狭长空间油池火燃烧特性的实验与数值模拟研究

摘要

城市化进程不断加快，出现了越来越多的大型建筑和隧道空间。在外型上，许多建筑都为狭长空间。狭长空间火灾的发展受诸多因素的影响，比如燃料、火源尺寸、壁面材料、开口条件及通风条件等。因此，开展狭长空间影响火灾发展规律的因素研究有着重要意义。
　　本文利用小尺度实验模拟、及数值模拟相结合的方法，研究了狭长空间内的火灾发展规律及燃烧特性的变化规律。通过文献调研，分析研究后搭建了小尺寸实验台，在此基础上搭建了小尺寸狭长空间火灾实验台，实验过程中通过改变不同的边界条件开展了一系列的实验，测量了烟气温度、浓度和质量损失速率，研究不同工况条件下狭长空间火灾的发展过程。最后对实验数据进行处理，分析研究了各种工况条件下狭长空间火灾的燃烧特性。
　　通过实验模拟，首先研究了准稳态条件下开口形态的影响，正庚烷的无量纲质量损失速率随开口的增大而减小，且服从指数衰减规律;另一方面，不同开口大小的无量纲质量损失速率变化趋势相同，而且无量纲质量损失速率随开口尺寸的增大而减小。其次针对远火源场，实验证实了温度的纵向衰减符合指数关系，几种开口大小的远火源端纵向温度衰减因子变化规律一致，均随着中性面高度的增加而增大;而且中性面高度相同时，远火源端的纵向温度衰减因子随开口大小的增大而增大。之后，实验还证实了竖向温度分布属于高斯型，最高温度距顶棚的位置随中性面高度变化趋势相同。
　　利用小尺寸实验模拟，研究开口位置耦合火源尺寸下的火灾发展情况。通过与开放空间Babraluskas经验值以及狭长空间0.Megret模型预测值的对比，单位面积的质量损失速率在Babraluskas经验值的最小值和最大值之间变化，但不是线性增长，而是先减小后增大;实验值比狭长空间0.Megret模型预测值高。针对狭长空间温度分布，不同油盘尺寸的无量纲顶棚温升变化趋势相同，服从指数衰减，而且具有高度的相似性。在远火源区，油盘尺寸对各断面处无量纲竖向温升分布规律影响可以忽略，不同油盘尺寸的各断面处无量纲温升均很好的服从高斯分布，并具有很高的相似性。
　　随后，通过实验模拟研究了狭长空间双火源燃烧特性。研究发现，火源1和火源2不同油盘尺寸对其质量损失速率的影响比较复杂，整体而言，火源2油盘尺寸小对火源1的影响较小，油盘尺寸较大时将抑制火源1的燃烧。远火源区竖向温度分布具有高度的相似性，服从高斯分布，不随火源2油盘尺寸的变化而改变。此外，火源1的燃烧充分与否直接影响CO浓度的产量。而对于延时点火的实验研究，火源2延时点火时火源1的质量损失速率明显高于未延时的;相对于单一火源，延时点火的质量损失速率峰值明显较小。延时点火时CO浓度峰值几乎相等，相对于未延时点火的情况，CO浓度峰值小了一个量级。
　　最后，利用小尺度狭长空间实验台的测量数据和数值模拟软件FDS研究了狭长空间双火源对燃烧特性的影响。通过FDS模拟，给出了x-z平面上温度场和速度场随时间的变化情况，并通过对比发现双火源作用下，对于双火源之间的温度分布而言，着火后不久燃烧比较充分，此时FDS模拟产生的烟尘高于实验值，双火源之间FDS模拟温度较高;充分发展后，燃烧不充分，FDS模拟产生的烟尘低于实验值，造成了此时的FDS模拟温度较低。对于远火源区，FDS模拟温度普遍低于实验值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 狭长空间的常见类型

1．1．2 狭长空间火灾的严重性

1．1．3 狭长空间的火灾特性

1．1．4 各种影响因素作用下狭长空间火灾的特殊性

1．2 国内外研究现状

1．2．1 开口形态对火灾燃烧特性的影响研究

1．2．2 火源尺寸对火灾燃烧特性的影响研究

1．2．3 双火源火灾的燃烧特性研究

1．3 本文的研究内容及技术路线

1．4 本文的章节安排

参考文献

第二章 狭长空间小尺寸实验台的设计与建立

2．1 引言

2．2 国内外狭长地下空间实验模型

2．3 实验模型的相似性准则

2．4 实验台的构造与功能

2．5 实验测量方法

2．5．1 火源质量损失速率的测量

2．5．2 温度的测量

2．5．3 烟气浓度的测量

2．5．4 辐射热流密度的测量

参考文献

第三章 开口形态对燃烧特性的影响规律研究

3．1 引言

3．2 开口形态影响烟气运动的理论分析

3．2．1 狭长空间的烟气运动物理模型

3．2．2 通风因子

3．2．3 远火源端温度分布

3．3 开口尺寸对燃烧特性的影响作用

3．3．1 实验工况设置

3．3．2 典型结果分析

3．3．3 开口尺寸的影响

3．4 开口位置对燃烧特性的影响作用

3．4．1 实验工况

3．4．2 中性面高度的确定

3．4．3 典型结果与分析

3．4．4 开口位置的影响

3．4．5 开口形态对燃烧特性影响的综合分析

3．5 小结

本章符号表

参考文献

第四章 火源开口耦合因素对燃烧特性的影响规律研究

4．1 引言

4．2 燃烧速率

4．2．1 开放空间内燃烧速率

4．2．2 狭长空间内燃烧速率

4．3 实验工况

4．4 结果分析

4．4．1 质量损失速率

4．4．2 纵向温度分布

4．4．3 竖向温度分布

4．4．4 CO浓度分布

4．5 小结

本章符号

参考文献

第五章 狭长空间双火源油池火燃烧特性的实验研究

5．1 引言

5．2 实验工况设置

5．3 双火源实验结果分析

5．3．1 典型实验结果分析

5．3．2 质量损失速率

5．3．3 顶棚温度

5．3．4 远火源区竖向温度

5．3．5 CO浓度

5．4 不同火源形状的双火源结果分析

5．5 延时点火的实验结果分析

5．6 小结

参考文献

第六章 狭长空间双火源油池火燃烧特性的数值模拟研究

6．1 引言

6．2 数值模拟软件FDS介绍

6．2．1 FDS建模思想

6．2．2 网格选取

6．3 模拟结果概况

6．4 模拟结果对比分析

6．5 模拟结果与实验结果的比较验证

6．6 小结

本章符号表

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 本文的工作及结论

7．2 本文的创新点

7．3 下一步工作展望

致谢

攻读博士期间完成的论文

参与的科研项目与横向课题