狭长受限空间火灾烟气分层与卷吸特性研究

摘要

狭长受限空间是指长宽比较大的建筑结构，包括交通隧道、走廊、地下通道等具体形式。由于狭长受限空间火灾的危害性，它引起越来越多火灾科学工作者的关注。统计表明，有毒有害的烟气是火灾中最主要的致死因素，而狭长受限空间的结构特点和通风条件决定，其火灾产生的烟气难以立即排出，因此，狭长受限空间中火灾烟气的输运特性是值得关注的问题。其中，火灾烟气的分层与卷吸特性是与消防安全设计密切相关的科学问题。
　　 本文围绕狭长受限空间火灾烟气分层与卷吸特性，采用试验、数值模拟和理论分析相结合的方法开展研究。为了开展本文的相关研究，建立了66m(长)×1.5m(宽)×1.3m(高)的隧道火灾试验台，发展了用于测量火灾烟气分层形态的试验方法和适于火灾烟气速度场测量的Particle Image Velocimetry(PIV)试验系统，并且在火灾流场相干结构的理论分析方法上做了一些探索。本文考查了纵向强迫气流对狭长受限空间火灾烟气微观流场结构的影响，通过试验揭示了影响火灾烟气层对下层空气卷吸量的物理机制，获得了烟气层维持稳定性的无量纲判据，发现了CO浓度竖向分布曲线和温升竖向分布曲线的不一致性并揭示了造成二者差别的物理因素。具体的工作包括：
　　 分别利用数值模拟和粒子图像测速技术(PIV)获取狭长受限空间中火灾浮力驱动的分层流流场信息，利用特征正交分解(POD)方法对其流场相干结构和能量谱进行提取，分析发现，狭长受限空间中的纵向气流使流场中大尺度流场结构的能量向小尺度结构转移，并使得剪切层附近竖向流动的能量增加。
　　 为揭示影响狭长受限空间火灾烟气层对下层空气卷吸的物理机制，在隧道火灾试验台中开展试验，并与全尺寸隧道火灾试验进行对比，结果发现，火灾烟气层对下层冷空气的卷吸，除受到分层流经典卷吸模型中提到的Richardson数的影响外，还受到Reynolds数的影响。当Re＜104时，火灾烟气分层流没有达到足够的湍流强度，火灾烟气对下层空气的卷吸可以忽略；当Re数达到Re～105时，火灾烟气层对下层空气产生的卷吸加强，其卷吸系数接近Ellison和Turner模型的预测值。
　　 通过试验获得狭长受限空间火灾烟气层维持稳定性的无量纲判据。结果表明，当Ri＞0.9或Fr＜1.2时，浮力起主导作用，烟气分层能维持稳定;当0.3＜Ri＜0.9或1.2＜Fr＜2.4时，惯性力的作用开始变得明显，分层界面上不稳定的涡旋数量增多，导致部分烟颗粒向下部空间扩散；当Ri＜0.3或Fr＞2.4时，惯性力起主导作用，烟颗粒与冷空气大量掺混，烟气层的稳定性被破坏。通过数值模拟发现，在弧形隧道中，当近测壁火和纵向通风联合作用时，烟气出现螺旋状的分层形态，其“螺旋”长度与火源功率和纵向风速有关，火源功率越大，“螺旋”长度越小；纵向风速越大，“螺旋”长度越大。
　　 通过试验发现了CO浓度竖向分布曲线和温升竖向分布曲线的不一致性。通过对无量纲输运方程及其边界条件的分析，揭示了造成二者差别的物理因素。结果发现，当采用自然通风时，CO浓度随高度降低而衰减的趋势明显弱于温升；当纵向通风强度较大时，二者的竖向分布曲线趋于一致。理论分析和试验结果均表明，壁面传热的强度是影响CO浓度竖向分布与温度竖向分布相似性的主要物理因素，壁面传热的强度越小，二者的相似性越好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1典型狭长受限空间

1.1.2狭长受限空间的烟气危害性

1.1.3狭长受限空间主要烟气控制模式

1.1.4狭长受限空间烟气输运特点

1.2研究现状

1.2.1冷流体试验研究

1.2.2火灾试验研究

1.2.3数值模拟研究

1.3本文的研究内容

1.4本文的研究方法

1.5本文的章节安排

参考文献

第二章试验装置及测量系统的设计

2.1引言

2.2相似准则[1-5]

2.3国内外狭长受限空间试验模型

2.4本文的试验模型

2.4.1小尺寸通道试验台

2.4.2隧道火灾试验台

2.5测量系统

2.5.1火源功率测量

2.5.2烟气温度测量

2.5.3气体组分浓度测量

2.5.4点式速度测量

2.5.5流场显示技术

参考文献

第三章狭长受限空间中火灾烟气水平剪切层流场结构分析

3.1引言

3.2 PIV算法

3.3 POD基本理论

3.4 POD分析对象

3.5火灾分层流的POD分析

3.5.1分层流的涡量场

3.5.2 POD模态与能谱

3.6烟气水平剪切层的POD分析

3.6.1剪切层的速度矢量场

3.6.2 POD模态与能谱

3.7小结

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参考文献

第四章火灾烟气层对下层空气的卷吸特性

4.1引言

4.2 Richardson数和Reynolds数

4.3火灾烟气卷吸系数计算

4.4试验设计

4.4.1小尺寸试验

4.4.2全尺寸试验

4.5烟气层的浮力

4.5.1烟气层厚度

4.5.2烟气层温度和浮力差

4.6 CO浓度的纵向变化率

4.7 Reynolds数对卷吸量的影响

4.8烟气层内部浮力梯度对卷吸的影响

4.9小结

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参考文献

第五章纵向风对烟气分层形态的影响

5.1引言

5.2浮力和惯性力表征方法

5.3纵向风对烟气层稳定性的影响

5.3.1试验设计

5.3.2烟气层流场形态

5.3.3速度剪切强度

5.3.4浮力分层

5.3.5流场形态与Fr和Ri的关系

5.4弧顶隧道中的烟气分层形态

5.4.1模拟隧道

5.4.2方程与边界条件

5.4.3网格情况

5.4.4模拟结果

5.5小结

本章符号

参考文献

第六章 一氧化碳的竖向分层特性

6.1引言

6.2基本控制方程和边界条件

6.2.1自由对流

6.2.2浮力和强迫气流联合作用

6.2.3壁面边界条件

6.3影响CO竖向分层的物理机制

6.4试验设计

6.5试验结果与讨论

6.5.1自由对流时CO与温度的竖向分布

6.5.2纵向强迫气流的作用

6.5.3壁面换热的影响

6.6小结

本章符号

参考文献

第七章结论及展望

7.1本文结论

7.2本文创新点

7.3研究展望

致 谢

在读期间发表的学术论文与获得的奖励