高原环境下油池火的火焰及羽流特性研究

摘要

西藏高原有众多历史悠久的古建筑，这些古建筑在历史、宗教、文化、民族政治上等特殊的意义。高原古建筑火灾由于高原环境气候、古建筑本身独特的建筑形态的影响，有着高原环境特有的火灾特点。因此，研究高原环境下可燃物的燃烧特性，对于认识高原火灾特点，预防高原古建筑火灾的发生、有效的进行火灾扑救有重要的意义。
　　 相对于平原标准条件下，高原特殊的低氧低压环境对可燃物燃烧特性会产生很多不同方面的影响。首先环境中氧浓度绝对含量的降低会影响燃料的燃烧速率，并对燃烧状况的充分性产生不利影响，影响到燃料的CO产物；其次燃料燃烧速率的下降会进一步影响到火源功率，降低能量向火羽流中的输运，加上低压条件的影响，必然会影响可燃蒸汽的燃烧形态，即火焰的具体形态；并对燃烧后的烟气羽流的上升速度，羽流上升过程中温度下降幅度产生不同的影响。针对高原环境燃料燃烧不同的变化特点和规律，需要对高原低氧低压条件对于燃烧特性的影响形式以及具体的影响机制进行专门的研究。本论文主要针对上述问题开展研究，论文的具体工作主要包括：
　　 选取西藏典型可燃液体为燃料，研究高原环境下油池火的燃烧速率与平原的差别，确定压力和氧浓度对燃烧速率的影响作用以及它们之间对应的关系，从理论上分析压力和氧浓度对于燃烧速率的影响机制；对比两地的烟气成分来考察氧气压力的不同对CO产物的影响作用以及影响机制；分析拉萨和合肥两地燃烧稳定阶段的火焰图像，比较了相同尺寸下两地火焰的不同以及影响原因；分析两地羽流中心温升的不同以及具体的影响原因。
　　 从研究中发现，对于相同类型和尺寸的燃料，高原地区的质量燃烧速率要低于平原地区，燃烧时间要更长，燃料的燃烧速率与压力的β次方成正比，β值随燃料类型的不同而不同。燃料中碳元素质量百分含量越小时，质量燃烧速率在两地差别越小，β值越小。
　　 基于火焰亮度分析，通过MATLAB进行编程对火焰图像集中处理，研究发现相同尺寸的油盘下，拉萨火焰面积比合肥要大，火焰宽度比合肥要窄。拉萨火焰振荡频率比合肥要快；各种尺寸下拉萨火焰高度均要高于合肥，其中平均火焰高度差别较大，连续火焰区的差别也较大，但火焰总高度的差别较小。通过拟合得到了适用于高原环境下平均火焰高度及振荡频率公式。
　　 通过比较发现高原地区相同高度处连续火焰温度要低于平原地区；随着高度的增加，高原地区羽流中心温度下降的幅度比平原相对较小，并不是任意高度处的平原羽流温度均高于高原地区；在常压条件下的发展的基于实验的羽流经典温升公式不适用于计算高原羽流温度，通过实验数据拟合得到了满足高原羽流的公式。
　　 本文还具体分析了压力和氧浓度的不同对于燃烧速率和CO产物浓度具体的影响机制；分析了两地燃烧速率、燃烧效率的不同会导致两地油池火热释放速率的不同，这对于火焰的形状直观上会产生的影响有哪些，具体的影响机制体现在哪些因素上；分析了两地热释放速率的不同、火焰高度的不同必然会导致基于火焰高度划分的羽流的三个区域(连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区)的不同，这些都会对羽流中心温升产生影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1青藏高原的建筑消防现状

1.1.2高原古建筑的火灾特点及典型案例

1.2高原低氧低压环境下可燃物燃烧特性的研究现状

1.3本文研究目标和思路

1.4章节安排

参考文献

第2章研究的理论基础及实验设计介绍

2.1火羽流模型介绍

2.1.1理想羽流及其基本假设

2.1.2基于实验的经典羽流模型

2.1.3高原环境下羽流模型适用性探讨

2.2实验设计思路

2.2.1拉萨油池火实验

2.2.2合肥对比实验

2.3测量参数及数据采集仪器介绍

2.3.1质量燃烧速率及火源功率

2.3.2火羽流温度

2.3.3火焰高度

2.3.4烟气成分

2.3.5羽流上升速度

参考文献

第3章高原环境下油池火燃烧速率及CO产物研究

3.1引言

3.2实验内容

3.3质量燃烧速率

3.4 CO产物浓度

3.5本章小结

参考文献

第4章高原环境下油池火火焰形状及振荡频率特性研究

4.1引言

4.1.1基本理论

4.1.2图像分析的基本原理与方法

4.2高原与平原地区火焰形状对比

4.3高原与平原地区火焰振荡频率对比

4.4拉萨火焰高度和振荡频率的计算

4.4.1拉萨油池火火源功率

4.4.2拉萨火焰高度

4.4.3拉萨火焰振荡频率

4.5本章小结

参考文献

第5章高原环境下油池火羽流中心温度分布特性研究

5.1引言

5.2高原与平原地区羽流中心温度对比

5.2.1两地相同油盘尺寸下的羽流温升对比

5.2.2两地相同燃烧速率下的羽流温升对比

5.3高原羽流模型

5.3.1羽流公式适用性

5.3.2虚点源高度

5.3.3高原羽流公式

5.4羽流上升速度

5.5结论

参考文献

第6章结论与展望

6.1全文总结与结论

6.2论文创新点

6.3研究展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文