多路并联热释放速率测试系统的研究

摘要

近年来，随着经济的快速发展以及人们物质生活水平的提高，火灾发生的频率也在逐渐升高，火灾在给人身财产安全造成巨大伤害的同时，也给经济的发展带来严重损失。火灾科学的研究对于预防火灾的发生以及减少火灾中财产损失和人员伤亡具有重大作用，其中火灾热释放速率是火灾研究和消防工程设计中最为重要的参数，具有重要意义。 本文基于热释放速率的耗氧法测试原理，在铁路隧道救援站实验台的基础上建立了多路并联的热释放速率测试系统，在此测试系统的基础上，进行了一系列标准燃烧物火灾实验和模拟列车火灾实验，并且使用数值模拟的方法研究了烟气外溢以及排烟道内风速不同步对热释放速率测试结果的影响。 本文首先分析了热释放速率的耗氧法测试原理，并且在理论上分析了多路并联测试方式的可行性，为本文奠定了理论基础。在此理论基础上，本文利用铁路隧道救援站全尺寸物理模型，搭建了两路并联的热释放速率测试系统，其测试系统包括排烟系统和烟气测试系统：排烟系统包括燃烧室、集烟罩、两路并联的排烟管道、整流栅、排烟风机以及排烟风机的变频控制系统等；在烟气测试系统中，本文对比分析了氧化锆传感器和顺磁式氧分析仪的测试结果，研究表明，顺磁式氧分析仪和氧化锆传感器都可以用于 O2浓度的测量，顺磁式氧分析仪的精度和响应速度优于氧化锆传感器，在对测量结果精度要求不高的场合，可以使用氧化锆传感器代替顺磁式氧分析仪。同时，本文还使用力控组态软件对整个系统的运行状态进行监控。 本文利用标准燃烧物进行火灾实验，对多路并联热释放速率测试系统进行检测，研究了系统的相对误差和重复性。其次，本文还利用模拟列车车厢进行火灾实验，研究了开口系统与半开口系统对火灾发展的影响。研究表明，可燃物在半开口系统内燃烧时，受半开口系统空间的影响，会使燃烧产生的热量不能及时排出系统，从而加强对可燃物的热反馈作用，加速可燃物热解的过程，从而使燃烧过程更加剧烈，导致热释放速率峰值、火灾增长速率、辐射热流量、烟气中 CO2浓度等因素大于开口系统；同时，由于热量不能很好地传递出车厢，从而导致救援站实验台内火源正上方温度以及排烟道测量段温度低于开口系统火灾。 最后，本文使用 FDS火灾动力学模拟软件，模拟计算了烟气外溢以及排烟道内风速不同步对热释放速率测试结果的影响，从而从数值计算方面验证了多路并联测试系统的可行性。研究结果表明，烟气溢出系统会对热释放速率测量结果造成影响。首先，烟气外溢会使热释放速率耗氧法测试结果小于燃料实际燃烧的热释放速率，漏烟量越大，系统测到的热释放速率峰值越小；其次，相对于可燃物的实际燃烧过程，耗氧法测试方法会使测量结果出现一定程度的滞后，排烟道内风速越小，漏烟量越大，测量结果的也就越滞后。 本文的创新点主要在于提出了基于耗氧法的多路并联热释放速率测试方法，并结合铁路隧道救援站实验台，建立了多路并联热释放速率测试系统，采用两路并联的形式，可以将该系统用于大尺度火灾和列车火灾热释放速率实验研究；采用数值模拟的方法研究了烟气外溢、排烟道内风速不同步等问题对热释放速率测试结果的影响。 由于研究时间有限，本文只针对多路并联热释放速率测试系统进行了部分实验，在后期的研究中，可以将火源种类扩展，丰富实验数据，并且开发多种多路并联形 式，对本系统进行优化，研究多路并联热释放速率在多种场合的应用；另外，开发既成本低廉又精度高的O2浓度测试方式也是重要的研究方向。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本课题研究内容

1.5 本课题研究的意义

第二章 热释放速率计算理论

2.1 基于质量损失法的热释放速率计算公式

2.2 基于辐射法的热释放速率计算公式

2.3 基于耗氧法的热释放速率计算公式

2.4 本章小结

第三章 多路并联热释放速率测试系统的建立

3.1 排烟系统的建立

3.2 烟气测试系统的建立

3.3 本章小结

第四章 多路并联热释放速率测试系统基本性能测试

4.1 排烟系统性能测试

4.2 氧化锆传感器与顺磁式氧分析仪性能测试

4.3 多路并联热释放速率测试系统可行性分析

4.3 本章小结

第五章 利用标准燃烧物进行火灾实验

5.1 利用液体可燃物进行火灾实验

5.2 利用固体可燃物进行火灾实验

5.3 本章小结

第六章 模拟列车火灾实验

6.1 模拟列车车厢的制备

6.2 可燃物为液体时的实验结果分析

6.3 可燃物为固体时的实验结果分析

6.4 本章小结

第七章 数值模拟

7.1 FDS软件简介

7.2 多路并联热释放速率测试系统模型的建立

7.3 模拟结果分析

7.4 本章小结

第八章 结论及展望

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 工作展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢