[发明专利]基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及火灾科学研究领域，尤其涉及烟羽流、烟气运动规律研究、火灾烟气模拟实验测量等方面，具体涉及一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法。

背景技术

火灾现象分为可燃物燃烧和热空气流动两个相互影响的过程，烟气运动是火灾科学研究中最为重要的内容之一。在进行建筑、隧道、地铁、船舶等场景火灾烟气运动特性研究时，主要通过实体试验和计算机模拟进行研究。实体试验研究指的是在特定的空间内，通过检测火场中热和烟气等各项指标，找出其规律性。在实验研究中，通常在特定的模拟空间内通过具体火灾实验，获得实验数据，通过对数据的整理，分析总结出火灾烟气特性，进行同类场景的火灾预测。

烟气流速是火灾研究中的重要参数。目前，主要采用测量气体流速的方法对烟气进行测速，包括气压法、机械法与散热率法等。气压法测量使用皮托管式风速传感器和双向微压差计等；机械法利用叶轮风速仪等；散热率法使用热线、热球风速仪等。还有研究者为得到火灾中羽流前锋上升时间，在实验空间内布置热电偶树，测量火灾中温度分布，当热电偶温升达到某个值时，确定为烟气羽流前锋到达该处。有的装置在测量过程中还存在一些问题，例如热线、热球风速仪在流速过低时，受到自然对流和辐射的作用的影响，测量值会比实际值偏大；常温热球风速仪也不能用于测量高温火灾烟气。同时，此类风速仪不能识别末流的方向，因此不能进行流动的定向测量。此外，为了保护热线或热球不受杂质的撞击，在探头外部通常会套上一层会属滤网，在测量火灾烟气时，固体颗粒会堵塞网孔，使得气体无法流过探头，导致测量结果偏低。人们也考虑在盐水中进行烟气流动模拟，用盐水在清水中的湍流重力流动来仿真热烟气在空气中的湍流浮力流动。由于两种流动具有相似现象，所以可用来研究实际火灾烟气流动的特性。但盐水模拟实验也存在难以测量速度场的问题。湍流强度根据通过测量得到的速度值进一步推导计算得到。

目前所用的烟气速度和湍流强度测量装置均属于点式测量，只能根据布置在实验舱室内的点式传感器得到某些位置的速度值，无法得到烟气整体运动的速度场。

专利申请公布的“热风式湍流模拟装置(CN201010605579)”，发明了一种热风式湍流模拟装置，通过调节加热和风速控制器控制湍流的强度，使用风速传感器和温度传感器在装置的内部一侧测量湍流速度和温度。但该装置只在侧面使用两个传感器，无法得到箱体内部空间真实的湍流分布状况，只能对湍流强弱进行定性估计。

专利申请公布的“一种测量粒子速度的方法(CN101231299A)”，通过在水槽的流场中散布合适的示踪粒子，根据两粒子像点位置信息和灰度总和的差异得到粒子的速度矢量，从而获得整个流场的速度信息。但是该技术的实现必须使用示踪粒子，在液体中较容易实现，在烟气流场中加入示踪粒子很难实现。

发明内容

本发明的目的在于，为火灾科学中烟羽流、烟气运动相关研究提供基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置，包括烟气实验系统，视频采集系统和数据处理系统三部分。烟气实验系统由一个烟气腔室，一个发烟箱和排烟装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统包括一台计算机。系统的烟气实验系统部分的发烟箱装载发烟材料和加热装置，产生的烟气进入烟气腔室；高清摄像机透过透明的烟气腔室外壁采集烟气视频信息，将视频数据通过网络线缆传入负责视频数据处理的计算机，在计算机中利用图像处理技术对烟雾视频信号进行分析处理，获得二维平面上的火灾烟气速度和湍流强度实时数据。该发明特征在于：

所述烟气腔室，由透明无色有机玻璃构成，为可分离框架式结构，腔体壁面玻璃可以根据模拟环境设置开口、缝隙等，可以搭建成不同结构供不同环境结构内的火灾羽流模拟；烟气腔室背景用黑色摄影专用吸光布平铺，增强拍摄的烟雾视频；烟气腔室背景标有白色刻度，可以通过图像处理技术实现图像坐标系和世界坐标系的转换，得到烟气运动的实际速度；

所述发烟箱由2毫米厚钢板构成，可以放置电炉等设备点燃固体可燃物，使其阴燃发烟；发烟箱高度应超过加热装置加上发烟材料的高度，底面积应足够大以防止加热装置产生的热量影响到烟气腔室壁面材料；

所述排烟装置，能够通过排烟风机将烟气腔室内的火灾烟气抽出，通过烟气净化器对烟气进行处理并排出；

所述高清摄像机有至少1920×1080像素的分辨率，能够手动调焦，摄像机拍摄的视频信号能够通过网线实时传输到计算机；