CN114720625B - 模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统，包括：样品台，用于放置待测板材；初起火源模拟装置，设置于待测板材的一侧，包括形状及功率被配置为用于模拟不同类型的初起火源的燃烧器；温度检测装置，包括：热电偶测温阵列和红外测温装置，提出基于烧穿位置预判的热电偶布置方法，实现烧穿前后木质板材表面温度分布特征精准测量；图像采集装置；数据采集与分析装置，包括：数据采集模块，采集温度数据和图像数据，温度分析模块，根据温度数据得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化，图像分析模块，根据图像数据得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数。

Description

模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统

技术领域

本发明属于火灾科学与建筑安全技术领域，特别涉及一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统。

背景技术

文物建筑中的大多数都为木结构建筑，火灾会对历史研究与文化传承造成不可挽回的损失。其中，木板是木结构建筑中一种典型的构件，大量存在于门、墙板等围合构件中。堆积或者靠近木板构件的典型可燃物，在这里定义为初起火源，如纸制品、织物、塑料制品极易被电弧、明火所引燃。近年来，木结构文物建筑的火灾多与初起火源引起整体木结构建筑起火和燃烧有关，例如2014年云南香格里拉独克宗古城大火、2015年云南巍山古城拱辰楼火灾、2021年云南翁丁老寨大火等。

在建筑火灾早期，初起火源较小且通常对木板单侧进行加热，木板受热不均极易被烧穿，木板整体热释放速率和对外辐射显著增加，使火灾由早期阶段向轰燃阶段过渡，并影响火焰向外围的蔓延扩展过程。但现有研究中对火灾早期阶段的初起火源非均匀加热场景关注较少，有关木质板材烧穿的实验测试装置大多为耐火测试装置，将木板置于燃烧炉内，木板一侧接受均匀的火焰加热，燃烧炉内的温度按室内火灾标准升温曲线上升，测试木板在室内轰燃发生之后产生的高温环境中的耐火极限。由于标准升温曲线早期升温速率远高于实际火灾环境，并且耐火测试装置的主体是耐火炉，仅能得到烧穿时间、炭化速率等有限参数，无法获得烧穿全过程现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统，能够实现在初起火源作用下木质板材烧穿关键参数的测量，认识初起火源非均匀热流作用下木质板材烧穿过程，进而揭示木质板材烧穿内在机理。

为达上述目的，本发明提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统，包括：

样品台，用于放置待测板材，待测板材包括防火板或将被烧穿的木质板材；

初起火源模拟装置，设置于待测板材的一侧，包括燃烧器，燃烧器的形状及功率被配置为用于模拟不同类型的初起火源，待测板材靠近燃烧器的一面为受火面，远离燃烧器的一面为背火面；

温度检测装置，包括：

热电偶测温阵列，为在距离防火板受火面1-3mm处均匀设置，在木质板材的第一区域密集设置以及在除第一区域外的第二区域稀疏设置，用于实时测量防火板在受热过程中的第一温度数据，以及木质板材燃烧过程中的第二温度数据；以及

红外测温装置，设置于木质板材的背火面，实时测量木质板材燃烧过程中的背火面的第三温度数据；

图像采集装置，用于实时获取在燃烧过程中木质板材的受火面、背火面以及侧面的燃烧状态的图像数据，其中，燃烧状态包括开始炭化、烧穿、出现间歇火苗、出现连续火焰以及形成火蔓延；以及

数据采集与分析装置，包括：

数据采集模块，用于采集热电偶测温阵列的第一温度数据和第二温度数据，以及红外测温装置的第三温度数据，其中第二温度数据包括受火面温度数据和背火面温度数据，以及图像采集装置的图像数据；

温度分析模块，用于对数据采集模块采集的第一温度数据、第二温度数据和第三温度数据进行分析，以将距离防火板1-3mm处的火焰温度达800℃以上的区域确定为第一区域，以及根据背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化；以及

图像分析模块，用于对数据采集模块所采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，炭化行为参数及开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明的实施例，温度检测装置还包括：支架，用于固定热电偶测温阵列，支架能够移动来调节热电偶的间距。

根据本发明的实施例，图像采集装置包括至少三部高清摄像机，分别设置于木质板材的受火面、背火面和侧面。

根据本发明的实施例，初起火源选自纸制品、织物或塑料制品，其中，纸制品选自书籍、字画、供火纸等中的至少一种，织物选自锦旗、帷幔、窗帘、袈裟、经幡等中的至少一种，塑料制品选自塑料尼龙网、塑料雨布、电线绝缘皮等中的至少一种。

根据本发明的实施例，按照初起火源类型选取火源功率，对于纸制品，功率上限为40-60kW；对于织物，功率上限为15-45kW；对于塑料制品，功率上限为5-25kW。

根据本发明的实施例，火源形状按照初起火源摆放形式，分为线性燃烧器、圆形燃烧器和矩形燃烧器，火源覆盖范围广，可模拟多种真实木结构建筑火灾早期场景。

根据本发明的实施例，动态分析系统还包括气体检测装置，设置于木质板材的上方，对木质板材燃烧后产生的气体进行收集并检测，数据采集模块还用于采集气体检测装置的气体检测数据，其中，气体检测数据包括O₂、CO₂及CO浓度数据，数据采集与分析装置还包括气体分析模块，用于对数据采集模块采集的气体检测数据进行分析，得到木质板材燃烧时的实时热释放速率，辅助判别木质板材的烧穿时间。

根据本发明的实施例，气体检测装置包括：

集烟罩，设置于木质板材上方；

风机，通过气体采集管道与集烟罩相连，用于将木质板材燃烧过程中产生的气体自集烟罩抽出至气体采集管道；

探针，设置于气体采集管道内，用于对收集到的气体进行取样；以及

气体分析仪，用于对收集到的气体浓度进行测量。

根据本发明的实施例，样品台包括：

质量检测装置，用于对木质板材燃烧过程中的质量进行实时检测，数据采集模块还用于采集质量检测装置的质量数据；以及

板材固定结构，用于将木质板材固定到质量检测装置上；

所述数据采集与分析装置还包括质量分析模块，用于对所述数据采集模块采集的质量数据进行分析，以获得所述木质板材烧穿前后质量损失速率典型突变情况。

根据本发明的实施例，初起火源模拟装置还包括：

气体容器，用于存储可燃气体，通过输气管道与燃烧器连接；

减压阀，靠近气体容器，用于控制输气管道内的气体压力；

止回阀，用于防止可燃气体燃烧的火焰回流到气体容器；

流量控制器，用于调控可燃气体的流量大小；以及

点火器，设置于燃烧器一侧，用于引燃可燃气体。

根据本发明的实施例，数据采集模块包括数据采集补偿导线，能够在木质板材燃烧过程中进行实时数据的有效传输；数据分析模块还用于对数据采集模块所采集的实时数据进行显示和储存。

本发明还提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析方法，利用上述动态分析系统进行执行，包括：

根据初起火源特征选择燃烧器的形状及功率；

在燃烧器为开启状态下，通过热电偶测温阵列实时测量固定于样品台的防火板在受热过程中的第一温度数据，其中热电偶测温阵列在距离防火板受火面1-3mm处均匀设置，第一温度数据用于确定第一区域为距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域；

在将防火板替换为木质板材后，将热电偶测温阵列在木质板材的第一区域内密集布置，以及在除第一区域外的第二区域内稀疏布置；

在热电偶测温阵列、红外测温装置和图像采集装置为开启状态下，利用数据采集模块在预设时间内采集环境数据之后，点燃燃烧器以对木质板材的受火面持续加热；

利用温度分析模块对数据采集模块采集的木质板材燃烧过程中的第二温度数据和第三温度数据进行分析，以根据背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化；

利用图像分析模块对数据采集模块采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，炭化行为参数及开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明的实施例，利用图像分析模块对数据采集模块采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数包括：

通过对图像数据进行灰度化及二值化处理，得到对应于木质板材燃烧过程中不同时刻的多幅二值图；

基于多幅二值图统计木质板材在烧穿前背火面的炭化痕迹区域的像素值以得到烧穿前不同时刻的炭化面积，以及在不同背火面位置处炭化痕迹出现的时间以确定与背火面位置对应的沿板材厚度方向的炭化速率，其中以炭化面积和炭化速率为炭化行为参数实现炭化锋面推进过程的动态反演建模；

基于多幅二值图统计木质板材在烧穿后的烧穿位置及开裂形态，以烧穿位置和开裂形态为开裂特性参数结合所述炭化行为参数建立模拟初起火源作用下木质板材烧穿数据库，数据库中包含木质板材在烧穿前的与所述炭化行为参数对应的炭化图像以及烧穿后的与所述开裂特性参数对应的开裂图像；

基于多幅二值图统计木质板材在烧穿后的火焰形态，以得到火苗间歇概率及火蔓延行为，以火苗间歇概率及火蔓延行为为火焰行为参数来揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明的实施例，利用气体分析模块对数据采集模块采集的气体检测数据进行分析，其中所述气体检测数据包括O₂、CO₂及CO浓度数据，以基于耗氧法得到所述木质板材燃烧时的实时热释放速率，辅助判别所述木质板材的烧穿时间。

根据本发明的实施例，利用质量分析模块对数据采集模块采集的质量数据进行分析，以获得所述木质板材烧穿前后质量损失速率典型突变情况。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

根据本发明提供的动态分析系统和方法设置初起火源模拟装置，通过改变燃烧器的形状及功率对常见初起火源类型进行模拟，以模拟早期火源非均匀热流加热场景，火源覆盖范围广，可模拟多种真实木结构建筑火灾早期场景。

针对燃烧器的不同形状和功率，本发明提供了一种基于烧穿位置预判的精细热电偶布置方法，预实验使用防火板在受火面布置排列间距较大的热电偶测温阵列，不同初起火源下距离防火板1-3mm处火焰温度高于800℃区域划定为第一区域，作为烧穿可能发生的区域，正式实验中将木质板材的第一区域内布置间距更小的热电偶测温阵列，能够更精细准确地测量提取烧穿前后板材表面温度分布特征，实现对烧穿过程关键区域温度动态变化的精准分析。

根据本发明提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法，设置图像采集装置和图像分析模块，实时获取木质板材燃烧过程中受火面、背火面和侧面的燃烧状态的图像数据，得到所述木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，建立炭化锋面推进过程模型和木质板材烧穿数据库，揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法可实现木质板材烧穿全过程多个关键参数的动态采集与耦合分析，并揭示烧穿发生全过程木质板材燃烧行为的突变机制。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的动态分析系统的结构示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的动态分析系统中数据采集与分析装置的系统示意图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的动态分析方法中第一区域位置的确定方法示意图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的动态分析方法中图像分析模块中的炭化痕迹的采集分析图；

图5示意性示出了根据本发明实施例的动态分析方法中根据气体分析模块得到的热释放实时变化曲线图；

图6示意性示出了根据本发明实施例的动态分析系统中各装置功能示意图。

【附图标记说明】

1-样品台；11-质量检测装置；12-板材固定结构；121-底座；122-框架；

2-初起火源模拟装置；21-燃烧器；22-输气管道；23-气体容器；231-总阀；232-气瓶；24-减压阀；25-止回阀；26-流量控制器；27-点火器；

3-温度检测装置；31-红外测温装置；

4-图像采集装置；41-高清摄像机；42-高清摄像机；43-高清摄像机；

5-气体检测装置；51-集烟罩；52-气体采集管道；521-导流片；53-风机；54-探针；55-气体分析仪；56-采样管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统，包括：

样品台，用于放置待测板材，待测板材包括防火板或将被烧穿的木质板材；

初起火源模拟装置，设置于待测板材的一侧，包括燃烧器，燃烧器的形状及功率被配置为用于模拟不同类型的初起火源，待测板材靠近燃烧器的一面为受火面，远离燃烧器的一面为背火面；

温度检测装置，包括：

热电偶测温阵列，为在距离防火板受火面1-3mm处均匀设置，在木质板材的第一区域密集设置以及在除第一区域外的第二区域稀疏设置，用于实时测量防火板在受热过程中的第一温度数据，以及木质板材燃烧过程中的第二温度数据；以及

红外测温装置，设置于木质板材的背火面，实时测量木质板材燃烧过程中的背火面的第三温度数据；以及

图像采集装置，用于实时获取在燃烧过程中木质板材的受火面、背火面以及侧面的燃烧状态的图像数据，其中，燃烧状态包括开始炭化、烧穿、出现间歇火苗、出现连续火焰以及形成火蔓延；

数据采集与分析装置，包括：

数据采集模块，用于采集热电偶测温阵列的第一温度数据和第二温度数据，以及红外测温装置的第三温度数据，其中第二温度数据包括受火面温度数据和背火面温度数据，以及图像采集装置的图像数据；

温度分析模块，用于对数据采集模块采集的第一温度数据、第二温度数据和第三温度数据进行分析，以将距离防火板1-3mm处的火焰温度达800℃以上的区域确定为第一区域，以及根据背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化；以及

图像分析模块，用于对数据采集模块所采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，炭化行为参数及开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

本发明还提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析方法，利用上述动态分析系统进行执行，包括：

根据初起火源特征选择燃烧器的形状及功率；

在燃烧器为开启状态下，通过热电偶测温阵列实时测量固定于样品台的防火板在受热过程中的第一温度数据，其中热电偶测温阵列在防火板的受火面内均匀设置，第一温度数据用于确定第一区域为距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域；

在将防火板替换为木质板材后，将热电偶测温阵列在木质板材的第一区域内密集布置，以及在除第一区域外的第二区域内稀疏布置；

在热电偶测温阵列、红外测温装置和图像采集装置为开启状态下，利用数据采集模块在预设时间内采集环境数据之后，点燃燃烧器以对木质板材的受火面持续加热；

利用温度分析模块对数据采集模块采集的木质板材燃烧过程中的第二温度数据和第三温度数据进行分析，以根据背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化；

利用图像分析模块对数据采集模块采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，炭化行为参数及开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法，设置初起火源模拟装置，通过改变燃烧器的形状及功率对常见初起火源类型进行模拟，以模拟早期火源非均匀热流加热场景，火源覆盖范围广，可模拟多种真实木结构建筑火灾早期场景。

针对燃烧器的不同形状和功率，本发明提供了一种基于烧穿位置预判的精细热电偶布置方法，预实验使用防火板在受火面布置排列间距较大的热电偶测温阵列，基于不同初起火源下距离防火板1-3mm处火焰温度高于800℃区域划定第一区域，作为烧穿可能发生的区域，正式实验中将木质板材的第一区域内布置间距更小的热电偶测温阵列，能够更精细准确地测量提取烧穿前后板材表面温度分布特征，实现对烧穿过程关键区域温度动态变化的精准分析。

根据本发明提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法，设置图像采集装置和图像分析模块，实时获取木质板材燃烧过程中受火面、背火面和侧面的燃烧状态的图像数据，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，建立炭化锋面推进过程模型和木质板材烧穿数据库，揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法可实现木质板材烧穿全过程多个关键参数的动态采集与耦合分析，并揭示烧穿发生全过程木质板材燃烧行为的突变机制。

图1示意性示出了根据本发明实施例的动态分析系统的结构示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的动态分析系统中数据采集与分析装置的系统示意图。

如图1-2所示，模拟木质板材烧穿过程的动态分析装置包括：样品台1，初起火源模拟装置2，温度检测装置3，图像采集装置4，数据采集与分析装置。

根据本发明的实施例，样品台1用于放置待测板材，待测板材包括防火板或将被烧穿的木质板材。样品台1包括：质量检测装置11和板材固定结构12，质量检测装置11用于对木质板材的质量进行实时检测，板材固定结构12用于将木质板材固定到质量检测装置上。

根据本发明的实施例，板材固定结构12包括：底座121，设置于质量检测装置11表面，防止燃烧对质量检测装置11造成损坏；框架122，对木质板材进行固定，通过连接件固定于底座121。

根据本发明的实施例，质量检测装置11优选为高精度电子天平；底座121优选为硅酸钙防火板，框架122优选为不锈钢框架；连接件优选为金属连接件。

根据本发明的实施例，框架122的尺寸可调节，通过改变框架122的尺寸，可以将木质板材垂直、水平放置，竖直放置场景中燃烧器紧贴木质板材一侧，水平放置场景中燃烧器位于木质板材中心位置正下方，能够模拟多场景下木质板材典型烧穿行为。

根据本发明的实施例，初起火源模拟装置2设置于待测板材的一侧，包括燃烧器21，燃烧器21的形状及功率被配置为用于模拟不同类型的初起火源，待测木质板材靠近燃烧器21的一面为受火面，远离燃烧器21的一面为背火面。

根据本发明的实施例，初起火源模拟装置2还包括：输气管道22；气体容器23，用于存储可燃气体，通过输气管道22与燃烧器21连接；减压阀24，靠近气体容器23，用于控制输气管道22内的气体压力；止回阀25，用于防止可燃气体燃烧的火焰回流到气体容器23；流量控制器26，用于调控可燃气体的流量大小；点火器27，设置于燃烧器21一侧，用于引燃可燃气体。

根据本发明的实施例，燃烧器21包括多孔砂岩燃烧器，外壳采用不锈钢制成，内部铺设圆滑砂岩，确保出气均匀，燃烧器上表面分布圆孔阵列，供可燃气体均匀流出，气体流出面积可通过改变圆孔阵列个数调节。

根据本发明的实施例，燃烧器21包括：线性燃烧器、矩形燃烧器、圆形燃烧器，通过改变燃烧器21的形状、大小，实现对于不同初起火源的模拟。

根据本发明的实施例，输气管道22优选为耐摩擦橡胶软管外覆锡箔胶带，可耐高温。可燃气体优选为高压丙烷气体，点火器24设置于燃烧器21出口正上方，为远程自动电打火装置。

根据本发明的实施例，气体容器23包括：总阀231和气瓶232，气瓶232用于存储可燃气体，总阀231用于控制气瓶232的开关。

根据本发明的实施例，温度检测装置3包括：热电偶测温阵列和红外测温装置31，热电偶测温阵列在距离防火板受火面1-3mm处均匀设置，在木质板材两表面的第一区域密集设置以及在除第一区域外的第二区域稀疏设置，用于实时测量防火板在受热过程中的第一温度数据，以及木质板材燃烧过程中的第二温度数据；红外测温装置31，设置于木质板材的背火面，实时测量木质板材燃烧过程中的背火面的第三温度数据。

根据本发明的实施例，热电偶测温阵列通过支架进行固定，并且支架能够通过移动来调节热电偶的间距。热电偶通过锁扣螺丝紧贴在木质板材表面。

根据本发明的实施例，图像采集装置4包括：三部高清摄像机41、42、43，高清摄像机41、42、43分别设置于木质板材的受火面、背火面和侧面，用于实时获取在燃烧过程中木质板材的受火面、背火面以及侧面的燃烧状态的图像数据。

根据本发明的实施例，燃烧状态包括开始炭化、烧穿、出现间歇火苗、出现连续火焰以及形成火蔓延。

根据本发明的实施例，数据采集与分析装置包括：数据采集模块，温度分析模块，图像分析模块。

根据本发明的实施例，数据采集模块用于采集热电偶测温阵列的第一温度数据和第二温度数据，以及红外测温装置的第三温度数据，其中第二温度数据包括受火面温度数据和背火面温度数据，以及图像采集装置的图像数据。

根据本发明的实施例，温度分析模块用于对数据采集模块采集的第一温度数据、第二温度数据和第三温度数据进行分析，以将距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域确定为第一区域，以及根据背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化。

根据本发明的实施例，图像分析模块，用于对数据采集模块所采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，炭化行为参数及开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明的实施例，数据采集模块包括数据采集补偿导线，包括加长耐高温补偿导线，能够在木质板材燃烧过程中进行实时数据的有效传输，数据分析模块还用于对数据采集模块所采集的实时数据进行显示和储存。

根据本发明的实施例，数据采集模块还用于采集质量检测装置11的质量数据，以获得木质板材烧穿前后质量损失速率典型突变情况。

根据本发明的实施例，数据采集模块采集频率为1Hz，能实时记录火灾动态发展过程。

根据本发明的实施例，数据分析模块通过LabVIEW虚拟仪器平台对数据采集模块所采集的实时数据进行实时显示和储存。

根据本发明的实施例，模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统还包括：气体检测装置5，设置于木质板材的上方，对木质板材燃烧后产生的气体进行收集并检测，包括：集烟罩51，设置于木质板材上方；气体采集管道52；风机54，通过气体采集管道52与集烟罩51相连，用于将木质板材燃烧过程中产生的气体自集烟罩51抽出至气体采集管道52；探针53，设置于气体采集管道52内，用于对收集到的气体进行取样；气体分析仪55，对探针53收集到的气体浓度进行测量。

根据本发明的实施例，气体采集管道52的进出口处安装导流片521对采集到的气体进行整流；风机54控制气体采集管道52内的气体流速，可通过电脑控制实现变频调节。

根据本发明的实施例，气体检测装置5还包括采样管56，探针53通过采样管56与气体分析仪55连接。

根据本发明的实施例，数据采集模块还用于采集气体检测装置5的气体检测数据，其中，气体检测数据包括O₂、CO₂及CO浓度数据，数据采集与分析装置还包括气体分析模块，用于对数据采集模块采集的气体检测数据进行分析，根据耗氧法计算得到木质板材燃烧时的实时热释放速率，辅助判别木质板材的烧穿时间。

本发明还提供了一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析方法，利用上述动态分析系统进行执行，包括步骤S01～S06。

操作S01，根据初起火源特征选择燃烧器的形状及功率。

根据本发明的实施例，本发明根据木结构建筑中常见初起火源类型，例如书籍、字画、供火纸等纸制品，锦旗、帷幔、袈裟、经幡等织物，塑料尼龙网、塑料雨布、电线绝缘皮等塑料制品，设计初起火源模拟装置，基于大量木结构建筑典型初起火源分析结果选择火源功率及燃烧器形状，以模拟早期火源非均匀热流加热场景。

根据本发明的实施例，初起火源采用气体火源模拟，通过合理控制气体流量获得不同的火源功率，流量与火源功率的关系为：火源功率＝气体流量*气体燃烧热值*燃烧效率。

根据本发明的实施例，火源功率随时间而变化，火源功率按初起火源类型选取，对于书籍、字画、供火纸等纸制品，功率上限为40-60kW；对于锦旗、帷幔、窗帘、袈裟、经幡等织物，功率上限为15-45kW；对于塑料尼龙网、塑料雨布、电线绝缘皮等塑料制品，功率上限为5-25kW。火源形状按照初起火源摆放形式，分为线性燃烧器、圆形燃烧器和矩形燃烧器。火源覆盖范围广，可模拟多种真实木结构建筑火灾早期场景。

在操作S02，在燃烧器为开启状态下，通过热电偶测温阵列实时测量固定于样品台的防火板在受热过程中的第一温度数据，其中热电偶测温阵列在距离防火板受火面1-3mm处均匀设置，第一温度数据用于确定第一区域为距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域。

在操作S03，在将防火板替换为木质板材后，将热电偶测温阵列在木质板材的第一区域内密集布置，以及在除第一区域外的第二区域内稀疏布置。

图3示意性示出了根据本发明实施例的动态分析方法中第一区域位置的确定方法示意图。如图3所示，预实验中利用硅酸钙防火板作为受热对象，通过铠装热电偶测温阵列对受火面进行温度测量，得到第一温度数据，通过对第一温度数据进行分析，得到距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域，预判此区域为木质板材非均匀受热时烧穿发生的位置，确定为第一区域。在之后的正式实验中，将硅酸钙防火板替换为木质板材，将热电偶测温阵列在木质板材的第一区域内密集布置，精准测量第一区域即烧穿发生位置的表面温度。

根据本发明的实施例，第一区域内热电偶测温阵列的横纵距离为0.02m。

根据本发明的实施例，本发明对于不同火源功率及燃烧器形状，基于预实验对烧穿位置进行预判，在第一区域内布置间距更小的热电偶测温阵列，能够精确测量木质板材燃烧过程中板材表面温度，得到更准确的温度分布特征，实现对烧穿过程关键区域温度动态变化的精准分析。

根据本发明的实施例，将木质板材固定于样品台时，对于竖直放置的木质板材，木质板材一侧紧靠燃烧器；对于水平放置的木质板材，燃烧器置于木质板材的底部。

在操作S04，在热电偶测温阵列、红外测温装置和图像采集装置为开启状态下，利用数据采集模块在预设时间内采集环境数据之后，其中环境数据包括温度数据和图像数据，点燃燃烧器以对木质板材的受火面持续加热。

根据本发明的实施例，预设时间为90s。

在操作S05，利用温度分析模块对数据采集模块采集的木质板材燃烧过程中的第二温度数据和第三温度数据进行分析，以根据背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的木质板材的发射率变化。

在操作S06，利用图像分析模块对数据采集模块采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，炭化行为参数及开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

根据本发明的实施例，利用图像分析模块对数据采集模块采集的图像数据进行分析，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数包括：

通过对图像数据进行灰度化及二值化处理，得到对应于木质板材燃烧过程中不同时刻的多幅二值图；

基于多幅二值图统计木质板材在烧穿前背火面的炭化痕迹区域的像素值以得到烧穿前不同时刻的炭化面积，以及在不同背火面位置处炭化痕迹出现的时间以确定与背火面位置对应的沿板材厚度方向的炭化速率，其中以炭化面积和炭化速率为炭化行为参数实现炭化锋面推进过程的动态反演建模；

基于多幅二值图统计木质板材在烧穿后的烧穿位置及开裂形态，以烧穿位置和开裂形态为开裂特性参数结合炭化行为参数建立模拟初起火源作用下木质板材烧穿数据库，数据库中包含木质板材在烧穿前的与炭化行为参数对应的炭化图像以及烧穿后的与开裂特性参数对应的开裂图像，炭化图像或开裂图像可以是二值图或原始图；

基于多幅二值图统计木质板材在烧穿后的火焰形态，以得到火苗间歇概率及火蔓延行为，以火苗间歇概率及火蔓延行为为火焰行为参数来揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

图4示意性示出了根据本发明实施例的动态分析方法中图像分析模块中的炭化痕迹的采集分析图。如图4所示，将图像采集装置得到的图像数据进行处理，转化为二值图，进而通过对二值图进行分析得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数。

根据本发明的实施例，图像采集装置能够对木质板材烧穿的全过程状态进行检测，通过截取高清摄像机的记录得到木质板材背火面开始炭化、烧穿、出现间歇火苗、出现连续火焰并且形成火蔓延全过程的图像数据。图像分析模块将图像数据逐帧转化为灰度图，根据选取的阈值将其处理为二值图，得到木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，进而建立炭化锋面推进过程模型和木质板材烧穿数据库，揭示木质板材燃烧行为的突变机制，为分析木结构建筑火灾起火位置与火源特征提供参考依据。

根据本发明的实施例，模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析方法还包括木质板材的质量检测和分析。

根据本发明的实施例，样品台包括质量检测装置，质量检测装置与热电偶测温阵列、红外测温装置和图像采集装置同时开启，采集质量、温度图像数据，预设时间后对木质板材加热燃烧过程中的质量进行检测，并实时传输至数据采集与分析装置中的数据采集模块，数据采集与分析装置中的质量分析模块对木质板材的质量实时记录，以获得木质板材烧穿前后质量损失速率典型突变情况。

根据本发明的实施例，模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析方法还包括木质板材燃烧产生的气体的检测和分析。

根据本发明的实施例，木质板材与样品台共同置于气体检测装置的集烟罩的正下方。

根据本发明的实施例，气体检测装置与热电偶测温阵列、红外测温装置和图像采集装置同时开启采集环境数据，环境数据包括气体检测数据、温度数据和图像数据，预设时间后对木质板材加热燃烧过程中产生的气体进行检测。

根据本发明的实施例，气体检测装置对木质板材燃烧产生的气体进行采集检测，检测气体中的O₂、CO₂及CO浓度，并实时传输至数据采集与分析装置中的数据采集模块，数据采集与分析装置中的气体分析模块根据耗氧法计算木质板材燃烧时的实时热释放速率，记录木质板材烧穿前后变化及热释放速率突增时间，辅助判别烧穿时间。

根据本发明的实施例，利用气体检测装置实时采集木质板材燃烧产生的气体数据，气体分析模块通过气体数据得到木质板材燃烧过程中的热释放速率变化，基于大量木质板材烧穿前后热释放速率动态变化特征曲线样本的机器学习，自动识别在新测定曲线上标定出板材引燃、烧穿、全面燃烧等关键时刻。

图5示意性示出了根据本发明实施例的动态分析方法中根据气体分析模块得到的热释放实时变化曲线图。如图5所示，记录了木质板材从被引燃开始到烧穿后的热释放速率变化曲线图，根据曲线图能够对木质板材的烧穿时间进行判断。

图6示意性示出了根据本发明实施例的动态分析系统中各模块功能示意图。如图6所示，模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统中模块包括：初起火源模拟装置，能够模拟初起火源非均匀热流下的加热场景；质量分析模块，通过质量检测装置得到木质板材燃烧过程中的质量数据，获得木质板材烧穿前后质量损失速率突变情况；温度分析模块，通过温度检测装置得到木质板材燃烧过程中的温度数据，分析预判出烧穿位置，精准检测烧穿位置的温度；气体分析模块，通过气体检测装置得到木质板材燃烧过程中产生的气体数据，能够得到燃烧时的实时热释放速率，辅助判别烧穿发生的时刻；图像分析模块，通过图像采集装置得到木质板材燃烧过程中的图像数据，建立木质板材烧穿数据库，基于炭化速率量化分析方法，建立炭化锋面推进过程模型；数据采集模块，能够实时记录火灾动态发生过程，完成数据的采集和传输。整个动态分析系统能够模拟在初起火源非均匀热流下木质板材烧穿全过程的发展规律和热特性参数。

根据本发明的提供的模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统和方法，可实现木质板材烧穿全过程多个关键参数的动态采集与耦合分析，能够揭示烧穿发生全过程木质板材燃烧行为的突变机制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析系统，包括：

样品台，用于放置待测板材，所述待测板材包括防火板或将被烧穿的木质板材；

初起火源模拟装置，设置于所述待测板材的一侧，包括燃烧器，所述燃烧器的形状及功率被配置为用于模拟不同类型的初起火源，所述待测板材靠近所述燃烧器的一面为受火面，远离所述燃烧器的一面为背火面；

所述初起火源表征堆积或者靠近木板构件的典型可燃物；

所述初起火源模拟装置是根据木结构建筑中常见初起火源类型进行设计的，所述初起火源选自纸制品、织物或塑料制品，其中，所述纸制品选自书籍、字画、供火纸中的至少一种，所述织物选自锦旗、帷幔、窗帘、袈裟、经幡中的至少一种，所述塑料制品选自塑料尼龙网、塑料雨布、电线绝缘皮中的至少一种；

基于大量木结构建筑典型初起火源分析结果选择火源功率及燃烧器形状，以模拟早期火源非均匀热流加热场景；

按照所述初起火源类型选取火源功率，对于纸制品，功率上限为40-60kW，对于织物，功率上限为15-45kW，对于塑料制品，功率上限为5-25kW；

温度检测装置，包括：

热电偶测温阵列，为在距离所述防火板受火面1-3mm处均匀设置，在所述木质板材的第一区域密集设置以及在除第一区域外的第二区域稀疏设置，用于实时测量所述防火板在受热过程中的第一温度数据，以及所述木质板材燃烧过程中的第二温度数据；以及

红外测温装置，设置于所述木质板材的背火面，实时测量所述木质板材燃烧过程中的背火面的第三温度数据；以及

图像采集装置，用于实时获取在燃烧过程中所述木质板材的受火面、背火面以及侧面的燃烧状态的图像数据，其中，所述燃烧状态包括开始炭化、烧穿、出现间歇火苗、出现连续火焰以及形成火蔓延；

数据采集与分析装置，包括：

数据采集模块，用于采集所述热电偶测温阵列的第一温度数据和第二温度数据，以及所述红外测温装置的第三温度数据，其中第二温度数据包括受火面温度数据和背火面温度数据，以及所述图像采集装置的图像数据；

温度分析模块，用于对所述数据采集模块采集的所述第一温度数据、第二温度数据和第三温度数据进行分析，以将距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域确定为所述第一区域，以及根据所述背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的所述木质板材的发射率变化；以及

图像分析模块，用于对所述数据采集模块所采集的图像数据进行分析，得到所述木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中所述炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，所述炭化行为参数及所述开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，所述火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制；

所述对所述数据采集模块采集的所述图像数据进行分析，得到所述木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数包括：

通过对所述图像数据进行灰度化及二值化处理，得到对应于木质板材燃烧过程中不同时刻的多幅二值图；

基于多幅所述二值图统计所述木质板材在烧穿前背火面的炭化痕迹区域的像素值以得到烧穿前不同时刻的炭化面积，以及在不同背火面位置处炭化痕迹出现的时间以确定与所述背火面位置对应的沿板材厚度方向的炭化速率，其中以所述炭化面积和所述炭化速率为炭化行为参数实现炭化锋面推进过程的动态反演建模；

基于多幅所述二值图统计所述木质板材在烧穿后的烧穿位置及开裂形态，以所述烧穿位置和开裂形态为开裂特性参数结合所述炭化行为参数建立模拟初起火源作用下木质板材烧穿数据库，所述数据库中包含木质板材在烧穿前的与所述炭化行为参数对应的炭化图像以及烧穿后的与所述开裂特性参数对应的开裂图像；

基于多幅所述二值图统计所述木质板材在烧穿后的火焰形态，以得到火苗间歇概率及火蔓延行为，以所述火苗间歇概率及火蔓延行为为火焰行为参数来揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

2.如权利要求1所述的动态分析系统，其中，所述温度检测装置还包括：支架，用于固定所述热电偶测温阵列，所述支架能够移动来调节热电偶的间距；

所述图像采集装置包括至少三部高清摄像机，分别设置于所述木质板材的受火面、背火面和侧面。

3.如权利要求1所述的动态分析系统，还包括气体检测装置，设置于所述木质板材的上方，对所述木质板材燃烧后产生的气体进行收集并检测，

所述数据采集模块还用于采集所述气体检测装置的气体检测数据，其中，所述气体检测数据包括O₂、CO₂及CO浓度数据，所述数据采集与分析装置还包括气体分析模块，用于对所述数据采集模块采集的气体检测数据进行分析，得到所述木质板材燃烧时的实时热释放速率，辅助判别所述木质板材的烧穿时间。

4.如权利要求3所述的动态分析系统，其中，所述气体检测装置包括：

集烟罩，设置于所述木质板材上方；

风机，通过气体采集管道与所述集烟罩相连，用于将所述木质板材燃烧过程中产生的气体自所述集烟罩抽出至所述气体采集管道；

探针，设置于所述气体采集管道内，用于对收集到的所述气体进行取样；以及

气体分析仪，用于对所述探针收集到的气体浓度进行测量。

5.如权利要求1所述的动态分析系统，其中，所述样品台包括：

质量检测装置，用于对所述木质板材燃烧过程中的质量进行实时检测，

所述数据采集模块还用于采集所述质量检测装置的质量数据；以及

板材固定结构，用于将所述木质板材固定到所述质量检测装置上；

所述数据采集与分析装置还包括质量分析模块，用于对所述数据采集模块采集的质量数据进行分析，以获得所述木质板材烧穿前后质量损失速率典型突变情况。

6.如权利要求1所述的动态分析系统，其中，所述初起火源模拟装置还包括：

气体容器，用于存储可燃气体，通过输气管道与所述燃烧器连接；

减压阀，靠近所述气体容器，用于控制所述输气管道内的气体压力；

止回阀，用于防止可燃气体燃烧的火焰回流到所述气体容器；

流量控制器，用于调控可燃气体的流量大小；以及

点火器，设置于所述燃烧器一侧，用于引燃所述可燃气体；

所述数据采集模块包括数据采集补偿导线，能够在所述木质板材燃烧过程中进行实时数据的有效传输；

所述数据分析模块还用于对数据采集模块所采集的实时数据进行显示和储存。

7.一种模拟初起火源作用下木质板材烧穿全过程动态分析方法，利用如权利要求1至6中任一项所述的动态分析系统进行执行，包括：

根据初起火源特征选择燃烧器的形状及功率，对于纸制品，功率上限为40-60kW，对于织物，功率上限为15-45kW，对于塑料制品，功率上限为5-25kW；

所述初起火源表征堆积或者靠近木板构件的典型可燃物；

基于大量木结构建筑典型初起火源分析结果选择火源功率及燃烧器形状，以模拟早期火源非均匀热流加热场景；

所述初起火源选自纸制品、织物或塑料制品，其中，所述纸制品选自书籍、字画、供火纸中的至少一种，所述织物选自锦旗、帷幔、窗帘、袈裟、经幡中的至少一种，所述塑料制品选自塑料尼龙网、塑料雨布、电线绝缘皮中的至少一种；

在燃烧器为开启状态下，通过热电偶测温阵列实时测量固定于样品台的防火板在受热过程中的第一温度数据，其中所述热电偶测温阵列在所述防火板的受火面内均匀设置，所述第一温度数据用于确定第一区域为距离防火板1-3mm处火焰温度达800℃以上的区域；

在将所述防火板替换为木质板材后，将所述热电偶测温阵列在所述木质板材的所述第一区域内密集布置，以及在除所述第一区域外的第二区域内稀疏布置；

在所述热电偶测温阵列、红外测温装置和图像采集装置为开启状态下，利用数据采集模块在预设时间内采集环境数据之后，点燃燃烧器以对所述木质板材的受火面持续加热；

利用温度分析模块对数据采集模块采集的所述木质板材燃烧过程中的第二温度数据和第三温度数据进行分析，以根据所述背火面温度数据和第三温度数据的差异得到因燃烧炭化导致的所述木质板材的发射率变化；

利用图像分析模块对所述数据采集模块采集的所述图像数据进行分析，得到所述木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数，其中所述炭化行为参数用于建立炭化锋面推进过程模型，所述炭化行为参数及所述开裂特性参数用于建立木质板材烧穿数据库，所述火焰行为参数用于揭示木质板材燃烧行为的突变机制

所述利用图像分析模块对所述数据采集模块采集的所述图像数据进行分析，得到所述木质板材燃烧过程中的炭化行为参数、开裂特性参数以及火焰行为参数包括：

通过对所述图像数据进行灰度化及二值化处理，得到对应于木质板材燃烧过程中不同时刻的多幅二值图；

基于多幅所述二值图统计所述木质板材在烧穿前背火面的炭化痕迹区域的像素值以得到烧穿前不同时刻的炭化面积，以及在不同背火面位置处炭化痕迹出现的时间以确定与所述背火面位置对应的沿板材厚度方向的炭化速率，其中以所述炭化面积和所述炭化速率为炭化行为参数实现炭化锋面推进过程的动态反演建模；

基于多幅所述二值图统计所述木质板材在烧穿后的烧穿位置及开裂形态，以所述烧穿位置和开裂形态为开裂特性参数结合所述炭化行为参数建立模拟初起火源作用下木质板材烧穿数据库，所述数据库中包含木质板材在烧穿前的与所述炭化行为参数对应的炭化图像以及烧穿后的与所述开裂特性参数对应的开裂图像；

基于多幅所述二值图统计所述木质板材在烧穿后的火焰形态，以得到火苗间歇概率及火蔓延行为，以所述火苗间歇概率及火蔓延行为为火焰行为参数来揭示木质板材燃烧行为的突变机制。

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