烟气中性面的理论模型及实验研究

摘要

开口是建筑与外界环境进行能量与质量交换的主要渠道，而中性面则是开口内外的烟气流动主要影响因素。中性面作用下的开口流动一方面决定着火房间内的火灾发展，另一方面又是烟气流出着火房间，在建筑内大面积蔓延的主要原因。因此，研究中性面对于建筑火灾烟气防控具有重要意义。
　　 本文通过理论分析、实验和数值模拟相结合的方法，围绕烟气中性面的基础问题开展了以下几个方面的研究：火灾实验模拟火源的燃烧特性和稳定性；烟气层分界面计算方法；考虑温度和开口宽度分布的竖井中性面计算模型；有排烟仓室的开口中性面计算理论模型和溢流抑止条件等。论文的具体工作包括：
　　 研究了池火火源燃烧特性以及水浴保护下的稳定性。通过实验发现，汽油池火的辐射热反馈量占总反馈量的84.6，甲醇为3l.9％。因此，汽油的燃烧速率对火焰扰动更敏感。有水浴时池火燃烧速率更稳定，但均值有不超过10%的降低。因而，为了得到更稳定的火源功率时，在火灾实验时宜对池火火源进行水浴保护。
　　 发展了一种新的烟气层分界面计算方法。该方法基于客观温度数据，通过比较不同温度阈值下的类内方差和类内积分比，在有效摒除阈值选定过程人为主观性和经验性的同时，保证了分界阈值的最优化。试验表明，该方法基本消除了温度振荡对烟气层计算的不利影响。在烟气层温度较低、温度梯度较小的状况下，该方法仍可合理有效的计算整个火灾过程的烟气层高度变化，为区域模型分区提供了比其他方法更为接近真实的分界面位置。
　　 研究了竖井内温度衰减原因，建立了考虑温度以及开口宽度分布的中性面计算模型。根据管道内部流动下的传热计算方程对竖井的壁面热损进行了量级分析，认为在烟气运动时间较长的竖井内，壁面热损的影响应当考虑，并得到了指数规律分布的竖井内温度计算式。在此基础上，还发展了一种考虑竖井中性面下部低温空气卷入对竖井内温度衰减影响的迭代算法。建立了一个考虑开口宽度分布、竖井内温度分布以及项部开口大小的竖井中性面计算通用连续模型，并通过1/8小尺寸实验检验发现，该模型的中性面高度计算结果和实验结果相比偏差较小，一般都在5%之内，优于已有的其他模型。
　　 研究了排烟作用下仓室开口中性面计算模型及溢流抑止临界条件。建立了排烟仓室烟气中性面计算的区域模型和连续模型，得到了溢流抑止临界排烟流量以及开口处气体流量的计算式。通过数值模拟研究发现室内温度主要受火源功率的影响。排烟量、开口宽度，火源功率对开口处流动状态有着重要影响，是影响溢流抑止条件的重要参数。通过全尺寸实验研究发现：在排烟仓室火灾条件下，200s左右室内温度基本稳定，烟气沉降到地面。不同高度处的温升呈近似线性分布，同种火源功率条件下仓室内温度变化不大。研究还也发现临界排烟量分别随着开口宽度和火源功率的增加而增加。通过全尺寸实验和数值模拟对区域和连续模型进行了检验，发现这两种模型都可以较好的计算排烟仓室的中性面高度，溢流抑止临界排烟量，开口烟气流入质量流量。区域模型计算方便，但是相比连续模型计算精度要差一些，且其得到的临界排烟量偏低，开口烟气流入质量流量偏高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 建筑火灾的严峻性

1.1.2 火灾烟气的危害性及防控必要性

1.1.3 中性面在火灾烟气防控中的意义及应用

1.2 研究现状

1.2.1 烟气中性面计算理论模型研究

1.2.2 仓室开口烟气流动与中性面研究

1.2.3 烟气层分界面计算方法研究

1.2.4 前人研究不足与本文主要研究内容

1.3 本文的章节安排

本章参考文献

第二章 建筑火灾烟气流动的研究方法

2.1 引言

2.2 建筑火灾烟气流动的实验研究

2.2.1 流动相似理论

2.2.2 本文的实验研究平台

2.2.3 实验测量系统

2.3 建筑火灾烟气流动的数值模拟研究方法

2.4 本章小结

本章参考文献

第三章 火灾实验的火源燃烧特性及稳定性

3.1 火源选择与燃烧稳定性

3.2 池火燃烧的基本守恒方程

3.3 池火辐射热反馈研究

3.3.1 实验设计

3.3.2 实验结果分析讨论

3.4 水浴保护下的池火燃烧稳定性

3.4.1 加水浴保护后的池火燃烧守恒方程

3.4.2 实验设计

3.4.3 典型结果及讨论

3.5 本章小结

本章参考文献

第四章 基于分类的烟气分界面计算方法

4.1 引言

4.2 基于分类的烟气层分界面计算原理

4.2.1 基于方差的烟气层分界阈值计算方法

4.2.2 基于积分比的烟气层分界阈值计算方法

4.3 试验应用及验证

4.3.1 试验介绍

4.3.2 分析与讨论

4.4 本章小结

本章参考文献

第五章 考虑温度和开口宽度分布的竖井中性面计算模型

5.1 引言

5.2 考虑壁面热损的竖井烟气温度竖向分布

5.2.1 壁面热损对竖井内温度衰减的量级分析

5.2.2 考虑壁面热损的竖井温度分布

5.3 中性面计算的温度连续模型

5.3.1 考虑侧向开口宽度分布的中性面计算模型

5.3.2 侧向开口加上部开口的中性面计算模型

5.4 考虑竖缝开口卷吸作用的竖井温度计算模型

5.5 试验验证

5.5.1 小尺寸竖井实验布置情况

5.5.2 连续模型的验证

5.6 本章小结

本章参考文献

第六章 有排烟仓室的中性面计算模型及溢流抑止临界条件

6.1 引言

6.2 基于区域模型的排烟仓室开口烟气中性面计算模型

6.2.1 排烟仓室开口处的烟气流动控制方程

6.2.2 基于中性面的排烟仓室开口溢流抑止临界条件

6.2.3 排烟仓室开口补气量计算模型

6.2.4 烟气层分界面位于仓室开口中间时的计算模型

6.3 排烟仓室开口中J}生面计算的连续模型

6.4 数值模拟研究

6.4.1 物理模型设置

6.4.2 模拟工况设计

6.4.3 计算结果分析

6.5 全尺寸实验研究

6.5.1 实验设计与安排

6.5.2 实验结果讨论与分析

6.5.3 开口处气体流动分析

6.6 模型检验

6.6.1 区域模型的计算检验

6.6.2 连续模型的计算检验

6.7 本章小结

本章参考文献

第七章 结论及展望

7.1 论文结论

7.2 创新点

7.3 进一步研究展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

参与的科研项目与课题