细水雾与气体射流火焰相互作用的实验与数值模拟研究

摘要

因易燃易爆气体泄漏而形成射流火焰并引发火灾、爆炸等重大灾害事故的案例近年来时有发生，因此开展针对易燃易爆气体火灾爆炸事故防治方面的研究，具有重要的科学意义和实用价值。细水雾灭火技术因其清洁、高效、对人员和设备安全、用水量少等诸多优点，被认为是哈龙系列灭火剂的主要替代技术之一，并已在交通、电力、电信、烟草等领域的消防工程中得到成功应用。然而，有关细水雾抑制熄灭气体射流火方面的研究尚较少，特别是仍缺乏对细水雾抑制熄灭气体射流火的机理和规律及其影响因素的系统研究。因此，本文通过小尺度实验模拟和数值模拟，研究细水雾与气体射流火焰的相互作用过程，进而揭示细水雾抑制熄灭气体射流火的机理和规律，并探讨有关的影响因素。
　　 为了对细水雾抑制熄灭射流火焰进行定量的分析，本文首先利用粒子成像技术对细水雾雾场粒径分布和雾滴速度分布进行测量和分析。基于不同压力下细水雾雾场特性的实验测量数据，拟合得到细水雾雾滴粒径累积概率分布函数、雾滴粒径单一区间概率分布函数及雾滴速度累积概率分布函数。基于上述分布函数，研究了细水雾压力对细水雾雾场特性的影响。该研究为研究不同特性的细水雾雾场抑制熄灭射流火焰机理提供详实的数据。
　　 基于细水雾与气体射流火焰相互作用的模拟实验结果，依据细水雾抑制熄灭气体射流火焰的时间将细水雾作用过程分为三类：瞬间熄灭、长时间熄灭和无法熄灭。并提出以细水雾雾动量和气体射流火焰动量之比为临界判据，区分细水雾抑制熄灭射流火焰三种典型过程，并通过大量的实验数据验证该临界动量比。通过该临界动量比可以指导防治射流火焰引发的火灾过程中的细水雾灭火系统的相关参数设计。
　　 针对射流火焰无法被熄灭的工况，以理论分析和实验结果得出存在一个灭火效率最佳的细水雾压力，即在该压力下的细水雾雾滴粒径和速度分布灭火效果最佳。该研究对工程实际应用过程中细水雾灭火系统的喷嘴结构设计具有重要意义。
　　 通过测量细水雾抑制熄灭射流火焰过程中火焰热辐射通量的变化，研究气体燃料流量、细水雾压力，射流火焰喷嘴直径等对火焰热辐射通量的影响。结合实验结果，以细水雾动量与气体射流火焰动量之比对细水雾抑制射流火焰过程中热辐射通量的强化区和非强化区进行临界区分。并以此对细水雾抑制气体射流火焰过程中火焰热辐射通量强化机理进行分析。为消防人员防护在使用细水雾灭火系统过程中有可能引发的火焰强化提供必要的理论依据。
　　 通过受限空间内细水雾抑制熄灭射流火的模拟实验研究，发现细水雾抑制熄灭气体射流火焰过程中一氧化碳生成速率存在两种控制模式，即燃料控制模式和细水雾流量控制模式。为了获得两种控制模式的临界转变条件，对燃料控制模式和细水雾控制模式的临界工况进行水蒸气含量分析。通过理论分析，得到一氧化碳生成速率控制模式转变的水蒸气含量临界范围。为细水雾系统在室内的应用设计，提供理论依据。
　　 本文首次采用涡耗散模型模拟细水雾灭火过程中的气体射流火焰，得到了细水雾抑制熄灭射流火焰过程中的特殊现象。通过数值模拟与实验结果的比较，证明了涡耗散模型和离散相模型模拟细水雾与射流火焰相互作用过程中正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目标

1．3 研究内容和技术路线

参考文献

第2章 细水雾与气体射流火焰相互作用实验台设计及构建

2．1 前言

2．2 细水雾与气体射流火焰相互作用实验台

2．2．1 丙烷射流火焰系统

2．2．2 细水雾灭系统

2．3 测量系统

2．4 总结

参考文献

第3章 细水雾雾场特性测量及分析

3．1 引言

3．2 实验装置

3．3 实验结果与分析

3．3．1 雾滴平均粒径

3．3．2 雾滴粒径分布

3．3．3 雾场雾滴速度分布

3．4 结论

参考文献

第4章 细水雾与气体射流火焰相互作用典型现象及临界条件

4．1 前言

4．2 实验装置

4．3 实验现象

4．4 细水雾抑制熄灭射流火焰临界条件

4．4．1 细水雾动量定义

4．4．2 火焰动量定义

4．5 灭火临界动量比

4．6 细水雾抑制气体射流火焰的最佳雾特性

4．6．1 理论分析

4．6．2 细水雾抑制火焰过程中火焰高度特性研究

4．7 结论

参考文献

第5章 细水雾作用下气体射流火焰热辐射特性实验研究

5．1 前言

5．2 实验装置

5．3 实验结果及分析

5．3．1 细水雾未施加前火焰辐射通量

5．3．2 施加细水雾后火焰辐射通量

5．3．3 细水雾抑制火焰过程中的热辐射强化现象研究

5．4 结论

参考文献

第6章 受限空间内细水雾抑制熄灭气体射流火焰过程中—氧化碳生成速率的研究

6．1 前言

6．2 实验装置

6．3 实验结果与讨论

6．4 结论

参考文献

第7章 细水雾与气体射流火焰相互作用的数值模拟

7．1 前言

7．2 数学模型

7．2．1 火焰模型

7．2．2 细水雾模型

7．2．3 数值算法

7．3．实验结果

7．3．1 实验装置

7．3．2 实验典型现象与分析

7．4 数值模拟结果

7．4．1 细水雾迅速熄灭甲烷射流火焰

7．4．2 灭火过程中，火焰区抬升直至熄灭

7．5 结论

参考文献

第8章 结论与展望

8．1 本文主要工作及结论

8．2 本文创新点

8．3 下一步工作展望

致谢

攻读博士期间完成的论文