阅读说明：本技术 一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置及方法 (Device and method for measuring heat transfer characteristics of surface of steel plate impacted by leaked jet fire ) 是由 蒋军成 *** 尤飞 周魁斌 张乐 聂璇 吴月琼 倪磊 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置,包括钢板支撑装置、喷射火模拟装置、测量装置和燃气安全检测装置；钢板支撑装置包括铝合金框架和钢板,喷射火模拟装置包括实验气瓶、减压阀、金属软管、不锈钢管、气体质量流量控制器、阻火器、燃烧器和点火器,测量装置为若干热电偶、红外热成像仪和热流传感器,燃气安全检测装置为可燃气体检测报警器。优点：系统研究燃气管道泄漏诱发喷射火撞击钢板的传热特性,以及喷射火火焰壁面碰撞时温度和热流的分布规律,为射流火焰撞击传热的深入研究提供更为准确可信的数据支持和理论基础。(The invention relates to a device for measuring the heat transfer characteristic of a leaked jet fire impacting steel plate surface, which comprises a steel plate supporting device, a jet fire simulating device, a measuring device and a fuel gas safety detection device, wherein the steel plate supporting device is provided with a plurality of through holes; the steel plate supporting device comprises an aluminum alloy frame and a steel plate, the injection fire simulation device comprises an experiment gas cylinder, a pressure reducing valve, a metal hose, a stainless steel pipe, a gas mass flow controller, a flame arrester, a burner and an igniter, the measuring device comprises a plurality of thermocouples, an infrared thermal imager and a heat flow sensor, and the gas safety detection device is a combustible gas detection alarm. The advantages are that: the system researches the heat transfer characteristic of the jet fire impacting the steel plate induced by the leakage of the gas pipeline and the distribution rule of temperature and heat flow when the flame wall surface of the jet fire collides, and provides more accurate and credible data support and theoretical basis for the deep research of the jet fire impacting heat transfer.)

一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置及方法

技术领域

本发明是一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置及方法，属于火灾安全技术领域。

背景技术

燃气管道由于腐蚀、应力破坏和阀门与附件损坏等原因造成开裂、燃气泄漏，若泄漏燃气在裂口处遇到火源被点然，将形成喷射火。喷射火是燃气管道泄漏后较为常见的一种事故类型，其火焰长度从数米到数十米甚至上百米，并伴随释放大量的热，对管道周围人员和财产安全造成极大威胁。当喷射火火焰直接接触设备或建筑物表面，以及热辐射对邻近设备或建筑物产生的影响，将进一步扩大事故范围，加剧事故破坏程度。如，2004年比利时Ghislenghien的一条天然气管道泄漏***引发喷射火，造成附近约150-200米范围内，数十辆汽车着火，商业建筑屋顶覆盖物发生液化，死亡和受伤人数分别为24人和155人，财产损失为1亿欧元。因此，研究燃气管道泄漏后产生的喷射火与周围结构材料表面的传热规律，对于预防和控制燃气管道喷射火事故危害具有重大意义。

目前，钢铁材料仍然是工业中最主要的结构材料，而现有的钢铁材料表面传热过程的研究多集中于钢铁材料表面水冷换热，获取其理想性能上。有关工业喷射火灾害过程中出现的喷射火焰直接撞击邻近钢铁结构材料表面传热特性的测量方法和装置则未见有报道。如中国专利CN105445319A公开了一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置，在非接触情况下，利用有限元模拟计算，获取钢板的表面水冷换热系数；中国专利CN102661969A公开了一种测试不同水膜厚度条件下钢板表面换热系数的测试装置和计算方法；中国专利CN201799458U公开了一种以超快速冷却条件下用热电偶实测钢板温度场并利用温度场反算法计算钢板换热系数的装置。很明显，目前冷却控制过程中使的钢铁材料表面换热系数测量技术不能用于测定喷射火撞击条件下钢铁材料表面的传热机理和传热特性，更无法用于提取和预测喷射火火焰壁面碰撞时温度和热流的分布特征。

发明内容

本发明提出的是一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置及方法，其目的在于由于现有的钢铁材料表面换热特性的测定，大多针对钢铁材料生产过程中的冷却控制，并不适用于工业喷射火灾害作用下的传热分析，故在对射流火焰撞击传热理论分析的基础上，专门设计了一套用于测定燃气管道泄漏诱发喷射火撞击钢板平面传热特性的实验装置。

本发明的技术解决方案：一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置，其结构包括钢板支撑装置、喷射火模拟装置、测量装置和燃气安全检测装置；其中，所述钢板支撑装置包括铝合金框架和钢板，钢板可旋转安装在铝合金框架上，钢板表面沿水平和垂直轴线布置传感器测量孔；所述喷射火模拟装置包括实验气瓶、减压阀、金属软管、不锈钢管、气体质量流量控制器、阻火器、燃烧器和点火器，实验气瓶连接减压阀，不锈钢管通过金属软管与减压阀连接，气体质量流量控制器安装在不锈钢管道中段，阻火器安装在不锈钢管道末端，燃烧器通过金属软管与阻火器进行连接，点火器设于燃烧器前方；所述测量装置为若干热电偶、红外热成像仪和热流传感器，钢板表面设有若干热电偶，红外热成像仪和热流传感器布置在钢板后；所述燃气安全检测装置为可燃气体检测报警器，安装于实验气瓶、燃烧器和各管道接头处。

所述钢板支撑装置包括铝合金框架、钢板、陶瓷纤维棉，所述钢板尺寸为1m×1m×0.005m，沿钢板表面水平和垂直轴线布置传感器测量孔，孔间距和直径分别为8cm和25mm；所述铝合金框架底框为边长1.20×1.05m的空心矩形框，竖直支架为两平行空心矩形框，尺寸均为1.20×1.05m，通过长15cm的铝合金杆件进行连接，然后用T形螺母和内六角螺栓将竖直支架整体紧固在底框上；竖直支架其中一根垂直杆底部带有凸起，可卡接在底框凹槽内，凸起能在凹槽内活动，用于带动钢板自由旋转，实现不同的撞击角度θ；所述铝合金框架整体采用耐高温陶瓷纤维棉包裹，起到防火隔热的作用。

所述钢板支撑装置还包括堵塞体，所述堵塞体是与钢板同种材质的实心圆柱体，直径和厚度分别为25mm和5mm；测量钢板表面目标位置处的热流时，其余位置处的测量孔用堵塞体进行封堵，防止实验时火焰窜出烤坏周边实验仪器，或对人身安全造成危险。

所述喷射火模拟装置包括实验气瓶、减压阀、金属软管、不锈钢管、气体质量流量控制器、阻火器、燃烧器和点火器，所述实验气瓶选用30kg标准高纯罐装丙烷，减压阀与实验气瓶连接，用于调节出口压力，减压阀输入压力为3Mpa，调节范围为0-0.16Mpa；不锈钢管通过金属软管与减压阀连接，不锈钢管外径为16mm，壁厚为0.8mm；气体质量流量控制器为数字式质量流量计，流量范围为0-50SLPM，安装在不锈钢管道中段，可快速精准的测量管内气体质量流量、体积流量、压力和温度，并能对气体流量进行调节；阻火器为卡套式可燃气体管道阻火器，公称压力为2.5Mpa，安装在不锈钢管道末端，可防止外部喷射火焰窜入管道内或阻止管道内火焰的蔓延；燃烧器通过金属软管与阻火器进行连接，点火器为电子脉冲点火枪，可产生连续性电火花，总长度为50cm，确保人工点火时的成功率、稳定性和安全性。

所述燃烧器由两段等外径k110钢构成，总长度为150mm，前段内径截面形状为圆形、三角形、矩形或长方形，长度为30mm，后段内径均为10mm，长度为120mm，并对末端车外螺纹，便于安装，用于模拟不同管道泄漏口直径和形状。

所述测量装置包括K型热电偶、N型热电偶和S型热电偶、红外热成像仪和Gardon型热流传感器；根据喷射火在钢板表面传播特性，在距离钢板正表面1cm处等间距布置三种类型热电偶共计26根，其中S型热电偶7根，N型热电偶11根，K型热电偶8根，沿钢板表面垂直和水平轴线由内而外依次排布，并采用垂直和水平支架进行固定，构成热电偶树，热电偶直径均为2mm，水平布置热电偶插深为60cm，垂直布置热电偶插深为55cm；红外热成像仪量程为-20-650℃，布置在钢板后；Gardon型热流传感器选用量程分别为0-10kW/m²和0-50kW/m²，在通过钢板表面测量孔对火焰热流进行测量时，传感器感应面与钢板表面保持齐平，测量火焰辐射热流时，应在传感器感应面前加装蓝宝石视窗，测量火焰总热流时，应将传感器感应面前蓝宝石视窗拆除，在整个测量过程中热流传感器需要通过水冷保持恒温。

所述燃气安全监测装置为可燃气体检测报警器；在实验气瓶、燃烧器和各管道接头处下方安装可燃气体检测报警器，传感器类型为半导体，探测浓度为0-10000ppm，可连续监测周围环境中可燃气体浓度，一旦达到报警预设值发出声/光报警。

其测定方法，包括如下步骤：

1)管道泄漏点燃形成喷射火的模拟：预先打开可燃气体监测报警器，然后打开气瓶阀和减压阀，缓慢向管道内通入燃气，通过气体质量流量控制器设定实验所需气体质量流量，待气体质量流量控制器示数稳定时，立即用点火器在燃烧器喷口处进行持续人工点火，直到形成稳定喷射火。若点火失败，气体质量流量控制器设定值归零，关闭减压阀和气瓶阀，对室内进行通风换气。另外，可通过更换燃烧器的方式模拟燃气管道不同泄漏口直径和形状；

2)喷射火撞击钢板和撞击角度的模拟：将钢板支撑装置垂直放置在燃烧器喷口前一定距离处，钢板中心始终对齐喷口中轴线，通过调节钢板与燃烧器喷口之间的距离，保证喷射火撞击到钢板。此外，可通过旋转垂直杆的方式模拟喷射火不同撞击角度；

3)喷射火撞击钢板传热特性参数的测定：通过按上述要求沿钢板表面垂直和水平轴线布置热电偶树，可测得近壁面参考温度T_ref的值；通过按上述要求在钢板后适当位置处布置红外热像仪可测得平板背面温度T_b的值；通过按上述要求在钢板表面目标位置处布置热流传感器，在加装和不加装蓝宝石视窗两种情况下，分别测得和

的值，通过计算最终获取喷射火撞击钢板传热特性参数h_fj。

本发明的有益效果：

1)现有装置多针对于钢板水冷过程，用于提高钢板性能，如物理性能和机械加工性能，无法应用到工业喷射火灾害背景下，即喷射火对邻近钢铁结构材料的危害影响。

2)本装置可以系统研究燃气管道泄漏诱发喷射火撞击钢板的传热特性，以及喷射火火焰壁面碰撞时温度和热流的分布规律，为射流火焰撞击传热的深入研究提供更为准确可信的数据支持和理论基础。

3)可对燃气管道周围布防和平面布置有关的安全问题提出有效建议，具有重大的研究和推广价值。

附图说明

附图1是扩散火焰撞击平板表面的能量守恒示意图。

附图2是燃气管道泄漏点燃形成喷射火模拟装置示意图。

附图3是燃烧器结构示意图。

附图4是钢板表面热电偶排布示意图。

附图5是钢板表面热流传感器布置示意图。

附图6是整体布置图(θ＝0°)。

附图7是钢板支撑装置结构图。

图中1钢板支撑装置(1a钢板、1b铝合金支架、1c陶瓷纤维棉、1d可旋转垂直杆、1e堵塞体)、2点火器、3燃烧器、4阻火器、5/6金属软管、7不锈钢管、8气体质量流量控制器、9减压阀、10实验气瓶、11热电偶、12红外热像仪、13热流传感器、14/15可燃气体监测报警器、16实验数据采集装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明。

如附图1所示，当射流火焰撞击平板时，采用一维导热假设，则平板表面的能量守恒方程可以表述为：

将公式(2)～(6)代入公式(1)可推导出：

其中，h_fj为射流火焰对流换热系数，W/(m²·K)；h_NC为空气自然对流换热系数，W/(m²·K)；T_ref、T_f、T_b和T_∞分别为近壁面参考温度，平板正面温度，平板背面温度和环境空气温度，K；ε_p和ε_f分别为平板发射率和覆盖平板表面火焰的发射率；σ为Stefan-Boltzmann常数，5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

根据公式(7)可知，整理后的能量守恒方程中涉及4个已知量，分别为h_NC、ε_p、T_∞和σ，剩余5个均为未知量，即h_fj、T_ref、T_f、T_b和ε_f。为了减少需要求解的未知量个数和降低问题本身的复杂性，而实验作为研究流体流动与传热及相关问题的基本手段，这就要求在实验过程中尽可能准确可靠地测量出部分未知量的值。其中，T_ref和T_b可分别通过在近壁面处和平板背面布置热电偶树和红外热成像仪进行精确测量。另外，通过设法将Gardon型热流传感器感应面(配有可拆卸蓝宝石视窗附件，屏蔽对流的影响)与平板表面齐平安装，可进一步测出和

的值[1]。最终，射流火焰撞击平板传热基本方程的求解问题被简化成求解3个方程(公式(1)、(2)和(7))的3元(h_fj、T_f和ε_f)非线性方程组，其具体求解过程可通过Matlab中fsolve函数实现，函数所采用的算法是非线性最小二乘法。

如附图6所示，基于上述射流火焰撞击传热的理论分析，设计了一种用于测定模拟燃气管道泄漏诱发形成的喷射火撞击钢板表面传热特性的方法及装置，用来研究工业火灾中燃气管道泄漏喷射火与邻近钢铁结构间传热规律的变化。

实验模拟装置由钢板支撑装置，燃气管道泄漏点燃形成喷射火的模拟装置、测量装置和燃气安全检测装置组成。

钢板支撑装置：由铝合金框架、钢板、陶瓷纤维棉、堵塞体组成。如图7所示，钢板尺寸为1m×1m×0.005m，沿钢板表面水平和垂直轴线布置传感器测量孔，孔间距和直径分别为8cm和25mm.铝合金框架底框为边长1.20×1.05m的空心矩形框，竖直支架为两平行空心矩形框(尺寸均为1.20×1.05m)，通过长15cm铝合金杆件进行连接，然后用T形螺母和内六角螺栓将竖直支架整体紧固在底框上。竖直支架其中一根垂直杆底部带有凸起，可卡接在底框凹槽内，凸起能在凹槽内活动，用于带动钢板自由旋转，实现不同的撞击角度θ。铝合金框架整体采用耐高温陶瓷纤维棉包裹，起到防火隔热的作用。堵塞体是与钢板同种材质的实心圆柱体，直径和厚度分别为25mm和5mm。当要测量钢板表面目标位置处的热流时，其余位置处的测量孔可用堵塞体进行封堵，防止实验时火焰窜出烤坏周边实验仪器，或对人身安全造成危险。

燃气管道泄漏点燃形成喷射火的模拟装置：主要由实验气瓶，减压阀，金属软管，不锈钢管，气体质量流量控制器，阻火器，燃烧器和点火器等组成，具体结构如图2所示。实验气瓶可选用30kg标准高纯(>99.9％)罐装丙烷。减压阀与气瓶连接，用于调节出口压力，减压阀输入压力为3Mpa，调节范围为0-0.16Mpa。不锈钢管通过金属软管与减压阀进行连接，不锈钢管外径为16mm，壁厚为0.8mm。气体质量流量控制器为数字式质量流量计，流量范围为0-50SLPM，安装在不锈钢管道中段，可快速精准的测量管内气体质量流量、体积流量、压力和温度，并能对气体流量进行调节。阻火器为卡套式可燃气体管道阻火器，公称压力为2.5Mpa，安装在不锈钢管道末端，可防止外部喷射火焰窜入管道内或阻止管道内火焰的蔓延。燃烧器通过金属软管与阻火器进行连接，燃烧器由两段等外径k110钢构成，总长度为150mm，前段内径分别为2mm、3mm、4mm，长度为30mm(亦可将截面形状加工成三角形、矩形和长方形等)，后段内径均为10mm，长度为120mm，并对末端车外螺纹，便于安装，具体结构如图3所示，可用于模拟不同管道泄漏口直径和形状。点火器为电子脉冲点火枪，可产生连续性电火花，总长度为50cm，确保人工点火时的成功率、稳定性和安全性。

测量装置：包括K型、N型和S型热电偶，红外热成像仪和Gardon型热流传感器。根据喷射火在钢板表面传播特性，在距离钢板正表面1cm处等间距(5cm)布置三种类型热电偶共计26根，其中S型热电偶7根，N型热电偶11根，K型热电偶8根，沿钢板表面垂直和水平轴线由内而外依次排布，并采用垂直和水平支架进行固定，构成热电偶树，热电偶直径均为2mm，水平布置热电偶插深为60cm，垂直布置热电偶插深为55cm，具体排布结构如图4所示。在钢板表面采用上述热电偶树布置方式既可以降低热电偶直径对火焰在钢板表面传播的影响，还可以准确完整地获取整个钢板表面的(参考)温度分布特性。红外热成像仪(选用量程为-20-650℃)布置在钢板后适当位置处，通过自动调焦功能，能清晰获取整个钢板背面热像图即可。Gardon型热流传感器(选用量程分别为0-10kW/m²和0-50kW/m²)在通过钢板表面测量孔对火焰热流进行测量时，传感器感应面要与钢板表面保持齐平(如图5所示)，测量火焰辐射热流时，应在传感器感应面前加装蓝宝石视窗，测量火焰总热流时，应将传感器感应面前蓝宝石视窗拆除，在整个测量过程中热流传感器需要通过水冷保持恒温。

燃气安全监测装置：在实验气瓶、燃烧器和各管道接头处下方安装商业型可燃气体检测报警器，传感器类型为半导体，探测浓度为0-10000ppm，可连续监测周围环境中可燃气体浓度，一旦达到报警预设值，就会发出声/光报警。

管道泄漏点燃形成喷射火的模拟：预先打开可燃气体监测报警器，然后打开气瓶阀和减压阀，缓慢向管道内通入燃气，通过气体质量流量控制器设定实验所需气体质量流量，待气体质量流量控制器示数稳定时，立即用点火器在燃烧器喷口处进行持续人工点火，直到形成稳定喷射火。若点火失败，气体质量流量控制器设定值归零，关闭减压阀和气瓶阀，对室内进行通风换气。另外，可通过更换燃烧器的方式模拟燃气管道不同泄漏口直径和形状。

喷射火撞击钢板和撞击角度的模拟：将钢板支撑装置垂直放置在燃烧器喷口前一定距离处，钢板中心始终对齐喷口中轴线，通过调节钢板与燃烧器喷口之间的距离，保证喷射火撞击到钢板。此外，可通过旋转垂直杆的方式模拟喷射火不同撞击角度。

喷射火撞击钢板传热特性参数的测定：通过按上述要求沿钢板表面垂直和水平轴线布置热电偶树，可测得未知参数T_ref的值；通过按上述要求在钢板后适当位置处布置红外热像仪可测得未知参数T_b的值；通过按上述要求在钢板表面目标位置处布置热流传感器，在加装和不加装蓝宝石视窗两种情况下，可分别测得未知参数和

的值。在获取四个未知参数的值后，通过联立公式(1)、(2)和(7)，形成三元非线性方程组，使用Matlab中fsolve函数进行求解，最终可获取喷射火撞击钢板传热特性参数h_fj。