高海拔环境对油池火行为及油面辐射热反馈的影响研究

摘要

作为最严重的灾害之一,火灾一直威胁着人类的生命和财产安全,因此如何消除或降低潜在的火灾威胁就成为了消防系统的主要目标。燃料燃烧特性和火灾发展规律是消防安全预防设计和控制工程中所需的基本知识,因此在常压环境中得到了广泛的研究。世界上最大和最高的高原是青藏高原,有时被称为“世界屋脊”。西藏具有悠久的历史,独特的区域特色和深厚的藏文化传统,创造了一种独特的科学和美学价值的建筑艺术风格。出于对文物的保护,消防安全在这些古建筑中应该高度重视。然而,高海拔环境下的火灾特征将受到火焰对燃料热反馈的影响,其中辐射反馈项在实际火灾中占主导地位。因此,分析高原环境对火焰辐射热反馈等相关参数的影响将对高原地区的消防安全具有重要的科学意义和工程应用价值。
　　为了揭示环境压力和热反馈对油池火燃烧行为的影响,首先在低压舱中进行了不同外加辐射强度下的小规模油池火实验,同时还开展了实地试验对结论进行进一步验证。结果表明,在固定环境压力下,随着外加辐射强度的增加,质量损失率或燃烧强度增加,燃烧持续时间缩短。对于外加辐射强度足够大的实验工况,燃烧在短暂的快速上升阶段之后直接进入沸腾阶段,然后进入衰退阶段,其中准稳态燃烧阶段并没有出现。虽然低压的稀薄空气削弱了气相燃烧强度,但是对于正庚烷油火试验,当外加辐射强度大于2kW/m2时,质量损失速率在两种压力之间的差异缩小。当辐照度达到10kW/m2时,由于低压环境下沸点温度更低,因此燃烧强度更高。对于航空煤油的油池火,尽管平均质量损失速率在拉萨与合肥的比例随着额外的辐射热通量的增加而单调增长,但比值一直小于1。由此可以推测,航空煤油从压力主导的模式转换到外加辐射的主导模式过渡阈值高于测试范围（大于10kW/m2）的上限。此外,低压条件下的火焰温度较常压下高,而羽流温度较常压下低,火焰区与羽流区的过渡点油盆上方30～45厘米之间。并且,低压下火焰辐射热通量的较小,因为碳黑体积分数在低压环境下更低。
　　通过采用缩小尺寸的量热仪,分析了高海拔环境对热释放速率和燃烧效率的影响。在合肥(24m,100.8kPa)和拉萨(3650m,64kPa)两个地点分别测试了两组具有燃油液位维持系统的中等尺寸的油池火灾(D=0.15,0.25m)。燃料选用了具有不同发烟水平的燃油:正庚烷和航空煤油,并通过引入环境压力效应,修改了ISO9705标准中计算热释放放率的方法。实验结果表明,两种燃料准稳态阶段的无量纲燃烧强度与压力建模符合的较好,且航空煤油的无量纲质量损失速率与辐射模型符合的较好,而正庚烷与辐射模型符合的并不理想。高海拔环境下,燃烧效率略高于标准大气压,且在固定压力下,燃烧效率随着油盆尺寸的减小而逐渐增加。
　　为了研究高海拔地区低气压对火焰在油池燃料表明的辐射反馈的影响,采用直径为0.15m,0.25m和0.35m的三个圆形燃烧器,在拉萨和合肥分别进行了一系列具有稳定液面的正庚烷池火实验。对比分析了燃料表面的入射辐射热通量和与辐射反馈（包括火焰形状和温度分布）有关的其他燃烧特性。虽然火焰形状在两个环境压力下相似,但是随着油盆尺寸的增加,火焰形状出现明显变化。对于油盆直径为0.15m的火焰,火焰呈近似的圆柱形,而油盆直径为0.35m时,火焰更接近于圆锥形。在油盆直径相同时,平均火焰高度在低压环境下更长。拉萨的平均火焰温度由于空气卷吸和热辐射损失的减少而相对较高,轴向温度上升可以用无量纲参数z(P/Q)2/5进行拟合。实验结果还表明,低压环境下,油池火的燃料表面接收的辐射反馈降低,平均值与T5fP2Lm相关。辐射反馈分数定义为燃料表面吸收的辐射热与蒸发所需的热量比例,对于直径为0.15米的池火,两地的值均为30％左右,而对于直径为0.55米的油池火,拉萨的值为55％,而合肥的值为76％。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国的高海拔地区分布

1．1．2 西藏高原上的消防安全困境

1．2 高海拔环境对火灾特性的影响

1．2．1 高海拔环境对气体燃料火灾的影响

1．2．2 高海拔环境对固体火灾的影响

1．2．3 高海拔环境对油池火的影响

1．3 研究目标

1．4 章节内容安排

第2章 低压环境对火焰热反馈的理论分析

2．1 液体燃料的扩散燃烧

2．2 辐射基本理论

2．3 火焰热反馈的影响

第3章 实验设计及测量设备

3．1 引言

3．2 实验平台

3．2．1 标准火灾探测实验问

3．2．2 锥形量热仪实验平台

3．2．3 辐射加热锥实验平台

3．2．4 步入式低压舱

3．3 测量设备

3．3．1 热电偶

3．3．2 辐射热流计

3．3．3 气体分析仪

3．3．4 电子天平

3．3．5 数据采集模块

3．3．6 清摄像机

3．3．7 稳液面装置

3．3．8 燃烧器

第4章 外加辐射对油池火燃烧行为的影响

4．1 引言

4．2 实验设置

4．2．1 低压舱内的实验设置

4．2．2 实地实验的实验设置

4．3 验结果讨论

4．3．1 低压舱内的实验结果讨论

4．3．2 实地实验的实验结果讨论

4．4 总结

第5章 高原环境对油池火热释放速率的影响

5．1 引言

5．2 实验设计

5．2．1 测试平台

5．2．2 实验设计

5．3 结果与讨论

5．3．1 质量损失

5．3．2 热释放速率(HRR)

5．3．3 辐射反馈

5．3．4 温度

5．4 总结

第6章 环境压力对辐射热反馈的影响

6．1 引言

6．2 实验设计

6．3 结果与讨论

6．3．1 燃烧过程

6．3．2 火焰形状

6．3．3 火焰轴心线温度

6．3．4 火焰辐射热反馈

6．4 结论

第7章 结论与工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果