，可有效模拟固体燃烧的火焰行为，能实现固体燃烧火焰的长时间、大尺度行为观测研究。

21、2.本发明可将固体燃烧火焰固定，所测量数据不受火焰传播影响，降低测量误差；同时，本发明采用光学、流场、传热、组分等多学科集成数据采集分析，可实时测量固体燃烧火焰温度、组分浓度等数据，提高测量效率及数据精度，有利于固体燃烧行为的深度研究。

技术特征：

1.一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，包括气源、燃烧风洞、传感器及计算机终端，所述气源包括空气源和燃料气体，所述空气源混合后由风洞一端的进口流入风洞，风洞下方开有用于燃料气体流入的进风口，所述燃料气体由该进风口流入风洞，与风洞内气体扩散混合形成火焰，基于所述传感器实时测量火焰瞬态强度，并由该火焰瞬态强度自适应控制所述燃料气体的流量，基于所述计算机终端记录分析模拟的固体燃烧火焰发展过程。

2.根据权利要求1所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述空气源包括氧气和氮气，所述氧气和氮气混合流入风洞；所述氧气和氮气基于流量计控制各自的流量，以改变燃烧风洞内的流速及氧气浓度。

3.根据权利要求1所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述燃烧风洞依次包括稳流段、反应段、出口段三个段，所述稳流段用于控制氧气及氮气充分混合并平稳输出，所述反应段用于模拟固体燃烧的火焰行为及观测火焰特性，所述反出口段用于反应产物分析及尾气处理。

4.根据权利要求3所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、热流量传感器和气体分析传感器，所述温度传感器、热流量传感器设于所述燃烧风洞的反应段燃料出口下游，用于实时监测、测量分析火焰的热流量及温度，所述燃料气体的流量根据所述热流量传感器实时数据自适应控制；所述气体分析传感器设于所述燃烧风洞的出口段生成物出口，用于进行气体分析。

5.根据权利要求3所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述燃烧风洞的稳流段包括阻尼网、蜂窝器及流速计，所述阻尼网、蜂窝器放置于稳流段入口，用于提高气流的平直度并减小气流的紊乱程度；所述流速计放置于风洞中部，用于测量管路中流体的速度。

6.根据权利要求4所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述燃烧风洞的反应段还包括载物台、相机和点火器，所述点火器用于点燃燃料气体；所述载物台置于反应段的风洞内下方，由绝热材料制成，所述热流量传感器设于所述载物台上，用于实时测量火焰瞬态强度；所述相机与所述计算机终端连接，用于拍摄火焰点燃及燃烧过程动态过程图像。

7.根据权利要求4所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述燃烧风洞的出口段还包括集气装置、数据采集器和流速计，所述集气装置实时收集燃烧后的气体产物，输入至所述气体分析传感器进行气体分析，所述数据采集器连接所述传感器与计算机终端。

8.根据权利要求7所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，所述气体分析传感器包括氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器，用于检测各气体组分浓度的动态变化。

9.根据权利要求4至8任意一项所述的一种固体燃烧火焰的模拟装置，其特征在于，燃料气体流量根据能量平衡及反应平衡确定，公式为：

10.一种固体燃烧火焰的模拟方法，其特征在于，基于权利要求1-9任意一项所述的固体燃烧火焰的模拟装置，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种固体燃料火焰的模拟装置，主要包括气源、燃烧风洞、数据采集及分析设备等。本发明根据燃烧产物气体分析及火焰强度的实时测量分析，根据能量转化及反应平衡确定燃烧气体流量，反映了固体燃烧的物理本质，从而模拟固体燃烧的火焰行为，可实现对火焰行为的长时间、瞬时、固定观测。同时，该装置集成了流场分析、光学分析、化学分析、能量分析等数据采集分析功能，能实时高效测量不同环境工况下气体及固体燃烧行为，对燃烧学及火灾防护研究有重要应用价值。

技术研发人员：李岩军,王薇,蔡婷婷,刘震
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30