环境风作用下火焰撞击顶棚扩展行为与无风条件顶棚火焰细胞结构研究

摘要

火焰在顶棚下方的扩展行为可以分为火焰撞击顶棚形成的火焰扩展行为以及火焰直接在顶棚下方的扩展行为。当火源在顶棚下方且与顶棚有一定距离时，如果火源功率足够大，火焰将会撞击顶棚（如:地铁隧道内列车着火），在顶棚的阻挡以及浮力的作用下发生水平传播使得火焰在顶棚下方扩展一定的长度，形成了火焰撞击顶棚并在顶棚下方的扩展行为;当火源处在紧贴着顶棚下方时（如:顶棚下方有可燃气体发生泄漏或者顶棚具有可燃的建筑装饰材料时），火焰在浮力的作用下将紧贴着顶棚下方扩展，形成火焰直接在顶棚下方的扩展行为。
　　前人研究者对于火焰撞击顶棚形成的火焰扩展行为的研究主要是针对无环境风以及火焰未受到顶棚侧墙限制时开展的，对于环境风作用下以及顶棚有侧墙限制时火焰撞击顶棚形成的火焰扩展行为的研究甚少。然而实际隧道及走廊通道发生火灾时，由于隧道排烟风机以及走廊两侧窗户的影响通常存在外界风的作用，且当火源功率较大时，火焰撞击顶棚后也会受到顶棚侧墙的限制;
　　前人研究者对于火焰直接在顶棚下方的扩展行为的研究比较缺乏，对于这种顶棚火尺度规律的研究主要是针对边界层厚度，对于火焰的水平扩展长度缺乏系统的研究。对于这种顶棚火所形成的特殊的“细胞状”火焰也只是从理论上分析了它的形成机制，未能定量分析这种“细胞”的特征尺寸大小及空间分布规律。因此本文将分别针对上述两种顶棚火焰扩展行为通过实验研究、理论分析、数学统计的方法填补前人研究者研究的不足。
　　本文开展了环境风作用下火焰撞击顶棚形成顶棚火焰扩展实验以及不同火源形状下火焰直接在顶棚下方扩展实验。对于火焰撞击顶棚的实验，使用丙烷作为气体燃料，采用边长分别为15cm、20cm的方形燃烧器，采用51-153.1kW的11种火源功率，选取0-1.8m/s的4种不同的风速工况，选取火源距离顶棚的高度分别为35cm、40cm、45cm三种不同的高度，共264种工况开展实验。通过对实验视频的处理得到了顶棚下方的水平火焰扩展长度。实验结果表明:火焰扩展长度随着火源功率的增大而增大，随着火源距离顶棚的高度、火源尺寸、纵向风风速的增大而减小。并基于火焰撞击后未燃燃料的量与所需卷吸空气的量之间的关系，分别建立了无风及有风条件下火焰撞击顶棚后上游、下游的火焰扩展长度模型以及火焰上下游总扩展长度的模型。所得的模型与实验数据吻合得很好。
　　对于火焰直接在顶棚下方扩展实验，选取了不同形状及尺寸的圆形及线性燃烧器，包括直径分别为40mm、60mm、80mm的圆形燃烧器及尺寸为2*142.5mm、2*217mm的线性燃烧器;选取了6.12-12.24kW的9种不同的火源功率，共45种工况开展实验。实验观测到火焰在顶棚下方形成了特殊的“细胞状”火焰。这种特殊的火焰形态主要是由于瑞利-泰勒不稳定(“Rayleigh-Taylor”instability)造成的:由于火焰在燃料与空气的交界处燃烧，这使得燃料层的下部靠近火焰燃烧区的温度显著高于上部未燃的较冷的燃料，在浮力的作用下，下部的气流将加速向上流动，形成一种不稳定的热扩散状态。同时本文测量了圆形及线性火源下顶棚下方“细胞状”火焰的水平扩展长度。并基于量纲分析的方法分别建立了圆形及线性火源下火焰扩展长度的模型;同时基于数学统计的方法，统计了火焰的边缘处“细胞”的特征尺度，提出了火焰边缘处“细胞”面积与离开火源中心距离的关系式，并基于瑞利-泰勒不稳定原理对其进行了理论分析;同时，还研究了圆形及线性火源顶棚下方“细胞状”火焰的“细胞”总面积与火源功率的关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 顶棚下方火焰扩展行为研究的必要性

1．1．2 顶棚下方火焰扩展行为的燃烧特征

1．2 研究现状

1．2．1 火焰撞击顶棚形成的顶棚射流研究现状

1．2．2 火焰在顶棚下方扩展行为研究现状

1．2．3 研究现状小结

1．3 研究内容

1．4 各章节安排

第2章 实验设计

2．1 引言

2．2 实验平台及实验装置

2．2．1 火焰撞击顶棚后形成的火焰扩展行为实验平台

2．2．2 火焰在顶棚下方的扩展行为实验平台

2．3 实验的测量系统

2．3．1 火源功率测量系统介绍

2．3．2 风速测量系统

2．3．3 图像信息采集系统

2．4 实验设计

2．4．1 火焰撞击顶棚后形成的火焰扩展行为实验设计

2．4．2 火焰在顶棚下方的扩展行为实验设计

2．5 本章小结

第3章 纵向风作用下火焰撞击顶棚的扩展行为研究

3．1 引言

3．2 火焰撞击顶棚的水平扩展长度演化规律

3．2．1 顶棚下方上下游火焰扩展长度变化规律

3．2．2 顶棚下方火焰总扩展长度变化规律

3．3 火焰撞击顶棚的水平扩展长度预测模型

3．3．1 无风情况下火焰撞击顶棚的扩展长度预测模型

3．3．1 纵向通风情况下火焰撞击顶棚的扩展长度预测模型

3．4 本章小结

第4章 不同火源形状下顶棚下方“细胞状”火焰结构研究

4．1 引言

4．2 不同火源形状下顶棚“细胞状”火焰扩展及形态演化

4．3 不同火源形状顶棚“细胞状”火焰扩展长度模型

4．3．2 圆形火源顶棚“细胞状”火焰扩展长度模型

4．3．3 线性火源顶棚“细胞状”火焰扩展长度模型

4．4 圆形火源“细胞状”火焰中“细胞”尺寸及空间分布规律

4．4．1 火焰边缘处“细胞”面积与离开火源中心距离的关系

4．4．1 火焰“细胞”的总面积与火源功率的关系

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文的主要研究工作及结论

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文