本發明涉及消防工程技術領域，具體涉及的是一種應用于建筑外墻防火性能試驗的環境風場模擬單元及系統。

背景技術：

隨著社會經濟的發展和城鎮化進程的加劇，城市土地資源承載力受到了前所未有的挑戰，土地資源的集約利用及建筑空間的高效整合成為必然的發展趨勢，許多高層及超高層建筑應運而生。但伴隨著巨大的建筑體量、密集的人員分布和較高的火災荷載，一旦發生火災其危害性也絕非普通單、多層建筑可比，極易造成重大的人員傷亡和財產損失。因此，對高層及超高層建筑開展火災試驗研究對火災蔓延機理的掌握、防火滅火策略的制定以及人員疏散的決策均具有極其重要的指導作用。

近些年諸多火災案例表明，建筑外墻已成為高層及超高層建筑火災迅速蔓延的重要途徑，研究不同外墻形式下的開口火溢流行為特征對保障高層及超高層建筑消防安全具有非常重要的現實意義。由于作用于高層和超高層建筑外墻的環境風場的風速大小隨建筑高度的增加依冪指規律呈逐步增大的趨勢，較高樓層處室外環境風場的風速可達十幾米每秒甚至幾十米每秒，火災工況時開口火溢流行為勢必受到環境風場的強烈影響。因此，在開展高層及超高層建筑火災試驗研究時若不考慮室外環境風場的影響將無法較為真實地反映出建筑外墻實際的火災場景，因而研發一款應用于建筑外墻防火性能試驗的環境風場模擬裝置就顯得尤為迫切和重要。

既有的各環境風場模擬裝置大多應用于火災科學以外的領域。如申請號為201110273861.3的專利公開了一種室內海面風場模擬試驗裝置，申請號為201510683151.6的專利公開了一種導線舞動試驗用的風場模擬裝置，申請號為200910196463.9的專利公開了一種模擬舒適性自然風的空調裝置。

而對于既有為數不多的應用于火災試驗的環境風場模擬裝置，其在高層及超高層建筑外墻防火性能試驗方面的應用仍存在很大的局限性。如申請號為201510906813.1的專利公開了一種環境風作用下寬闊水面油池火燃燒模擬裝置，但僅能用于縮尺火災試驗。其中用于環境風場模擬的裝置雖可實現送風風速的變頻調節，但送風角度不能改變，也無法同時于不同高度處輸出不同大小的風速。又如申請號為201420057338.6的專利公開了一種外界風作用下高層建筑樓梯井或豎井火災實驗模擬裝置，也僅能用于縮尺火災試驗。其中用于環境風場模擬的裝置雖采用了移動風幕系統，可實現對任意樓層室外環境風場的模擬，但無法實現整個建筑外墻環境風場的同時再現，此外送風角度無法改變，僅能垂直于建筑外墻，送風速度的區間也僅為0～8m/s，很難反映超高層建筑較高樓層處的室外環境風場。同時，上述兩專利中環境風場模擬裝置送風面的幾何形狀均較為單一，無法產生具有多種分布規律的環境風場，且無法較好地應用于復雜幾何形狀的建筑外墻。

因此，有必要設計一種能夠專門為高層及超高層建筑外墻全尺及縮尺防火性能試驗提供環境風場模擬的系統。

技術實現要素：

針對上述技術不足，本發明提供了一種應用于建筑外墻防火性能試驗的環境風場模擬單元及系統，其可為高層及超高建筑防火性能試驗提供外部風場條件。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

應用于建筑外墻防火性能試驗的環境風場模擬單元，包括殼體，以及設置于殼體內順次排布的變速風機、電動風閥、整流格柵及送風風道；所述變速風機至少與三個電動風閥對應，所述的整流格柵和送風風道均與電動風閥數量相同且一一對應，且每個送風風道的末端均設有球形噴口。

進一步地，所述電動風閥為單軸矩形風閥，閥體可在0°～90°范圍內自由轉動。

進一步地，每個送風風道末端的球形噴口的數量不少于三個，且呈均勻分布，每個噴口可輸出0～20m/s風速，送風角度可在正負30°范圍內通過人工或執行機構調整。

應用于建筑外墻防火性能試驗的環境風場模擬系統，包括至少兩個如上所述的環境風場模擬單元，所有的環境風場模擬單元按照平鋪或上下疊加的方式進行組合，以提供送風斷面為矩形、三角形或梯形等幾何形狀的環境風場；同時該環境風場模擬系統還包括用于支撐和移動各個環境風場模擬單元的支架和萬向輪，以及用于控制系統送風速度和風向的控制系統。

進一步地，為方便升降本發明，所述支架底部還設有升降機構。

具體地說，所述控制系統包括風速采集儀、控制柜及計算機；所述控制柜同時與環境風場模擬單元中的變速風機、電動風閥和球形噴口連接；所述風速采集儀位于球形噴口前端，用于將采集到的風速值反饋給計算機，所述計算機與控制柜連接，用于通過控制柜控制變速風機的轉速、電動風閥的開度及球形噴口的送風角度，使每個送風通道的送風速度和風向穩定在預設值。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

(1)本發明應用廣泛，既可同時縮尺模擬整個建筑外墻不同高度處的環境風場，也可全尺模擬某著火層的室外環境風場，可同時應用于高層及超高層建筑的縮尺及全尺火災試驗。

(2)本發明的環境風場模擬系統可通過支架將多個模擬單元快速組合及拼接，便于模塊化及標準化生產。同時可根據需要將送風斷面組合為矩形、三角形或梯形等幾何形狀，可應用于各種復雜幾何形狀的建筑外墻開口形式。

(3)本發明在垂直方向上設置了多個送風風道，可根據某地環境風場隨高度的變化規律通過控制系統同時模擬多個高度處不同風速風向的環境風場，更加真實地反映出高層及超高層建筑外墻環境風場的分布特性。

(4)本發明的送風末端采用球形噴口的形式，具有送風距離遠及速度衰減慢的優良特性，進行火災試驗時可在保證環境風場模擬系統與縮尺或全尺起火建筑之間安全距離的前提下，為高層及超高層建筑外墻提供符合速度要求的環境風場。

附圖說明

圖1為本發明環境風場模擬系統的結構示意圖。

圖2為本發明環境風場模擬單元的內部結構三視圖及整流格柵左視剖視圖。

圖3為本發明中球形噴口的結構示意圖。

圖4為與本發明配合進行建筑外墻防火性能試驗的試驗裝置的主視圖。

圖5為試驗裝置的俯視剖視圖。

圖6為試驗裝置中部分零部件的結構示意圖。

圖7為試驗裝置中網架的結構示意圖。

其中，附圖標記對應的零部件名稱為：

1-變速風機，2-電動風閥，3-整流格柵，4-送風風道，5-球形噴口，6-支架，7-萬向輪，8-風速采集儀，9-控制柜，10-計算機，11-模擬主墻，12-模擬翼墻，13-燃燒室，14-網架，15-熱電偶傳感器孔位，16-窗口，17-豎直導軌，18-上移動板，19-下移動板，20-左移動板，21-右移動板，22-導軌。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的方式包括但不僅限于以下實施例。

如圖1～3所示，本發明提供了一種可以為高層及超高層建筑外墻防火性能試驗提供外部環境風場條件的送風單元及系統。其單元包括殼體，以及設置于殼體內的變速風機1、可任意調節開度的電動風閥2、促進送風均勻性的整流格柵3、送風風道4，設置于送風風道末端的球形噴口5(球形噴口的數量及分布方式可任意調整，本實施例中，球形噴口數量至少為九個，且呈均勻分布)。其系統包括多個單元(可按平鋪或上下疊加等方式進行任意組合，圖1所示為上下疊加方式)，用于支撐和移動各單元的支架6及萬向輪7，以及包含風速采集儀8、控制柜9及計算機10在內的用于控制系統送風速度和風向的控制系統。同時，當進行全尺火災實驗時，為使本發明能夠更好地匹配不同高度的建筑外墻開口形式，所述支架6底部還設有升降機構，可根據實際需要調節整個系統的升降。

本發明使用時，啟動變速風機1，位于球形噴口5前端的風速采集儀8將采集到的風速值反饋給計算機10，計算機10通過控制柜9控制變速風機1的轉速、電動風閥2的開度以及球形噴口5的送風角度，使每個送風通道的送風速度和風向穩定在預設值。當本發明用于全尺火災實驗以模擬某著火層的實際室外環境風場時，由于風速在垂直方向變化較小，可將所有電動風閥2設置為全開，所有變速風機的送風量設置為同一所需風量，以提供風速均勻的送風面。當本發明用于縮尺火災實驗以模擬整個建筑外墻的環境風場時，可通過調節各送風通道內電動風閥的開度將不同高度處的各送風速度設置為所需大小。

本發明通過合理的結構設計，利用變速風機、電動風閥以及球形噴口之間的配合，能夠很好地實現建筑外部環境風場的模擬，使高層及超高層建筑外墻防火性能試驗更加真實可靠，所獲取的試驗數據可為防火滅火策略的制定及人員疏散的決策提供重要參考。

下面列舉一種防火性能試驗裝置，以便闡述其與環境風場模擬裝置配合實現建筑外墻構造形式的防火性能測試。本實施例所列舉的試驗裝置，能很好地模擬出高層及超高層建筑外墻等結構形式對溢流火焰行為的影響。而關于這方面的現有技術，均無法滿足建筑外墻形式防火性能試驗裝置的需求。

如圖4～7所示，本實施例所述的試驗裝置包括模擬主墻11、模擬翼墻12、燃燒室13、網架14、調節機構。所述模擬主墻11下部開設有窗口16，所述燃燒室13設置在該模擬主墻11旁，并且其上設有與窗口16連通的開口。燃燒室13用于模擬燃燒，從而產生火焰，并經由窗口16溢流到模擬主墻11上。具體地說，所述燃燒室13內設有燃燒器組件，該燃燒器組件包括設置在燃燒室13內的支架，放置在該支架上的電子天平，放置在該電子天平上的支架底盤，以及設置在支架底盤上的燃燒器；電子天平通過支架可以測得支架底盤上燃燒器的質量變化。所述的調節機構則用于改變燃燒室上的開口的尺寸大小，以便實現對建筑溢流火焰影響的模擬研究，具體地說，該調節機構包括設置在燃燒室13內、且位于開口兩邊的豎直導軌17，同時與兩個豎直導軌滑動連接的上移動板18，同時與兩個豎直導軌滑動連接的下移動板19，同時與上移動板18和下移動板19滑動連接的左移動板20，以及同時與上移動板18和下移動板19滑動連接的右移動板21。通過調整上下移動板或左右移動板的間距，即可實現開口大小的改變。

所述的模擬翼墻12有兩個，分設于模擬主墻11兩側，并且水平對應。本實施例中，兩個模擬翼墻同時與一導軌22滑動，如此可以實現兩個模擬翼墻的左右移動，從而改變兩個模擬翼墻的間距，實現翼墻間距變化的溢流火焰行為的研究。同時，模擬翼墻可以為防火玻璃，從而可以對火焰的形態進行直接觀測。

所述的網架14設置在模擬主墻和兩個模擬翼墻所形成的空間內，其上設置有熱流傳感器，并且靠近模擬主墻7的一側還均勻布有熱電偶傳感器孔位15(直徑為3mm)，用于安裝熱電偶。

在進行建筑外墻防火性能試驗時，將本發明安置于兩個模擬翼墻旁，且送風面對準模擬主墻和兩個模擬翼墻所形成的空間，然后分別調節燃燒室上的開口大小，并啟動變速風機1，通過控制變速風機1的轉速、電動風閥2的開度以及球形噴口5的送風角度，使每個送風通道的送風速度和風向穩定在預設值。然后在燃燒室內模擬燃燒，產生火焰，并通過本發明使模擬主墻和兩個模擬翼墻所形成的空間內產生外部環境風場。在結合環境風場的前提下，所述的試驗裝置可以更真實地模擬出高層及超高層建筑某個外墻溢流火焰的行為，然后由熱流傳感器和熱電偶分別實時測量模擬主墻上的熱流密度及溫度，進而獲得真實、準確的數據。

本實施例所述的試驗裝置，其利用燃燒室上的開口及模擬主墻上的窗口設計，可實現室內溢流火的火災場景及不同建筑外墻形勢下的防火性能研究。通過窗口左右、上下可移動板的設計，并配合本發明對建筑外墻環境風場的設計(同時在不同高度處模擬出不同的風速值)，實現了不同高層及超高層建筑窗口對溢流火焰行為影響的研究。而通過兩個模擬翼墻的活動安裝，并調整兩個模擬翼墻的間距位置，可以實現模擬翼墻對建筑外墻火焰行為影響的研究。可以說，在配合本發明后，所述的試驗裝置很好地促進了高層及超高層建筑外墻翼墻間距變化對溢流火焰行為影響及對窗口面積變化對溢流火焰影響的研究，為高層及超高層建筑消防安全設計提供了參考。

上述實施例僅為本發明的優選實施方式之一，不應當用于限制本發明的保護范圍，凡在本發明的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本發明一致的，均應當包含在本發明的保護范圍之內。