低气压环境对液体池火诱导火羽流及顶棚射流的影响机理研究

摘要

由于环境压力对燃烧过程中的物理和化学反应有着显著的影响，低压下的火灾现象在最近引起了越来越多的关注。我国拥有四大高原，覆盖了大约1/3的国土，特别是青藏高原，其平均海拔高度超过4500 m，并且拥有数量众多的古建筑。高原上的低压环境导致了不一样的火灾特点，因此，也需要更加实用的理论支撑来发展相应的防火和灭火技术。此外，全球蓬勃发展的航空业也为识别和抑制航空运输中潜在的火灾危险性提出了新的挑战，因为货物在运输过程中通常都处于低气压环境。同时，在高高原地区（海拔大于2438 m）也相继建设了一批机场，其中我国就有超过12个高高原机场，这些场所内航空燃油的火灾危险性也需要进一步关注。明确了压力不同导致的燃烧行为的不同，将会对高原和航空环境下的防火提供有效的指导。
　　在研究低压对火灾行为的影响中，最常用的两种模拟低压环境的方法就是高原实地或者是采用压力可控的低压实验舱。为了研究低压舱能否真实地模拟高原环境以及低压实验舱的应用范围，本文分别采用了这两种实验方法，开展了不同油盆尺寸的正庚烷池火，对比分析了两者在燃烧强度、火焰形态以及轴向羽流分布等参数上的区别。结果发现:仅对于直径6～12 cm的池火，低压舱实验可以较好地模拟准稳态阶段的燃烧强度;所有工况条件下，火焰形态均存在差异，低压舱实验的火焰细长度较高;在考虑压力影响的情况下，准稳态阶段的轴向温度分布与经典的火羽流理论符合较好，而对14 cm的池火，实地实验和低压舱实验的羽流温度表现出明显的差异。
　　基于上述的结论，在低压舱内开展了直径6～10 cm的正庚烷池火实验，实验在四种静态压力下进行，分别为101、80、60、40 kPa。质量燃烧强度主要由对燃料的热传导、对流和辐射热反馈决定，分析表明，对流项是燃料汽化的主要热源。当油盆直径为6 cm时，建立了新的理论模型解释燃烧强度与环境压力的依赖关系。视频记录显示，火焰高度随压力下降而上升，无量纲分析结果与实验现象相符。为了进一步验证压力模型和辐射模型在低压下的适用性，在高原实地开展了一系列较大尺寸的池火实验，实验采用三种不同碳烟水平的燃料，包括乙醇、正庚烷和航煤，每组实验均记录了质量损失、辐射温度分布和辐射热流三个参数。从对实验数据的分析看出，无量纲燃烧强度(m)

目录

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摘要

图例目录

表例目录

符号对照表

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 航空环境下的火灾危险性

1．1．2 高海拔环境下的火灾危险性

1．2 研究现状分析

1．2．1 高压下的燃烧行为

1．2．2 低压下的燃烧行为

1．2．3 顶棚射流研究

1．3 研究目标与方法

1．4 本文章节结构安排

第2章 小型池火相关基础理论

2．1 火灾的尺度模型

2．1．1 池火的尺度模型

2．1．2 考虑压力影响的相似准则

2．2 理想羽流假设

2．2．1 初始条件设定

2．2．2 质量的连续性方程

2．2．3 动量和浮力方程

2．2．4 微分方程的解析解

2．3 顶棚射流相关表达式

2．3．1 弱羽流驱动顶棚射流

2．3．2 强羽流驱动顶棚射流

2．4 本章小结

第3章 低压舱封闭效应对碳氢燃料燃烧行为的影响研究

3．1 引言

3．2 环境压力和氧浓度对燃烧过程的影响

3．3 总体实验设计

3．3．1 实验装置介绍

3．3．2 实验设置

3．3．3 实验工况

3．4 结果与讨论

3．4．1 质量损失速率

3．4．2 火焰形态

3．4．3 轴向温度分布

3．5 数值模拟验证

3．6 本章小结

第4章 压力对低压舱内小型池火传热机理的影响研究

4．1 引言

4．2 实验设计

4．3 结果与讨论

4．3．1 燃烧强度

4．3．2 火焰形态

4．4 本章小结

第5章 不同碳烟水平液体燃料高海拔实地实验研究

5．1 引言

5．2 实验设计

5．3 结果与讨论

5．3．1 燃烧强度

5．3．2 轴向温度分布

5．3．3 辐射热流量

5．4 本章小结

第6章 水平非受限顶棚下方池火热行为研究

6．1 引言

6．2 实验说明

6．2．1 强羽流驱动顶棚射流

6．2．2 弱羽流驱动顶棚射流

6．3 结果与讨论

6．3．1 不同顶棚高度对池火燃烧行为的影响

6．3．2 压力对顶棚下方最大温升的影响

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士期间发表的学术论文