低气压环境对池火火行为及羽流特性的影响机理研究

发布时间：2019-09-10 17:14

【摘要】：火灾会严重威胁人员和财产安全,低气压条件不仅会影响燃烧过程的物理和化学反应,而且会改变燃料燃烧特性,产生于常压条件下明显不同的燃烧特征和火行为特性。特殊的高海拔(低气压)环境会出现在许多场景下,如高原地区和航空飞行环境。高原地区大约占中国陆地面积的三分之一,特别对平均海拔超过4000m的青藏高原来说,其上建有超过1000处的历史建筑。最近,航空工业也得到迅速发展,航空飞行环境具有典型的低气压环境特征,客机巡航高度在9000m以上。因此,深入了解低压下的火灾燃烧特性对高海拔防火具有重大的科学意义和工程应用价值。为了评估高海拔地区较大尺度火灾的危险性,分别在合肥(海平面高度城市,50m/100.8kPa)和拉萨(西藏城市,3650m/64.3kPa)进行了Jet-A和正庚烷油池火实验。实验结果表明,质量燃烧速率正比于压力的2/3次方,与压力模型的理论预测结果一致。然而,正庚烷薄层火的燃烧速率变化仅与压力呈弱相关,这可用沸腾燃烧相关理论进行解释。顶棚的引入不仅加速了质量燃烧速率,而且提高了火焰中心线温度,但是研究发现在拉萨地区火焰中心线温度对到顶棚的影响相对较小。随着对正庚烷的热释放速率测量结果表明：燃烧效率X。和对流热分数X。随着压力的下降会有少许上升,而辐射分数Xr与压力不相关(或弱相关)。为了进一步研究低气压环境对燃料燃烧速率和火羽流特征的影响,分别在合肥和拉萨对不同尺寸圆形油池(直径：4cm-14cm)正庚烷池火进行了实验测量和理论分析。从结果看,准稳态阶段和沸腾阶段的平均燃烧速率一致表明,指数α(m"-Pα)会随着传热主导因素的变化而变化,如热传导阶段a≤0,热对流阶段α=2/3。另外,通过分析可知,火焰高度、轴向火焰温度和羽流温度均与无量纲热释放速率Q*-Q/(PD5/2)相关,其相关系数可由低压下的实验测量结果得出。总之,对于相同尺寸的油池,火焰高度和羽流温度随着压力的幂函数上升而上升。为了扩展测试实验压力点,从而更深入地研究压力对池火火行为的影响,在位于合肥火灾科学国家重点实验室的低压舱(即可控压力装置)内开展了系列池火实验研究。实验主要讨论了小尺寸圆形正庚烷池火在不同静态舱室压力(40KPa、60kPa、80kPa和100kPa)下的燃烧特性和火羽流特征。每组实验过程中均记录有燃料质量燃烧速率及火焰视频。结果表明,质量燃烧速率主要通过火焰对油池表面的热反馈所决定,而对于实验小尺度油池,对流热反馈是燃料气化蒸发的主要原因。通过对火焰视频分析的研究表明,火焰高度随着压力的下降而上升,这一点通过无量纲分析同样可以得到证实。另一方面,低气压使得火焰拉伸幅度上升,导致顶端部分火焰脱落。此外,通过观测可以发现一种特殊的火焰现象,即出现在燃烧阶段末期的火焰旋转,这可能是受科氏力影响的结果。
【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】：2014
【分类号】：X932

【参考文献】