矩形火源火羽流与顶棚射流行为及特征参数模型研究

摘要

现实中发生的火灾，火源形状由轴对称到线性不等，可以近似处理为不同长宽比的矩形。前人针对矩形火源竖向燃烧的火羽流行为与特征参数演化规律开展了较多的研究，但是对于一些特殊但是常见的矩形火源火羽流行为研究还很不足:(1)矩形火源水平喷射火羽流。对于水平喷射火羽流，比如输气管道侧面破裂引发的燃气泄漏火灾，前人研究多是针对轴对称火源开展，而燃气管道破裂口也可能是矩形和线性的;(2)线性火源诱导的顶棚射流。前人针对自由的线性火源火羽流开展了较多的研究，对于顶棚射流的研究主要利用的是轴对称火源，而针对线性火源上方受到顶棚限制产生的顶棚射流的研究还很缺乏;(3)不同墙壁-火源间距矩形火源火羽流。墙壁对火羽流空气卷吸有重要影响，前人关于矩形火源火羽流行为的研究多考虑自由情况和矩形火源紧贴壁面的情况，但是现实中，矩形火源与墙壁可能存在一定的间距，例如室内沙发、桌椅等家具可能会紧贴墙壁但也可能与墙壁具有一定间距，一旦发生火灾就会引发不同墙壁-火源间距的近壁火;(4)矩形火源贴壁火+倾斜顶棚。前人分别针对贴壁火和顶棚射流进行了相关的研究，但是对于贴壁火诱导的顶棚射流特别是倾斜顶棚射流研究还不足，而这种火灾场景存在于室内火灾中。因此，需要针对上述火灾场景，研究矩形火源火羽流与顶棚射流行为及特征参数的分布规律。
　　本文围绕矩形火源火羽流与顶棚射流行为及特征参数演化规律，采用实验研究与理论分析相结合的方法升展研究。利用自制的一系列矩形燃烧器作为火源（长宽比从1∶1到71∶1），首先研究了矩形火源水平喷射火羽流行为与火焰长度演化规律，其次研究了线性火源诱导的水平顶棚射流温度分布及火焰扩展长度演化规律，然后研究了不同长宽比矩形火源不同墙壁-火源间距的近壁火火焰触壁行为及火焰形态参数演化规律，最后研究了不同长宽比火源贴壁火诱导的倾斜顶棚射流温度分布及火焰扩展行为。具体的工作包括:
　　揭示了火源长宽比对矩形火源水平喷射火焰长度的影响，建立了火焰长度无量纲预测模型。利用长宽比(n=L/W)为1∶1-71∶1的8个矩形火源开展了水平喷射实验。发现火焰水平方向长度随着火源热释放速率的增加而变大，对于相同火源开口面积，火焰水平方向长度随着火源长宽比的增大而减小。基于火焰的动量通量和浮力通量的竞争分析，针对火焰长度提出了一个无量纲方程，并发现了与火源长度和宽度相关的特征长度尺度。基于发现的特征长度尺度定义了新的无量纲火源热释放速率。拟合结果根据火焰长度与新的无量纲热释放速率的关系可以分为两个区域:(1)对于较小的火源无量纲热释放速率，火焰长度与热释放速率有2/3次方的关系，为二维空气卷吸;(2)对于较大的火源无量纲热释放速率，火焰长度与热释放速率有2/5次方的关系，为三维空气卷吸。
　　建立了线性火源诱导的水平顶棚射流温度分布和火焰扩展长度预测模型。发现了线性火源(长宽比为18∶1)诱导的水平顶棚射流温度的非对称性分布，平行于火源长边方向温度比垂直于火源长边方向的温度衰减的慢，基于羽流尺度线性增长假设，提出了不同方向的特征长度尺度，利用前人的实验数据与补充的大尺度数据，通过烟气层能量守恒分析，结合提出的特征长度尺度建立了统一描述不同方向温度分布的预测模型;利用长宽比为71∶1的线性火源开展实验，研究了水平顶棚下方不同方向火焰扩展长度演化规律，平行于火源长边方向的火焰扩展长度比垂直于火源长边方向的火焰扩展长度短，两者的差别随着顶棚高度的变大而减小，随着火源功率的变大而增大，基于火焰形态假设，分析火焰撞击顶棚后未燃燃料量在两个方向的不对称分布，并提出表征特征长度尺度，建立了统一描述不同方向火焰扩展长度的理论公式。
　　研究了不同长宽比矩形火源（长宽比1∶1-71∶1）不同墙壁-火源间距的近壁火火焰触壁行为及火焰形态参数演化规律，并建立了相关参数的预测模型。对于火源紧贴墙壁的贴壁火，测量了不同长宽比矩形火源火焰高度、最大平均火焰厚度、最大平均火焰宽度以及火焰高度振荡范围，同时与自由火焰进行了对比，通过镜像处理之后贴壁火无量纲火焰高度与自由火无量纲火焰高度接近，发现了火焰由二维空气卷吸到三维空气卷吸的转折，贴壁火焰高度振荡范围和无量纲贴壁火焰厚度都比自由火焰小，同时随着火源长宽比的增大而减小，无量纲贴壁火焰宽度比自由火焰略小，基于贴壁火和自由火火焰高度振荡范围及火焰空气卷吸的差异对上述实验现象进行了解释;探究了火焰随着墙壁-火源间距的增大由完全贴壁到部分贴壁再到完全不贴壁的过渡行为，随着墙壁-火源间距的增大，火焰最低触壁高度逐渐变大，总的火焰高度逐渐变小，揭示了火源尺寸以及墙壁-火源间距对火焰触壁概率和火焰形态参数的影响机制，通过理论分析建立了火焰触壁概率和火焰形态参数的预测模型。
　　研究揭示了不同长宽比火源贴壁火诱导的倾斜顶棚射流温度分布和火焰扩展长度演化规律。首先利用长宽比为1∶1的方形燃烧器开展实验，火源紧贴墙壁，上方为可以调节角度的倾斜顶棚，测量了垂直于墙壁与顶棚交线方向的顶棚下方烟气温度，发现顶棚倾角对顶棚烟气最高温升没有影响，靠近羽流撞击区温度随着顶棚倾角的增大而增大，远离羽流撞击区域，正角度温度逐渐互相接近，而负角度温度急速降低至室温，基于前人的模型结合实验数据建立了耦合顶棚倾角的温度分布预测模型;利用长宽比为1∶1-71∶1的四个矩形燃烧器开展贴壁火诱导的倾斜顶棚射流火焰扩展长度实验，顶棚倾角取为-20°、-10°、0°（水平顶棚）、10°和20°，发现垂直于墙壁与顶棚交线方向火焰扩展长度随着顶棚倾角的增大而增大，平行于墙壁与顶棚交线方向火焰扩展长度随着顶棚倾角的增大而减小，顶棚下方火焰扩展面积不随顶棚倾角变化，通过分析浮力平行于顶棚方向的分力对顶棚下方未燃燃料量分布的影响，对上述实验现象进行了解释，基于火焰撞击顶棚时的质量动量守恒，建立了不同方向火焰扩展长度理论预测模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 矩形火源火羽流与顶棚射流现象

1．1．2 水平喷射火羽流行为研究现状

1．1．3 近壁火特征参数研究现状

1．1．4 顶棚射流特征参数研究现状

1．2 本文的研究内容

1．3 本文的研究方法

1．4 本文的章节安排

参考文献

第二章 实验装置和测量系统设计

2．1 引言

2．2 实验装置介绍

2．2．1 火源设计

2．2．2 近壁火羽流实验装置

2．2．3 顶棚射流实验装置

2．3 测量系统介绍

2．3．1 图像记录系统

2．3．2 温度测量系统

2．3．3 火源功率测量

2．3．4 火焰形态的获取

参考文献

第三章 矩形火源湍流扩散火焰水平喷射行为与火焰长度演化规律研究

3．1 引言

3．2 实验设计

3．3 矩形火源水平喷射火焰长度及与前人模型的对比

3．4 矩形火源水平喷射火焰长度预测模型

3．5 本章小结

本章符号

参考文献

第四章 线性火源诱导的水平顶棚射流温度分布和火焰扩展长度演化规律研究

4．1 引言

4．2 线性火源顶棚射流温度分布规律

4．2．1 实验设计

4．2．2 线性羽流顶棚最高温升预测模型

4．2．3 线性羽流顶棚温度衰减规律

4．2．4 线性羽流顶棚温度衰减规律预测模型

4．3 线性火源顶棚射流火焰扩展长度演化规律

4．3．1 实验设计

4．3．2 线性火源顶棚火焰扩展长度与已有模型的对比

4．3．3 线性火源顶棚火焰扩展长度预测模型

4．4 本章小结

本章符号

参考文献

第五章 矩形火源不同墙壁-火源间距近壁火火焰触壁行为与形态参数演化特征研究

5．1 引言

5．2 矩形火源贴壁火火焰形态参数演化特征

5．2．1 实验设计

5．2．2 矩形火源贴壁火火焰高度预测模型

5．2．3 矩形火源贴壁火火焰高度振荡范围演化特征

5．2．4 矩形火源贴壁火火焰厚度和宽度演化特征

5．3 墙壁-火源间距对近壁火火焰触壁行为与火焰形态参数的影响和表征

5．3．1 实验设计

5．3．2 近壁火火焰触壁行为及无量纲表征模型

5．3．3 近壁火火焰最低触壁高度预测模型

5．3．4 近壁火火焰高度预测模型

5．4 本章小结

本章符号

参考文献

第六章 矩形火源贴壁火诱导的倾斜顶棚射流温度分布和火焰扩展长度演化规律研究

6．1 引言

6．2 方形火源贴壁火诱导的倾斜顶棚温度分布数学模型

6．2．1 实验设计

6．2．2 方形火源贴壁火倾斜顶棚最高温升预测模型

6．2．3 顶棚倾角对温度衰减规律的影响及温度分布预测模型

6．3 矩形火源贴壁火诱导的倾斜顶棚火焰扩展长度演化规律

6．3．1 实验设计

6．3．2 顶棚倾角对火焰扩展长度的影响

6．3．3 贴壁火诱导的倾斜顶棚射流火焰扩展长度预测模型

6．4 本章小结

本章符号

参考文献

第七章 结论及展望

7．1 本文结论

7．2 本文创新点

7．3 研究展望

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与获得的奖励