地下狭长空间轰燃演化机理的实验与理论研究

摘要

近年来，为了解决城市人口的高速增长与有限土地之间的矛盾，很多国家已经将目光投入到了地下空间的开发和利用中。大量涌现的地下空间在解决了城市用地问题的同时，也为火灾安全带来了新的问题和挑战。一些狭长地下空间，通风不畅，一旦发生火灾，产生的热烟气和热量不易排出，容易引发轰燃。
　　 轰燃作为火灾发展过程中强度骤增、破坏力巨大的突跃过程，往往是造成群死群伤火灾事故的重要原因。因此，开展地下狭长空间的火灾发展特性和轰燃演化机理的研究有着重要意义。
　　 本文利用小尺度实验模拟、理论分析及数值模拟相结合的方法，研究了地下狭长受限空间内的火灾发展规律、烟气流动特性和轰燃演化的机理。参考前人的研究方法与思想，自行搭建了小尺寸地下狭长空间火灾实验台，通过改变火源面积、火源形状、燃料种类、火源位置、开口大小、横向排烟速率等多个边界条件，重现了狭长受限空间内的轰燃发生过程，准确测量了火灾过程中的烟气温度、浓度、速度、对地面的热辐射通量和火源质量损失速率，为理论模型和数值模拟工具的比较验证以及讨论分析提供了数据支持。
　　 通过实验模拟和理论分析，研究了狭长空间火灾在轰燃发生前，烟气层厚度、温度和速度在纵向方向上的分布规律。首先，从线火源引发的顶棚射流出发，建立了基于Ri数和烟气层厚度h的线火源顶棚射流模型，推导了预测速度和温度分布的关系式。同时，利用小尺度实验获得的温度和速度数据，验证了线火源射流模型的预测能力。之后，在结合前人研究结果和线火源射流模型的基础上，从理论上分析了狭长空间真实火灾中烟气层温度和速度的衰减，以及蔓延过程中的特殊物理现象—水跃，得出狭长空间的宽高比l 在0.17/2 0.78 l＜＜之间时，水跃发生的临界位置在1.6 0.78 c X>>范围之内。利用点火源射流模型与线火源射流模型相结合的方法，预测了烟气中温度和速度纵向分布，并与小尺寸实验台上获得的数据进行了比较验证。
　　 通过小尺寸轰燃实验，研究了狭长空间轰燃发生前后，烟气层温度、厚度、气体浓度、火源的热释放速率、地面受到的热辐射等参数的变化情况。同时，研究了火源特性和通风特性对火灾发展和轰燃发生的影响机制。研究发现，以正庚烷为代表的池火，对烟气层的热反馈非常敏感，而木垜火对烟气层的热反馈不敏感。另一方面，开口的特性主要决定了通风控制阶段火源的质量损失速率，当开口大小与火源面积的比值降低到一定程度下，质量损失速率将随开口的减小而降低。
　　 前人的研究成果主要针对普通腔室的轰燃过程，由于建筑结构的差异，以往的研究成果不适用于分析地下狭长空间内的轰燃现象。基于传统的非线性动力学理论，发展了适用于分析狭长受限空间轰燃现象的多区域火灾模型。该模型将一个狭长受限空间分割为若干个区域，每一个区域内又分为热烟气层和冷空气层，并将热烟气层定义为控制体。然后，针对每一个控制体建立连续方程和能量方程，利用数值解法得到每一个控制体内的温度变化曲线。通过对模型计算结果的讨论，分析了瞬态情况下壁面温度和烟气层厚度对烟气层温度增长和热系统失衡的作用机制，同时也讨论了准稳态条件下火源半径和燃料特性对轰燃临界条件的影响。最后，利用小尺寸火灾实验的数据，验证了理论模型对轰燃临界条件的预测能力。
　　 最后，通过小尺度实验获得的数据验证了FDS和SIMTEC两款CFD软件模拟狭长受限空间火灾过程的可靠性。同时，比较了Mixture Fraction、EDC和Flamelet 三个燃烧模型在计算通风受限条件下湍流燃烧过程的适用性。结果表明，两款软件均能较好的预测温度和CO2 浓度在火灾过程中的变化情况，但对CO 浓度变化的预测结果并不理想。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1 章绪论

第2 章地下狭长空间轰燃实验台的设计与建立

第3 章轰燃前烟气运动特性及顶棚射流的理论研究

第4 章地下狭长空间火灾轰燃现象的实验模拟研究

第5 章多区域非线性轰燃模型的构建及理论研究

第6 章地下狭长空间火灾中轰燃过程的数值模拟研究

第7 章结论与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果