飞机货舱环境顶棚射流区火灾烟气特征及温度分布规律研究

发布时间：2017-04-19 13:04

  本文关键词：飞机货舱环境顶棚射流区火灾烟气特征及温度分布规律研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞机货舱火灾如果得不到有效控制,可能导致飞机发生灾难性的安全事故,造成严重的人员伤亡和财产损失。货舱火灾探测是预防飞机火灾事故的关键。目前飞机货舱采用的烟雾探测器存在高误报率的问题。高误报率不仅会造成巨大的经济损失,还容易带来由应急处置不当引发的恶性事故。研究表明多传感器复合火灾探测器可有效地降低误报率,且探测器多安装于货舱顶棚处,因此清晰认识飞机货舱顶棚射流区烟气特征是提高火灾探测技术的关键。旨在为飞机货舱复合火灾探测系统设计和研制提供理论基础,本文针对飞机货舱环境(火源位置和低气压环境)下的顶棚射流区火灾烟气特征及温度分布规律开展了实验和理论研究。主要的研究工作包括：分析了火源水平位置对飞机货舱预棚射流区火灾烟气特征的影响。实验中,将火源分别放置与货舱中部、近壁处和墙角处。实验发现,当火源靠近壁面时,质量损失速率、腔室内气体平均温升和O2消耗量均增加；表明腔室热反馈作用强于氧气受限效应。同时,烟气层界面会提高,使烟气流动更加贴近顶棚,烟气密度和其增加速率也随之增大。因此,稳定阶段的CO浓度及其增长速率和顶棚最高温升均有所提升。火源水平位置对CO2浓度和相对湿度影响较小,CO2浓度略有增加,而相对湿度略有减小。基于Heskestad火羽流模型,修改镜像理论系数,建立了不同火源水平位置下顶棚最高温升预测模型：并修正了系数,使其适用于火灾早期阶段。研究发现顶棚温度衰减速率受火源水平位置影响较小；基于Heskestad和Delichatsios模型,给出了顶棚温度衰减模型,其预测结果比Alpert、 Heskestad和Delichatsios、指数模型更加接近实验值。同时,进一步验证了Alpert和修正的Heskestad和Delichatsios模型在早期阶段的适用性。揭示了火源抬升高度对飞机货舱预棚射流区火灾烟气特征及湿度分布规律的影响效应。实验发现,火源位置抬升时,质量损失速率与火源行为有关；火焰碰撞顶棚后,来自扩展火焰的热反馈会使质量损失速率增加。实验结果表明早期阶段烟气层界面基本维持不变,但烟气前锋上移,说明由于空气卷吸范围变窄,烟气流动会贴近顶棚。因此,顶棚温度及其下方CO、CO2浓度增加,O2浓度减少。对于火源位置较高情况,前60 s内相对湿度会增加,因此采用湿度传感器的火灾探测器需考虑该变化值。研究发现不同火源高度的顶棚最高温升符合McMaffrey提出的三区域分布特征；并据此建立了其顶棚最高温升预测公式。揭示了火源抬升高度会影响顶棚温度衰减速率,顶棚温度衰减规律符合指数模型,并给出了具体表达式。研究了飞机货舱气压环境(70 kPa-100 kPa)中顶棚射流区火灾烟气特征及温度分布规律。实验结果验证了质量损失速率与压力呈指数关系m∝A·Px,指数系数在0至1范围内。同时,腔室内气体平均温升和O2消耗量随着压力降低而增加,表明质量损失速率主要受氧气受限控制。低压环境下,烟气流动贴近顶棚,烟气层界面和烟气前锋升高。烟气密度与压力呈指数关系,K∞Px2,x2约为0.946,扩展了前人研究结果的应用范围。此时,CO浓度最大值增加,增长速率与压力呈负指数关系；CO2增长速率和相对湿度减少量略有减少。顶棚最高温升随着压力的降低而增加;引入卷吸系数比Cα,建立了适用于低压情况下的顶棚最高温升预测公式。低压下顶棚温度衰减比常压情况更快；在Alpert、 Heskestad和Delichatsios模型基础上,引入卷吸系数比Cα,修正了顶棚温度衰减规律关系式；且发现了基于Heskestad和Delichatsios模型的预测公式精确度高于Alpert模型。研究了火源水平位置和低压共同作用对顶棚射流特征参数的影响。当火源靠近壁面时,相同低压环境中质量损失速率增加,且其与压力呈指数关系m∞A·Px。共同作用下腔室内气体平均温度升高,热反馈作用增强；且低压下中央火O2消耗量最大。实验结果表明共同作用下烟气流动更加贴近顶棚,使烟气层界面和烟气前锋升高,且烟气密度与压力依然符合指数关系,K∝Px2,χ2仍为0.946。同时发现,CO浓度最大值增加迅猛,且其增长速率与压力依然呈负指数关系。当火源靠近壁面时,CO2浓度最大值及其增长速率和相对湿度减少值均略有增加,而压力降低时,其变化情况反之。此外,研究结果表明,共同作用下顶棚最高温升增加更大;同时引入卷吸系数比Cα和镜像理论修正系数β,建立了统一的顶棚最高温升预测公式；并且修正的顶棚温度衰减关系式依然适用于低压下不同水平位置的火源。
【关键词】：顶棚射流 飞机货舱 低气压环境 火源位置 密闭腔室火灾
【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】：V223.2;V328
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 研究背景18-22
• 1.2 研究目标22-23
• 1.3 研究方法23
• 1.4 章节安排23-26
• 第二章 文献综述26-38
• 2.1 封闭腔室火灾26-31
• 2.1.1 封闭腔室火灾简介26-27
• 2.1.2 火羽流与顶棚射流27-31
• 2.1.3 飞机货舱火灾31
• 2.2 火源位置对腔室火灾的影响31-33
• 2.2.1 火源水位位置影响因素31-33
• 2.2.2 火源竖直高度影响因素33
• 2.3 低气压环境对腔室火灾的影响33-36
• 2.3.1 低气压环境对燃烧速率的影响34
• 2.3.2 低气压环境对火羽流特征参量的影响34-35
• 2.3.3 低气压对火灾烟气和气体燃烧产物的影响35-36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 火源水平位置对飞机货舱顶棚射流区烟气特征的影响38-70
• 3.1 引言38
• 3.2 实验设计38-42
• 3.2.1 飞机货舱环境模拟试验台38-40
• 3.2.2 测量系统40-42
• 3.3 火源水平位置影响下的燃烧速率与控制因素42-46
• 3.3.1 燃料质量损失速率42-43
• 3.3.2 腔室内热反馈与氧气受限效应43-46
• 3.4 火源水平位置影响下的顶棚温度分布规律46-60
• 3.4.1 顶棚最高温升规律46-52
• 3.4.2 顶棚温度衰减规律52-60
• 3.5 火源水平位置影响下的火灾烟气与气体燃烧产物特性60-68
• 3.5.1 烟气层与烟气密度60-65
• 3.5.2 气体浓度65-68
• 3.6 本章小结68-70
• 第四章 火源抬升高度对飞机货舱顶棚射流区烟气特性的影响70-86
• 4.1 引言70
• 4.2 实验设计70-72
• 4.3 抬升火源行为与燃烧速率72-74
• 4.4 抬升火源顶棚温度分布规律74-80
• 4.4.1 顶棚最高温升规律74-76
• 4.4.2 顶棚温度衰减规律76-80
• 4.5 抬升火源火灾烟气与气体燃烧产物特性80-85
• 4.5.1 火灾初期烟气填充过程80-82
• 4.5.2 气体浓度变化规律82-85
• 4.6 本章小结85-86
• 第五章 低气压环境对飞机货舱顶棚射流区烟气特征的影响86-108
• 5.1 引言86
• 5.2 实验设计86-88
• 5.3 低压影响下的燃烧速率与控制因素88-90
• 5.3.1 燃料质量损失速率88-89
• 5.3.2 腔室内热反馈与氧气受限效应89-90
• 5.4 低压影响下的顶棚温度分布规律90-100
• 5.4.1 顶棚最高温升规律90-95
• 5.4.2 顶棚温度衰减规律95-100
• 5.5 低压影响下的火灾烟气与气体燃烧特性100-106
• 5.5.1 烟气填充过程与烟气密度100-103
• 5.5.2 气体浓度103-106
• 5.6 本章小结106-108
• 第六章 火源位置与低压作用下飞机货舱顶棚射流区烟气特征108-134
• 6.1 引言108
• 6.2 实验设计108-110
• 6.3 火源位置与低压影响下的燃烧速率与控制因素110-113
• 6.3.1 燃料质量损失速率110-111
• 6.3.2 腔室内热反馈与氧气受限效应111-113
• 6.4 火源位置与低压影响下的顶棚温度分布规律113-124
• 6.4.1 顶棚最高温升规律113-116
• 6.4.2 顶棚温度衰减规律116-124
• 6.5 火源位置与低压影响下的火灾烟气与气体燃烧产物特性124-132
• 6.5.1 烟气层与烟气密度124-128
• 6.5.2 气体燃烧产物浓度128-132
• 6.6 本章小结132-134
• 第七章 结论与展望134-138
• 7.1 全文总结与结论134-135
• 7.2 本文创新点135-136
• 7.3 研究展望136-138
• 参考文献138-152
• 致谢152-154
• 在读期间的学术成果与获得的奖励154-155

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