模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统及方法

摘要

本发明公开了模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统及方法，涉及建筑火灾消防技术领域，包括热‑声耦合加载系统、动态信息监测系统、排烟除尘系统、气幕喷淋系统、数据存储及传输系统和无线控制系统共同组成的多系统、同步性试验系统。本发明采用局部与整体相结合的方法模拟火灾中玻璃动态行为，实时监测火灾中玻璃的声发射、温度、应力、形变和裂纹的数据变化，从宏观和微观综合分析火场中玻璃整体的温度场、应力场、应变场及裂纹尖端区域的塑性变形和断裂。本测试系统操作安全、效率高、成本低，能高效的全方位获取玻璃在火灾场景中的动态信息。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑火灾消防技术领域，特别涉及模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统及方法。

背景技术

在现代建筑中，玻璃应用极其广泛，作为建筑中普遍采用的重要构件之一应用于建筑物的门、窗、顶棚、墙体等部位。其自身较好的采光性、实用性、艺术性使其成为建筑师和业主的“宠儿”。

与墙体相比玻璃虽然也是不可燃物，但玻璃为脆性材料，特别是在火场中在热载荷作用下非常容易发生形变、破裂甚至脱落，从而形成新的通风口和新的火焰蔓延通道，形成轰然和回燃现象，加快了烟气和火快速蔓延。造成人员疏散和消防队员作战的困难，使建筑内的人员与财物面临更大的火灾危害。分析玻璃在火场中的动态行为，实现建筑中玻璃构件的科学设计与合理使用，对于保障建筑消防安全具有重要的意义。

现有技术中公开的相关热载荷下玻璃测试分析系统，功能相对单一不能很好的综合玻璃在热载荷下的多种行为研究。全尺寸热释放速率实验台，它能够较为真实地模拟受限空间的火灾温度分布，但该实验台并不是专门用来研究玻璃的破裂脱落，对于导致玻璃破裂脱落的一些影响因素考虑不够全面。自行设计的实验台，其一般以小尺寸为主，这类实验台可改变的实验工况不多，仅能实现少数工况的更换，如改变玻璃种类、安装方式等，这些试验台较难实现对火场中玻璃在温度、声波耦合作用下不同行为的研究。

在大型建筑火灾中，热声耦合引起的燃烧不稳定一直是研究的一个重点。自上世纪90年代中期以来，随着燃烧学和声学理论的发展和计算机以及计算理论和技术的发展，对燃烧过程的热—声耦合机理及其控制理论和技术的研究获得了巨大进展。Candel在其综述文献中认为“燃烧动力学问题构成了燃烧研究领域的最大的挑战”，并且将“火焰和声的耦合”机理研究列为近年来在动力学研究中所取得的最有价值的成果之一。声振与放热脉动耦合是建筑火灾燃烧室内出现破坏性的振荡燃烧的根本原因，也是振荡燃烧的重要特征。而火场中，玻璃的破坏损伤不仅有火源的温度效应，也存在声波破坏。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统及方法。该装置能够实现对火场中玻璃动态行为的全方位研究，在多工况、多因素变化的前提下进行玻璃声发射特性、温度、应力、形变、裂纹的研究。

发明内容

本发明实施例提供了模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统及方法，用以解决现有技术中存在的问题。

模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统，包括热-声耦合加载系统、动态信息监测系统、排烟除尘系统、气幕喷淋系统、数据存储及传输系统和无线控制系统；

所述热-声耦合加载系统包括耐高温绝热板房，所述耐高温绝热板房内部底面设置热声脉动耦合燃烧室，所述热声脉动耦合燃烧室一侧设置点火电极，所述点火电极电线连接所述耐高温绝热板房外部的点火发生器，所述点火发生器电线连接控制器一；

所述动态信息监测系统包括可视化绝热箱，所述可视化绝热箱内部设置玻璃支架，所述玻璃支架上安装位移传感器、裂纹传感器、应力传感器、温度传感器一和声发射传感器，所述位移传感器、所述裂纹传感器、所述应力传感器、所述温度传感器一和所述和声发射传感器均电线连接巡检仪；所述可视化绝热箱外部设置高速摄影仪、动焦散射仪和高速红外热成像仪一，所述高速摄影仪、所述动焦散射仪和所述高速红外热成像仪一均电线连接图像采集仪；

所述排烟除尘系统包括排烟除尘罩，所述排烟除尘罩安装在所述耐高温绝热板房的顶部，所述排烟除尘罩通过导管连接防爆抗高温风机，所述防爆抗高温风机通过导管连接油烟处理器；

所述气幕喷淋系统包括喷头，所述喷头安装在所述可视化绝热箱的顶部，所述喷头通过导管依次连接球阀一、压力表和抽气泵，所述抽气泵通过导管依次连接流量计、球阀二和高压气罐，所述抽气泵连接控制器四；

所述数据存储及传输系统包括所述巡检仪，所述巡检仪电线连接数据采集仪，所述图像采集仪分别电线连接控制器二、控制器三和数据采集仪，所述控制器三电线连接打印机，所述数据采集仪电线连接所述控制器二，所述控制器一、控制器二、控制器三和控制器四均电线连接通讯模块；

所述无线控制系统包括所述通讯模块，所述通讯模块电线连接上位机，所述上位机电线连接无线路由器，所述无线路由器无线连接控制屏。

较佳地，所述高压气罐内部为二氧化碳气体。

较佳地，所述位移传感器的探头延长段采用石英玻璃棒。

较佳地，所述玻璃支架包括底座，所述底座为一个“U”型凹槽，所述底座上部通过转轴转动连接玻璃固定框，所述转轴通过智能旋转控制器连接旋转量角器，所述玻璃固定框内固定玻璃。

较佳地，所述声发射传感器的具体配置为谐振式探头R15、PAC专用前置放大器和PCI-2采集卡。

较佳地，所述高速红外热成像仪一采用AVID TVS-8000MK型号。

较佳地，所述热-声耦合加载系统包括热声脉动耦合燃烧室和点火电极，所述热声脉动耦合燃烧室上方设置物料出入口，所述热声脉动耦合燃烧室依次电线连接转子流量计一和自动配气柜，所述自动配气柜分别电线连接转子流量计二、转子流量计三和数据采集仪，所述转子流量计二依次电线连接电磁阀一和燃气瓶，所述转子流量计三依次电线连接电磁阀二和空气瓶，所述热声脉动耦合燃烧室依次通过导管连接真空表和真空泵，所述真空泵电线依次连接电磁阀三和数据采集仪，所述热声脉动耦合燃烧室外部喷火处设置温度传感器二和音频传感器，所述温度传感器二的探头上安装微细热电偶，所述音频传感器的探头上安装音频探头，所述温度传感器二和所述音频传感器均电线连接温度/音频巡检仪，所述数据采集仪分别电线连接高速红外热成像仪二和所述温度/音频巡检仪。

模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试方法，包括如下步骤：

S1、安装玻璃：将待测试的玻璃安装于旋转支架上，并将温度传感器一、应力传感器、位移传感器和裂纹传感器均安装于玻璃正表面；

S2、启动点火热声脉动耦合燃烧室：在热声脉动耦合燃烧室内装满油，通过控制器一控制点火发生器打火点燃热声脉动耦合燃烧室中的燃料，从而实现对测试玻璃的加热；

S3、数据监测与输出：通过控制屏联合同步控制器二，实现玻璃表面温度、应力、位移、裂纹等参数同步在线监测，启动通讯模块，开启控制器三，将输出的参数、图像在打印机上进行实时打印；

S4、喷气降温：当测试的玻璃表面温度上升至熔点时，采用控制屏联合控制器四，向可视化绝热箱内注入二氧化碳，同时进行实时监测玻璃表面温度、应力、位移、裂纹等参数；

S5、排烟除尘：手动开启防爆抗高温风机，将耐高温绝热板房内的烟气抽出至油烟处理器。

本发明有益效果：本发明采用局部与整体相结合的方法模拟火灾中玻璃动态行为，实时监测火灾中玻璃的声发射、温度、应力、形变和裂纹的数据变化，从宏观和微观综合分析火场中玻璃整体的温度场、应力场、应变场及裂纹尖端区域的塑性变形和断裂。本测试系统操作安全、效率高、成本低，能高效的全方位获取玻璃在火灾场景中的动态信息。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统的结构示意图；

图2为玻璃支架的结构示意图；

图3为热-声耦合加载系统的结构示意图；

图4为五种传感器在玻璃表面安装图。

附图标记说明：

1-耐高温绝热板房，2-热声脉动耦合燃烧室，3-点火电极，4-点火发生器，5-控制器一，6-控制器二，7-控制器三，8-控制器四，9-可视化绝热箱，10-玻璃支架，11-喷头，12-巡检仪，13-数据采集仪，14-位移传感器，15-裂纹传感器，16-应力传感器，17-温度传感器一，18-声发射传感器，19-高速摄影仪，20-动焦散射仪，21-高速红外热成像仪一，22-图像采集仪，23-打印机，24-压力表，25-抽气泵，26-流量计，27-球阀一，28-球阀二，29-高压气罐，30-排烟除尘罩，31-防爆抗高温风机，32-油烟处理器，33-通讯模块，34-上位机，35-无线路由器，36-控制屏，37-底座，38-玻璃固定框，39-转轴，40-旋转量角器，41-玻璃，42-物料出入口，43-转子流量计一，44-转子流量计二，45-转子流量计三，46-自动配气柜，47-电磁阀一，48-电磁阀二，49-燃气瓶，50-空气瓶，51-数据采集仪，52-真空泵，53-电磁阀三，54-真空表，55-高速红外热成像仪二，56-微细热电偶，57-温度传感器二，58-音频探头，59-音频传感器，60-温度/音频巡检仪。

具体实施方式

下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图1，本发明提供了模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试系统，包括热-声耦合加载系统、动态信息监测系统、排烟除尘系统、气幕喷淋系统、数据存储及传输系统和无线控制系统；

所述热-声耦合加载系统包括耐高温绝热板房1，所述耐高温绝热板房1内部底面设置热声脉动耦合燃烧室2，所述热声脉动耦合燃烧室2一侧设置点火电极3，所述点火电极3电线连接所述耐高温绝热板房1外部的点火发生器4，所述点火发生器4电线连接控制器一5；

所述动态信息监测系统包括可视化绝热箱9，所述可视化绝热箱9内部设置玻璃支架10，所述玻璃支架10上安装位移传感器14、裂纹传感器15、应力传感器16、温度传感器一17和声发射传感器18，所述位移传感器14、所述裂纹传感器15、所述应力传感器16、所述温度传感器一17和所述声发射传感器18均电线连接巡检仪12；所述可视化绝热箱9外部设置高速摄影仪19、动焦散射仪20和高速红外热成像仪一21，所述高速摄影仪19、所述动焦散射仪20和所述高速红外热成像仪一21均电线连接图像采集仪22。

所述声发射传感器18的具体配置为谐振式探头R15、PAC专用前置放大器和PCI-2采集卡。前置放大器门槛电压值设为40dB，采样频率为2MHZ。AE探头涂上藕合剂，然后用胶布固定在试样上。

所述位移传感器14的探头的延长段采用石英玻璃棒，其特征是耐高温、低导热系数、低热胀系数，同时还有以下优点：

1、能够在高温环境下进行位移及变形的直接随时测量；

2、测量位移及变形时的允许工作温度可介于-31℃～1410℃；

3、位移及变形测量精度高，具有很高的线性度(优于±0.05％)和分辨率，与LVDT无延长段时的测量精度相当；

4、位移传感器主体与延长段的连接方式灵活，可拆卸、保存及携带方便；

5、该石英玻璃高温位移传感器可以根据实际情况灵活地选择不同长度的延长段与仪器主体相连接。

所述排烟除尘系统包括排烟除尘罩30，所述排烟除尘罩30安装在所述耐高温绝热板房1的顶部，所述排烟除尘罩30通过导管连接防爆抗高温风机31，所述防爆抗高温风机31通过导管连接油烟处理器32；

所述气幕喷淋系统包括喷头11，所述喷头11安装在所述可视化绝热箱9的顶部，所述喷头11通过导管依次连接球阀一27、压力表24和抽气泵25，所述抽气泵25通过导管依次连接流量计26、球阀二28和高压气罐29，所述抽气泵25连接控制器四8，所述高压气罐29内部为二氧化碳气体。

所述数据存储及传输系统包括所述巡检仪12，所述巡检仪12电线连接数据采集仪13，所述图像采集仪22分别电线连接控制器二6、控制器三7和数据采集仪13，所述控制器三7电线连接打印机23，所述数据采集仪13电线连接所述控制器二6，所述控制器一5、控制器二6、控制器三7和控制器四8均电线连接通讯模块33；

所述无线控制系统包括所述通讯模块33，所述通讯模块33电线连接上位机34，所述上位机34电线连接无线路由器35，所述无线路由器35无线连接控制屏36。

参照图2，所述玻璃支架10包括底座37，所述底座37为一个“U”型凹槽，所述底座37上部通过转轴39转动连接玻璃固定框38，所述转轴39通过智能旋转控制器连接旋转量角器40，所述玻璃固定框38内固定玻璃41，从而远程控制玻璃框架带动玻璃实现任意角度旋转，当需要改变测试玻璃的角度时，通过控制端程序输入旋转角度即可自动实现测试玻璃的转动。

参照图3，为热-声耦合加载系统，主要为模拟建筑火灾下的热声耦合效应；所述热-声耦合加载系统包括热声脉动耦合燃烧室2和点火电极3，所述热声脉动耦合燃烧室2上方设置物料出入口42，所述热声脉动耦合燃烧室2依次电线连接转子流量计一43和自动配气柜46，所述自动配气柜46分别电线连接转子流量计二44、转子流量计三45和数据采集仪51，所述转子流量计二44依次电线连接电磁阀一47和燃气瓶49，所述转子流量计三45依次电线连接电磁阀二48和空气瓶50，所述热声脉动耦合燃烧室2依次通过导管连接真空表54和真空泵52，所述真空泵52电线依次连接电磁阀三53和数据采集仪51，所述热声脉动耦合燃烧室2外部喷火处设置温度传感器二57和音频传感器59，所述温度传感器二57的探头上安装微细热电偶56，所述音频传感器59的探头上安装音频探头58，所述温度传感器二57和所述音频传感器59均电线连接温度/音频巡检仪60，所述数据采集仪51分别电线连接高速红外热成像仪二55和所述温度/音频巡检仪60。

所述高速红外热成像仪一21和高速红外热成像仪二55采用AVID TVS-8000MK型号。该热像仪采用测量波段为4-4.6um的320X240像素斯特林循环制冷的混成二维InSb传感器，温度分辨率为0.250C,测温范为40-320℃，最大帧速60帧/秒。

实施步骤为：如若燃料为燃气，燃气瓶为天然气(浓度比例97％)，先将热-声耦合脉动燃烧室抽真空，其次，向燃烧室内通入一定比例天然气和空气后进行高压点火，火焰面对玻璃进行连续性加热；若为固体燃料，将固体燃料从物料入口投入，加入空气后点火，火焰面对玻璃进行连续性加热。采用音频传感器及温度传感器分别探测火焰音频相位及温度，传感器间间隔0.1m；音频传感器精度：±1％，分辨率：1Hz；温度传感器精度：0.2℃。燃烧室为两侧耐高温钢板，两侧密封玻璃焊接而成。

参照图4，为五种传感器在玻璃表面安装图：传感器纵向间距0.15H，横向间距0.15L，传感器距离玻璃上、下边缘分别为0.2H，距离左右边缘分别为0.2L。

整套测试系统可以通过控制屏远程智能控制，在方便快捷精准的同时确保实验人员的安全。各分系统装有可远程控制的智能芯片和接收器，控制屏先和智能开关绑定，智能开关连接WIFI，能连接网络。控制屏通过程序，登陆绑定的智能开关，智能开关接收到对应的信号，执行对应的操作,发送控制信号指挥测试实验的全过程，测试玻璃手动安装完成后，全套装置即可实现智能控制进行，远程控制电子打火器打火点燃热声脉动耦合燃烧室中的燃料，从而实现对测试玻璃的加热，于此同时向测试系统发布工作命令，整套系统开始工作，测试完成后，控制屏端终止程序，所有数据采集器保存数据并传输计算机保存。

模拟热声耦合作用下玻璃动态行为的测试方法，包括如下步骤：

S1、安装玻璃：将待测试的玻璃安装于旋转支架上，并将温度传感器一、应力传感器、位移传感器和裂纹传感器均安装于玻璃正表面；

S2、启动点火热声脉动耦合燃烧室：在热声脉动耦合燃烧室内装满油，通过控制器一控制点火发生器打火点燃热声脉动耦合燃烧室中的燃料，从而实现对测试玻璃的加热；

S3、数据监测与输出：通过控制屏联合同步控制器二，实现玻璃表面温度、应力、位移、裂纹等参数同步在线监测，启动通讯模块，开启控制器三，将输出的参数、图像在打印机上进行实时打印；

S4、喷气降温：当测试的玻璃表面温度上升至熔点时，采用控制屏联合控制器四，向可视化绝热箱内注入二氧化碳，同时进行实时监测玻璃表面温度、应力、位移、裂纹等参数；

S5、排烟除尘：手动开启防爆抗高温风机，将耐高温绝热板房内的烟气抽出至油烟处理器。

综上所述，本发明采用局部与整体相结合的方法模拟火灾中玻璃动态行为，实时监测火灾中玻璃的声发射、温度、应力、形变和裂纹的数据变化，从宏观和微观综合分析火场中玻璃整体的温度场、应力场、应变场及裂纹尖端区域的塑性变形和断裂。本测试系统操作安全、效率高、成本低，能高效的全方位获取玻璃在火灾场景中的动态信息。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。