專利名稱：用于真實(shí)火源模擬的漂浮氣體的使用的制作方法
用于真實(shí)火源模擬的漂浮氣體的使用本申請(qǐng)要求于2009年5月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列第61/177，041號(hào)的優(yōu)先權(quán)。該臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。
背景技術(shù)：
目前，在消防安全領(lǐng)域，需要對(duì)建筑煙霧管理系統(tǒng)是否能夠如所設(shè)計(jì)地那樣發(fā)揮作用進(jìn)行測(cè)試。由于使用大火源來(lái)測(cè)試這些系統(tǒng)并不實(shí)際，所以希望有用于測(cè)試上述系統(tǒng)的其它方法。目前，使用煙霧彈或其它類似發(fā)煙裝置來(lái)對(duì)煙霧管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，但這些技術(shù)缺乏真實(shí)感，所以在建筑內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生可導(dǎo)致環(huán)境損害或破壞的顯著能量釋放的情況下，很難準(zhǔn)確地再現(xiàn)驅(qū)動(dòng)真實(shí)火源中的實(shí)際煙霧運(yùn)動(dòng)的浮力。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的用于惰性漂浮氣體控釋的系統(tǒng)的示意圖。圖2為根據(jù)第二實(shí)施方式的用于惰性漂浮氣體控釋的系統(tǒng)的示意圖。圖3為根據(jù)第三實(shí)施方式的用于惰性漂浮氣體控釋的系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有圓形釋放裝置。圖4為根據(jù)第四實(shí)施方式的用于惰性漂浮氣體控釋的系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有圓形釋放裝置。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中列出了多個(gè)具體細(xì)節(jié)，例如漂浮氣體類型和釋放裝置的配置，從而可徹底理解下文所討論的優(yōu)選實(shí)施方式。結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式所討論的細(xì)節(jié)不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，為了便于理解，將某些方法步驟描述為分開(kāi)的步驟；然而，這些步驟不應(yīng)解釋為必須截然不同的，也不依賴于其執(zhí)行。在沒(méi)有對(duì)來(lái)自真實(shí)火源的煙霧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬的顯著能量釋放的情況下，產(chǎn)生合適浮力的替換方式為將密度小于周圍空氣密度的氣體或氣體混合物釋放來(lái)模擬真實(shí)火源的煙霧運(yùn)動(dòng)。氣體可為惰性氣體并可以相對(duì)于周圍空氣自然地具有浮力(“自然地具有浮力” 應(yīng)理解為氣體相對(duì)于周圍空氣本身具有浮力)。在一個(gè)實(shí)施方式中，自然地惰性漂浮氣體為氦氣，或包括至少50 %的氦氣、或75 %以上的氦氣、或90 %以上的氦氣、或95 %以上的氦氣的氣體混合物。本發(fā)明應(yīng)用于對(duì)煙霧管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。然而，應(yīng)理解，在需要對(duì)來(lái)自真實(shí)火源的產(chǎn)物流進(jìn)行模擬而無(wú)需再現(xiàn)與真實(shí)火源相關(guān)的熱環(huán)境的任何情況下，都可使用該方法和裝置。在一些實(shí)施方式中，漂浮氣體與人造煙霧例如示蹤氣體(如六氟化硫)或惰性染料(如微粒)結(jié)合來(lái)提供從裝置釋放的替代煙霧的位置可視化表示和流動(dòng)特性。在其它實(shí)施方式中，顯示氣體密度差的光學(xué)技術(shù)用于使漂浮氣體的運(yùn)動(dòng)可視化。例如，顯示氣體密度差的光學(xué)裝置提供從裝置釋放的漂浮氣體的運(yùn)動(dòng)的可視化表示。在一些實(shí)施方式中，釋放的惰性氣體可用單色準(zhǔn)直光源或多色準(zhǔn)直光源來(lái)示出，并使用紋影或陰影系統(tǒng)來(lái)可視化。
方法和裝置可包括對(duì)不同火源配置以及通過(guò)控制系統(tǒng)的火源生長(zhǎng)速率進(jìn)行模擬的裝置，控制系統(tǒng)遵循規(guī)定的基于時(shí)間的流速。由于火源的幾何形狀和尺寸與所導(dǎo)致的產(chǎn)生的流的特性和狀況之間存在關(guān)系，因而在一些實(shí)施方式中的方法和裝置包括改變配置以及改變漂浮惰性氣體釋放的面積及釋放氣體的壓力的能力。對(duì)漂浮惰性氣體的流動(dòng)和釋放面積的控制允許使用該方法和裝置對(duì)火的生長(zhǎng)速率進(jìn)行模擬。所模擬的火的生長(zhǎng)速率可再現(xiàn)特定燃料的生長(zhǎng)速率和配置或一般的生長(zhǎng)速率，例如“t-平方”的火源(即Q = Ott2,其中Q為放熱速率，α為生長(zhǎng)速率常數(shù)，t 為時(shí)間)。惰性漂浮氣體被釋放處的垂直高度還可以改變以產(chǎn)生等效源，但由于與較低的垂直高度處夾帶空氣的速率相比，空氣夾帶入漂浮流的速率較低，因而使所需的氣體流減少。 所使用的系統(tǒng)壓力范圍從需要克服釋放裝置的管道系統(tǒng)中的水力損失的壓力到與產(chǎn)生弗勞德數(shù)(Froude number,Fr) 一致的壓力，其中，在與產(chǎn)生弗勞德數(shù)一致的壓力下，噴嘴或其它釋放孔的一對(duì)直徑內(nèi)的流將與動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的火源相反地模擬浮力驅(qū)動(dòng)的火源。漂浮惰性氣體的使用提供了用于相對(duì)高溫流效應(yīng)的低公差以及真實(shí)火源的燃燒產(chǎn)物的表面沉積應(yīng)用中的實(shí)際裝置。如上所述，在一些實(shí)施方式中使用氣體混合物。與只使用單一氣體例如氦氣相比而言，氣體混合物的使用提供了更準(zhǔn)確地控制氣體浮力的機(jī)制。在其它實(shí)施方式中，將氣體加熱來(lái)控制浮力。另外的實(shí)施方式可采用氣體混合物以及對(duì)混合氣體加熱來(lái)控制浮力。此夕卜，除使用氣體混合物之外，出于對(duì)所需浮力進(jìn)行細(xì)致調(diào)整的目的，還可將示蹤氣體與漂浮氣體混合用于可視化的目的。本發(fā)明應(yīng)用于對(duì)煙霧管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。煙霧管理系統(tǒng)為包括可用于控制煙霧運(yùn)動(dòng)的所有方法的工程系統(tǒng)。與建筑內(nèi)的有害火源相關(guān)的煙霧管理系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在所有出口通道和避難通路區(qū)域內(nèi)保持耐受環(huán)境，以使居住者具有安全到達(dá)出口或避難區(qū)域的必需的時(shí)間。除建筑居住者之外，煙霧管理還有益于消防員和減少財(cái)產(chǎn)損失。煙霧管理的方法包括分隔、稀釋、加壓、空氣流動(dòng)和浮力機(jī)制。這些可單獨(dú)使用或與在火情中管理煙霧的條件聯(lián)合使用。與煙霧管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)需要驗(yàn)收測(cè)試來(lái)測(cè)量所安裝的系統(tǒng)是否能夠符合特定性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)歷史情況，煙霧管理系統(tǒng)的驗(yàn)收測(cè)試使用從“煙霧彈” 到真實(shí)火源范圍的多種火源/煙源。由于“煙霧彈”不能產(chǎn)生與真實(shí)火源產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物相同的浮力壓力差，所以使用從其生成的人造煙霧并不是實(shí)際可行的替代物。在驗(yàn)收測(cè)試中使用真實(shí)火源具有明顯的安全性和財(cái)產(chǎn)保護(hù)問(wèn)題，使得它們的使用不安全且不實(shí)際。因此，這些明顯限制不允許對(duì)所有的特定性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的系統(tǒng)100的示意圖。該系統(tǒng)包括控制器 110，控制器110連接至由其啟動(dòng)的閥120，并對(duì)從源130至釋放裝置140的惰性漂浮氣體流進(jìn)行控制，在該實(shí)施方式中，釋放裝置140包括具有多個(gè)形成于其中的開(kāi)口的室。流量傳感器150連接在閥120與釋放裝置140之間，以對(duì)進(jìn)入釋放裝置的漂浮氣體流量進(jìn)行測(cè)量并向控制器110提供該流的流量輸入指示。控制器110使用該輸入來(lái)控制閥120。系統(tǒng)傳感器160對(duì)由釋放裝置140生成的羽狀煙柱的一個(gè)或多個(gè)特性進(jìn)行測(cè)量。盡管在圖1中示出系統(tǒng)傳感器160位于釋放裝置140的內(nèi)部，但應(yīng)理解，在其它實(shí)施方式中，系統(tǒng)傳感器160 還可放置在釋放裝置140外部。在其它實(shí)施方式中，多個(gè)系統(tǒng)傳感器160設(shè)置在不同的空間位置處(例如不同高度)。在一些實(shí)施方式中，系統(tǒng)傳感器160對(duì)氣體羽狀煙霧的速度和溫度進(jìn)行測(cè)量。該信息被反饋至控制器110，并在控制器110的控制算法中與流量傳感器 150的輸出一同使用來(lái)控制閥120。將系統(tǒng)傳感器160與流量傳感器150 —同使用提高了控制器110和圖1所示的系統(tǒng)準(zhǔn)確模擬真實(shí)火源的能力。在其它實(shí)施方式中，僅使用流量傳感器150或僅使用系統(tǒng)傳感器160。圖1示出根據(jù)第二實(shí)施方式的系統(tǒng)200的示意圖。系統(tǒng)200與系統(tǒng)100類似但包括加熱器170，加熱器170配置為在控制器110的控制下將來(lái)自供應(yīng)源130的氣體加熱。加熱器170由控制器110進(jìn)行額外控制。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在包括氣體混合物的漂浮氣體實(shí)施方式中，加熱器170可只對(duì)成分中的一種成分進(jìn)行加熱，或者可將不同的加熱器170分別用于各個(gè)成分。在一些實(shí)施方式中，釋放裝置140包括一系列管和噴嘴，其以對(duì)矩形、圓形或其它配置的“2-D”火(例如液池火)進(jìn)行模擬的方式來(lái)布置。具有圓形配置的實(shí)施方式的示例為圖3示出的系統(tǒng)300。系統(tǒng)300包括控制器110，控制器110連接至閥120以對(duì)由控制器 110啟動(dòng)的閥120進(jìn)行控制，控制器110對(duì)從源130至控制閥排380的惰性漂浮氣體流進(jìn)行控制。與圖1的實(shí)施方式中僅使用單個(gè)閥的情況相比，多個(gè)控制閥的使用增加了對(duì)漂浮氣體釋放的控制精度。流量傳感器150連接在閥120與控制閥排380之間來(lái)對(duì)進(jìn)入釋放裝置340的漂浮氣體流進(jìn)行測(cè)量，并向控制器110提供該流的流量指示。控制器110使用該輸入來(lái)控制閥120。由控制器110啟動(dòng)的閥排380以具有在其中形成的多個(gè)開(kāi)口 344(例如簡(jiǎn)單的孔或者固定或可調(diào)整的噴嘴)的一系列同軸圓形管342的形式對(duì)到達(dá)釋放裝置340 的多個(gè)段(section)的惰性漂浮氣體流進(jìn)行控制。流量傳感器排390連接在柵形閥排380 與釋放裝置340之間，以對(duì)進(jìn)入釋放裝置的漂浮氣體流進(jìn)行測(cè)量，并向控制器110提供該流流量的輸入指示?？刂破?10使用該輸入來(lái)對(duì)控制閥排180進(jìn)行控制，閥排380中的各個(gè)閥對(duì)釋放裝置340中的各個(gè)管342的流進(jìn)行控制。系統(tǒng)傳感器160對(duì)釋放裝置340生成的羽狀煙霧的一個(gè)或多個(gè)特性進(jìn)行測(cè)量。在圖3中，系統(tǒng)傳感器160定位在釋放裝置340上。 在一些實(shí)施方式中，系統(tǒng)傳感器160對(duì)氣體羽狀煙霧的速度和溫度進(jìn)行測(cè)量。該信息被返回至控制器110，并在控制器110的控制算法中與流量傳感器150的輸出一同使用來(lái)控制閥 120。將系統(tǒng)傳感器160與流量傳感器150和傳感器390 —同使用提高了控制器110和圖 3所示的系統(tǒng)準(zhǔn)確模擬真實(shí)火源的能力。在其它實(shí)施方式中，并沒(méi)有使用所有這些傳感器。圖4示出與圖3所示的系統(tǒng)300類似的系統(tǒng)400，但還包括用于漂浮氣體源130的加熱器170。如上所述，在使用多個(gè)氣源的情況下可使用多個(gè)加熱器170，或可將單個(gè)加熱器用于多個(gè)氣源中的一個(gè)或多個(gè)氣源。在其它實(shí)施方式中，釋放裝置通過(guò)立方體的、錐形體的或其它體積配置來(lái)模擬 “3-D”火源。優(yōu)選地，各種配置由相似且較小的段構(gòu)成，以在應(yīng)用改變時(shí)允許裝置的尺寸改變?yōu)樗M火源的最大尺寸(即所模擬氣體被釋放作用的區(qū)域)。所模擬火源的生長(zhǎng)速率還可由流入單獨(dú)段的流或通過(guò)釋放裝置內(nèi)部的每個(gè)噴嘴或每組噴嘴(在上述實(shí)施方式中， 還有多個(gè)閥120，單個(gè)閥用于釋放裝置內(nèi)部的每個(gè)噴嘴或每組噴嘴)的可變流來(lái)控制。在一些實(shí)施方式中，還存在多個(gè)系統(tǒng)傳感器160。提供的上述示例僅用于說(shuō)明的目的而不被解釋為限制。雖然參考了多個(gè)實(shí)施方式，但本文所使用的用語(yǔ)為說(shuō)明性和描述性用語(yǔ)，而不是限制性用語(yǔ)。此外，盡管示出了對(duì)
6特殊的裝置、材料和實(shí)施方式的參考，但并不限制本文公開(kāi)的特殊性。此外，實(shí)施方式擴(kuò)展至功能上等同的結(jié)構(gòu)、方法及用途，例如在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)、方法及用途。
此外，摘要的目的在于使專利局和公眾，尤其是科學(xué)家、工程師和本領(lǐng)域中對(duì)專利或法律用語(yǔ)和措辭不太熟悉的人，能夠通過(guò)粗略瀏覽而快速地確定本申請(qǐng)的技術(shù)公開(kāi)的性質(zhì)。摘要在任何程度上不會(huì)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)來(lái)自真實(shí)火源的煙霧流進(jìn)行模擬的方法，包括以下步驟確定與所述真實(shí)火源相對(duì)應(yīng)的煙霧的速度分布；以及控制來(lái)自釋放裝置的加壓漂浮氣體的釋放，使得所述漂浮氣體的速度分布與所述真實(shí)火源的速度分布基本相同，由此，將所述漂浮氣體用作真實(shí)火源的燃燒產(chǎn)物流的替代物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟在所述漂浮氣體被釋放的同時(shí)改變所述釋放裝置的配置，以改變所模擬的火源的幾何形狀。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟控制所述漂浮氣體的流速，以及控制釋放惰性漂浮氣體的表面積。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述釋放步驟通過(guò)使用來(lái)自傳感系統(tǒng)的輸入來(lái)執(zhí)行，所述傳感系統(tǒng)配置為對(duì)所述釋放裝置外部的漂浮氣體的流速進(jìn)行測(cè)量。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述釋放步驟通過(guò)使用控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，所述控制系統(tǒng)配置為控制漂浮氣體的流量。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述控制器生成流量水平控制信號(hào)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述控制器接收來(lái)自與所述釋放裝置關(guān)聯(lián)的傳感系統(tǒng)的信號(hào)。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述控制器為模擬控制器，所述模擬控制器通過(guò)使用調(diào)諧控制系數(shù)從輸入信號(hào)生成控制輸出。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述模擬控制器為PID(比例、積分、微分)控制器。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述控制器為數(shù)字控制器，其計(jì)算維持預(yù)定的流速所需的漂浮氣體的流量。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述控制器釋放漂浮氣體來(lái)模擬t平方火源。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟將所述釋放裝置的垂直高度改變，以減少由于較低垂直高度處的等效源的氣體流中夾帶空氣而所需要的漂浮氣體。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述漂浮氣體在具有煙霧處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部被釋放，并且所述方法還包括監(jiān)控進(jìn)入所述煙霧處理系統(tǒng)的煙霧流的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述漂浮氣體包括可見(jiàn)的示蹤氣體，所述監(jiān)控步驟通過(guò)由人對(duì)所述可見(jiàn)的示蹤氣體進(jìn)行可視觀察來(lái)執(zhí)行。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述漂浮氣體是惰性的。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述漂浮氣體是自然具有浮力的。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟使用顯示氣體密度差的光學(xué)裝置來(lái)提供從所述裝置釋放的所述漂浮氣體運(yùn)動(dòng)的可視表示。
18.—種對(duì)來(lái)自真實(shí)火源的煙霧流進(jìn)行模擬的系統(tǒng)，包括電控閥，具有第一開(kāi)口和第二開(kāi)口，所述第一開(kāi)口能連接至加壓漂浮氣體供應(yīng)源；控制器，連接以對(duì)所述閥進(jìn)行控制；流量傳感器，具有連接至所述閥的第二開(kāi)口的入口、出口以及連接至所述控制器的測(cè)量輸出；釋放裝置，連接至所述流量傳感器的所述出口 ；其中，所述控制器配置為控制所述閥隨所述流量傳感器的測(cè)量輸出而變化，從而將具有與所需真實(shí)火源相對(duì)應(yīng)的煙霧剖面的漂浮氣體釋放。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括系統(tǒng)傳感器，所述系統(tǒng)傳感器配置為對(duì)從所述釋放裝置釋放的所述漂浮氣體的特性進(jìn)行測(cè)量，并與所述控制器連接以將所述特性的指示傳遞至所述控制器，其中，所述控制器還控制所述閥隨所述指示進(jìn)行變化。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括加熱器，所述加熱器配置為將來(lái)自所述氣體供應(yīng)源的加壓氣體加熱，并連接至所述控制器。
全文摘要
對(duì)真實(shí)火源的產(chǎn)物流進(jìn)行模擬而無(wú)需再現(xiàn)與真實(shí)火源相關(guān)的熱環(huán)境的方法和裝置，包括釋放具有密度小于空氣的適合密度的氣體或氣體混合物，以對(duì)來(lái)自真實(shí)火源的煙霧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。在一些實(shí)施方式中，漂浮氣體與人造煙霧例如示蹤氣體或惰性染料(例如微粒)結(jié)合來(lái)提供從釋放裝置釋放的替代煙霧的位置和流動(dòng)特性的可視化表示。在另一實(shí)施方式中，顯示氣體密度差的光學(xué)技術(shù)用于將漂浮氣體的運(yùn)動(dòng)可視化。釋放裝置包括控制系統(tǒng)，其遵循規(guī)定的基于時(shí)間的流速，以對(duì)不同火源配置和生長(zhǎng)速率進(jìn)行模擬。
文檔編號(hào)A62C37/00GK102460537SQ201080025877
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者理查德·J·羅比, 道格拉斯·J·卡彭特 申請(qǐng)人:燃料科學(xué)和工程公司