不同开口与侧墙限制边界条件下火焰溢出卷吸行为与火焰高度模型研究

发布时间：2020-02-23 20:22

【摘要】：近年来国内外多起高层建筑火灾都形成了建筑物外立面大型立体火蔓延现象,对建筑物内的人员造成巨大伤害,同时也带来了重大财产损失。大部分建筑火灾的都是由建筑内的房间起火引发的,当受限空间火灾充分发展到通风控制阶段,火焰随高温烟气从房间的开口溢出,并逐渐向上蔓延,就形成了开口火溢流现象。开口火溢流是建筑外立面大型立体火蔓延的初始阶段,其重要的理论意义和实际参考价值引起了国内外广大学者的关注。目前研究的热点在于开口火溢流典型特征参数的变化规律上,主要包括温度分布、热辐射强度、热对流密度及火焰形态与尺寸等方面,并揭示了不同边界条件(竖直挡墙、斜坡挡墙)和气压环境等因素的对开口火溢流行为特性的影响,并发展了一系列预测模型。然而,前人的研究模型大多仅基于一个单开口的燃烧室构造,这与实际的建筑构造有所不同。涉及火焰溢出的发展过程、开口相关因素(如开口竖向高度和开口数量等)以及外界侧墙受限边界条件等方面的影响研究仍较为缺乏,有待进一步研究。本文围绕建筑火灾开口火溢流行为特性,结合实验和理论分析开展研究。实验方面,基于相似性原理,设计了相似比为1：8和1：4的两个小尺寸开口火溢流实验台。在实验中设计了不同开口尺寸和火源热释放速率,改变了开口竖向位置、数量、间距等参数,并引入不同间距和长度的侧墙作为边界条件,观察不同条件下火溢流行为特性,通过测量获得火溢流特征参数的变化规律。在理论分析方面,基于建筑火灾动力学经典模型,并开展不同条件下开口火溢流的卷吸及其表征的特征长度的理论分析,提出相应参数的理论模型,将实验研究和理论分析相互印证得出结论。主要的研究工作包括： (1)在自由边界条件下,研究了开口火溢流火焰间歇性溢出的过渡阶段,并对火焰溢出概率进行了定义与数学表征。获得了火焰进入过渡阶段的上下临界条件、过渡阶段宽幅等参数。从能量守恒角度分析了室内热烟气温度分布规律,并提出了燃烧室产热和散热效应与开口因子的耦合关系模型,分析燃烧室产热和散热的关系,建立了火焰间歇性溢出概率因子与火源功率和开口因子的耦合模型。通过改变燃烧室开口竖向位置,揭示了火焰溢出临界条件和溢出火焰根部高度在不同开口竖向位置条件下的差异。分析了溢出火焰高度的演化规律及控制因素,发展了不同开口竖向位置下火焰高度的显示解模型。 (2)结合实际建筑中房间多个开口的情况,研究了典型的平行双开口火溢流行为特性。研究揭示了火焰从双开口溢出后的融合现象,定义了火焰融合概率并进行了数学表征,获得了火焰融合的临界条件,提出了判断火焰是否融合的耦合因子,并得到火焰融合概率与相关参数的拟合关系式。采用图像处理方法,测量了火焰融合时融合点与中性面的距离,并建立了无量纲指数规律模型。基于矩形火源等效模型理论,比较了单开口和双开口条件下空气卷吸特性的异同,揭示了火焰间的相互作用机制。引入了附加卷吸面积对溢出火焰高度变化规律进行了分析,并提出了考虑开口尺寸、开口间距和火源热释放速率耦合影响的火焰高度表征模型。 (3)结合实际建筑中的侧墙结构,研究了不同侧墙限制边界条件下开口火溢流行为特性,测量了开口火溢流特征参数变化规律。揭示了侧墙间距对开口火溢流不同阶段时(即“贴壁火”和“半轴对称火”)空气卷吸的影响效应,提出了不同侧墙受限条件下的卷吸模型。并进一步分析了侧墙长度的影响,提出侧墙长度增加时开口火溢流的两个演化阶段,并对卷吸模型进行了修正。对比表征了自由边界条件和侧墙限制边界条件下火焰高度的差异性,引入了耦合侧墙间距、侧墙长度、开口特征长度与火源热释放速率的修正因子,提出了侧墙限制边界条件下的溢出火焰高度模型与热流密度竖向分布模型。
【图文】：

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西班牙马德里温莎公爵大厦火灾(2)哈尔滨经讳“360”大厦火灾2008年10月9日，，黑龙江省哈尔滨市道里区经炜街附近的经讳360大厦

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—im—HHHl图1.1西班牙马德里温莎公爵大厦火灾讳“360”大厦火灾9日，黑龙江省哈尔滨市道里区经炜街附近连体）发生重大火灾。此次火灾是因工人违的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU998.1

【参考文献】