環(huán)境風(fēng)作用下火焰撞擊頂棚擴展行為與無風(fēng)條件頂棚火焰細胞結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、火焰在頂棚下方的擴展行為可以分為火焰撞擊頂棚形成的火焰擴展行為以及火焰直接在頂棚下方的擴展行為。當(dāng)火源在頂棚下方且與頂棚有一定距離時，如果火源功率足夠大，火焰將會撞擊頂棚（如:地鐵隧道內(nèi)列車著火），在頂棚的阻擋以及浮力的作用下發(fā)生水平傳播使得火焰在頂棚下方擴展一定的長度，形成了火焰撞擊頂棚并在頂棚下方的擴展行為;當(dāng)火源處在緊貼著頂棚下方時（如:頂棚下方有可燃氣體發(fā)生泄漏或者頂棚具有可燃的建筑裝飾材料時），火焰在浮力的作用下將緊貼著頂棚下

2、方擴展，形成火焰直接在頂棚下方的擴展行為。
　　前人研究者對于火焰撞擊頂棚形成的火焰擴展行為的研究主要是針對無環(huán)境風(fēng)以及火焰未受到頂棚側(cè)墻限制時開展的，對于環(huán)境風(fēng)作用下以及頂棚有側(cè)墻限制時火焰撞擊頂棚形成的火焰擴展行為的研究甚少。然而實際隧道及走廊通道發(fā)生火災(zāi)時，由于隧道排煙風(fēng)機以及走廊兩側(cè)窗戶的影響通常存在外界風(fēng)的作用，且當(dāng)火源功率較大時，火焰撞擊頂棚后也會受到頂棚側(cè)墻的限制;
　　前人研究者對于火焰直接在頂棚下方的擴展行

3、為的研究比較缺乏，對于這種頂棚火尺度規(guī)律的研究主要是針對邊界層厚度，對于火焰的水平擴展長度缺乏系統(tǒng)的研究。對于這種頂棚火所形成的特殊的“細胞狀”火焰也只是從理論上分析了它的形成機制，未能定量分析這種“細胞”的特征尺寸大小及空間分布規(guī)律。因此本文將分別針對上述兩種頂棚火焰擴展行為通過實驗研究、理論分析、數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法填補前人研究者研究的不足。
　　本文開展了環(huán)境風(fēng)作用下火焰撞擊頂棚形成頂棚火焰擴展實驗以及不同火源形狀下火焰直接在頂棚

4、下方擴展實驗。對于火焰撞擊頂棚的實驗，使用丙烷作為氣體燃料，采用邊長分別為15cm、20cm的方形燃燒器，采用51-153.1kW的11種火源功率，選取0-1.8m/s的4種不同的風(fēng)速工況，選取火源距離頂棚的高度分別為35cm、40cm、45cm三種不同的高度，共264種工況開展實驗。通過對實驗視頻的處理得到了頂棚下方的水平火焰擴展長度。實驗結(jié)果表明:火焰擴展長度隨著火源功率的增大而增大，隨著火源距離頂棚的高度、火源尺寸、縱向風(fēng)風(fēng)速的增

5、大而減小。并基于火焰撞擊后未燃燃料的量與所需卷吸空氣的量之間的關(guān)系，分別建立了無風(fēng)及有風(fēng)條件下火焰撞擊頂棚后上游、下游的火焰擴展長度模型以及火焰上下游總擴展長度的模型。所得的模型與實驗數(shù)據(jù)吻合得很好。
　　對于火焰直接在頂棚下方擴展實驗，選取了不同形狀及尺寸的圓形及線性燃燒器，包括直徑分別為40mm、60mm、80mm的圓形燃燒器及尺寸為2*142.5mm、2*217mm的線性燃燒器;選取了6.12-12.24kW的9種不同的火源

6、功率，共45種工況開展實驗。實驗觀測到火焰在頂棚下方形成了特殊的“細胞狀”火焰。這種特殊的火焰形態(tài)主要是由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定(“Rayleigh-Taylor”instability)造成的:由于火焰在燃料與空氣的交界處燃燒，這使得燃料層的下部靠近火焰燃燒區(qū)的溫度顯著高于上部未燃的較冷的燃料，在浮力的作用下，下部的氣流將加速向上流動，形成一種不穩(wěn)定的熱擴散狀態(tài)。同時本文測量了圓形及線性火源下頂棚下方“細胞狀”火焰的水平擴展長度。并基于量