低气压环境对液体池火诱导火羽流及顶棚射流的影响机理研究

发布时间：2018-01-25 20:57

本文关键词： 池火高海拔低压舱封闭效应质量燃烧强度顶棚射流最大温升　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于环境压力对燃烧过程中的物理和化学反应有着显著的影响,低压下的火灾现象在最近引起了越来越多的关注。我国拥有四大高原,覆盖了大约1/3的国土,特别是青藏高原,其平均海拔高度超过4500 m,并且拥有数量众多的古建筑。高原上的低压环境导致了不一样的火灾特点,因此,也需要更加实用的理论支撑来发展相应的防火和灭火技术。此外,全球蓬勃发展的航空业也为识别和抑制航空运输中潜在的火灾危险性提出了新的挑战,因为货物在运输过程中通常都处于低气压环境。同时,在高高原地区(海拔大于2438 m)也相继建设了一批机场,其中我国就有超过12个高高原机场,这些场所内航空燃油的火灾危险性也需要进一步关注。明确了压力不同导致的燃烧行为的不同,将会对高原和航空环境下的防火提供有效的指导。在研究低压对火灾行为的影响中,最常用的两种模拟低压环境的方法就是高原实地或者是采用压力可控的低压实验舱。为了研究低压舱能否真实地模拟高原环境以及低压实验舱的应用范围,本文分别采用了这两种实验方法,开展了不同油盆尺寸的正庚烷池火,对比分析了两者在燃烧强度、火焰形态以及轴向羽流分布等参数上的区别。结果发现:仅对于直径6～12 cm的池火,低压舱实验可以较好地模拟准稳态阶段的燃烧强度;所有工况条件下,火焰形态均存在差异,低压舱实验的火焰细长度较高;在考虑压力影响的情况下,准稳态阶段的轴向温度分布与经典的火羽流理论符合较好,而对14 cm的池火,实地实验和低压舱实验的羽流温度表现出明显的差异。基于上述的结论,在低压舱内开展了直径6～10 cm的正庚烷池火实验,实验在四种静态压力下进行,分别为101、80、60、40 kPa。质量燃烧强度主要由对燃料的热传导、对流和辐射热反馈决定,分析表明,对流项是燃料汽化的主要热源。当油盆直径为6 cm时,建立了新的理论模型解释燃烧强度与环境压力的依赖关系。视频记录显示,火焰高度随压力下降而上升,无量纲分析结果与实验现象相符。为了进一步验证压力模型和辐射模型在低压下的适用性,在高原实地开展了一系列较大尺寸的池火实验,实验采用三种不同碳烟水平的燃料,包括乙醇、正庚烷和航煤,每组实验均记录了质量损失、辐射温度分布和辐射热流三个参数。从对实验数据的分析看出,无量纲燃烧强度m"μ/D与Gr数存在指数关系,且指数因子随着燃料碳烟水平的上升而上升。关系式△T～[z(P/Q)2/5]η可用于拟合轴向羽流温升,修正的分界线0.42和1.06可以很好地划分三种燃料池火的火焰区、间歇区和羽流区。此外,随着燃料发烟水平的下降,其火焰温度呈上升趋势,而辐射热流值则相应下降。不同燃料的辐射热流均正比于LmTf5,并且在低压条件下碳烟体积分数随着燃料发烟水平的下降而下降。为了研究火焰触及顶棚情况下不同顶棚高度对池火燃烧行为的影响,利用缩小尺寸的锥形量热仪在顶棚高度Hef/D=0.43～2.5下开展了一系列正庚烷池火实验,定量分析了燃烧强度、燃烧产物浓度及燃烧效率等典型参数。研究结果表明,随着顶棚高度的持续下降,燃烧强度首先在Hef/D=1.38上升到最大值,然后下降,呈现出抛物线变化趋势。燃烧产物CO和CO_2的最大浓度表现出与燃烧强度相似的变化规律,然而CO总产生量随着顶棚高度的下降单调上升。另外,碳转化率与燃烧效率求得的结果相类似,它们均呈抛物线变化规律。除此之外,还在高原地区开展了一系列不同油盆尺寸、不同燃料的池火实验,实验在水平非受限顶棚下方开展,研究顶棚下方的最大温升,实验结果表明,高原上顶棚下方最大烟气温升比Alpert模型的预测值要高很多。考虑到环境压力和卷吸系数的影响,基于理想羽流模型,提出了预测不同环境压力下顶棚最大温升的理论模型,且在采用此模型时,可以很好地统一常压和低压下的实验结果。
[Abstract]:In order to study the effect of low pressure on fire behavior , there are some new challenges to identify and restrain the fire hazard in high altitude . The experimental results show that the maximum smoke temperature in the upper ceiling of the plateau is proportional to the combustion intensity . The experimental results show that the maximum smoke temperature in the upper ceiling of the plateau is proportional to the combustion intensity . The experimental results show that the maximum temperature rise in the top of the ceiling is proportional to the combustion intensity . The experimental results show that the maximum temperature rise of the ceiling below the ceiling is proportional to the combustion intensity .

【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】：2017
【分类号】：X932;TQ038

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