狭长空间纵向通风下气态污染物逆流及下游分层特性研究

摘要

狭长受限空间是指长宽比较大的建筑结构，比如超高层建筑的空中走廊，地下矿井走道，交通隧道等等。由于狭长空间较大的长宽比，气体在其内部的流动与在其他结构中不同。当紧急情况发生时，如矿井瓦斯泄露、隧道火灾等，这些气态污染物沿狭长通道传播，人员安全受到严重威胁。在工程中通常采用的是纵向通风排除污染气体。因此，了解气态污染物的流动特性，对制定高效的控制策略，保障通道内人员安全具有十分重要的意义。本文采用盐水实验法，研究在纵向通风的狭长空间内气态污染物上下游的流动特性。　　首先，本文介绍了盐水实验方法的可行性和其相似理论基础，列出盐水实验各特征参数与实际情况的比例尺关系。阐述了本实验用到的光衰减技术和MATLAB数据处理技术。简要介绍了实验装置和用到的测量仪器。详述了重要的实验步骤，包括图片灰度值对应染料浓度的校正等。　　然后，本文对气态污染物的逆流结构进行剖析。发现逆流在由撞击点向停滞点流动过程中是分为明显的两层，上层流体不断前进，在中段开始被卷吸入下层，而下层跟纵向流方向一致。并且，逆流层同下游一样，也具有折减加速度分层。在靠近顶部区域，层内每一个纵向截面折减加速度分布较为稳定；靠近两种流体交界面处，其折减加速度从撞击点到停滞点是由大到小变化，表示越靠近纵向流质量交换越强。在逆流前进过程中，头部运动速度逐渐变慢。　　之后，本文对逆流长度进行求解，提出经验模型。该经验模型与前人提出的烟气在隧道中逆流长度模型形式一致，但是系数不同。由于本文是在盐水实验条件下研究的，没有边界浮力损失，浮力仅通过与纵向流剪切损耗，而烟气还会不断向围护结构传热加大浮力的损耗。因此，通过两个公式的比较，得到边界传热导致的浮力损失大小。结果表明，边界浮力损失随着无量纲逆流长度的增大而增大。但是即使无量纲逆流长度达到20，其有无边界浮力损失的两种情况下无量纲风速（通风速度与临界风速的比值）的差值依然小于50%。这表示在有边界浮力损失的流体传播过程中，主要是与纵向流的剪切作用导致的浮力损失。　　最后，本文研究了浮力驱动流下游的分层特性。求出下游厚度随λ=B01/3/V的变化关系，发现无量纲厚度随λ的增大而增大。但是当λ小于0.9时，此时下游较为混乱，厚度对λ更为敏感，随λ?变化的幅度更大。探索了在不同的初始条件下下游层内竖向折减加速度分布的统一变化规律。联系逆流长度和下游厚度，其乘积ε可以表示纵向通风下狭长空间内浮力驱动流上下游综合情况，并且发现当V/B01/3越大，ε越小，综合情况越好。　　本文通过盐水实验，研究了纵向通风下狭长空间气态污染物上下游的流动特性，为实际工程中污染气体的控制和人员的疏散具有重要的指导意义。

目录

目 录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 狭长空间浮力流上游特性

1.2.2 狭长空间浮力流下游特性

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 盐水实验研究

2.1.1 盐水实验简介

2.1.2 盐水实验应用于浮力流特性研究的可行性

2.1.3 相似理论基础

2.2.1实验台简介

2.2.2 光衰减技术

2.2.3 MATLAB图像处理

2.3 实验设计

2.3.1 实验步骤

2.3.2 实验条件及结果

2.4 本章小结

3逆流层结构及浮力分布特性

3.1 逆流流动结构

3.2逆流层内折减加速度的分布

3.3 逆流层的自相似性

3.4 本章小结

4 逆流长度特性研究

4.1 逆流长度变化规律

4.2 逆流头部速度变化规律

4.3 无边界浮力损失的逆流长度经验模型

4.4 边界浮力损失对逆流长度的影响

4.5本章小结

5 下游分层特性研究

5.1 下游厚度特性

5.1.1 积分比法求解厚度

5.1.2 厚度随边界条件变化规律

5.2 最大折减加速度差值与边界条件的关系

5.3 折减加速度竖向变化规律

5.4 逆流长度和下游厚度的耦合关系

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文研究成果

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目及科研工作

C.学位论文数据集

致谢