頂部開口腔室水平開口流動(dòng)行為與火行為耦合特性研究.pdf

1、船舶在當(dāng)代民事和軍事應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色，且頂部開口腔室廣泛存在于艦船艙室中。由于水平開口的特殊性，水平開口流動(dòng)與傳統(tǒng)的垂直開口流動(dòng)有著本質(zhì)不同，垂直開口流動(dòng)會(huì)在開口處形成穩(wěn)定的分層流動(dòng)，而水平開口流動(dòng)則會(huì)在開口處產(chǎn)生復(fù)雜不規(guī)則的振蕩流動(dòng)。因此，了解火誘導(dǎo)下的水平開口流動(dòng)行為和機(jī)制是船舶火災(zāi)安全的重要組成部分，并能為船舶火災(zāi)預(yù)防以及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)及理論的基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步研究火誘導(dǎo)下的開口流動(dòng)與腔室火行為的耦合特性，本文對(duì)火

2、誘導(dǎo)的開口流動(dòng)行為、水平開口受限腔室內(nèi)的火行為以及火行為與流動(dòng)行為的相互作用開展了實(shí)驗(yàn)與理論研究，其中考慮了不同開口尺度與不同火源尺度，并給出了火誘導(dǎo)下水平開口流動(dòng)模型。本文的主要工作與結(jié)論如下:
　　分析了火誘導(dǎo)下的水平開口流動(dòng)行為，主要針對(duì)于流動(dòng)形態(tài)和振蕩行為。開口流動(dòng)形態(tài)是揭示開口流動(dòng)規(guī)律的一個(gè)重要因素。本文利用攝像機(jī)和激光技術(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到了三種開口流動(dòng)形態(tài)，分別是單向流、雙向流和混合流。本文引入分別基于鹽水實(shí)驗(yàn)和數(shù)值

3、計(jì)算的Cooper和Chow的理論來預(yù)測(cè)真實(shí)火災(zāi)情況下的開口流動(dòng)形態(tài)。結(jié)果表明這些理論經(jīng)過相應(yīng)的修正后是可以用于預(yù)測(cè)火災(zāi)情況下的開口流動(dòng)形態(tài)。提出了利用開口面積比（開口面積和燃料面積之比）與浮力數(shù)的關(guān)系來劃分這三種開口流動(dòng)形態(tài)，同樣地，流動(dòng)形態(tài)的劃分還可利用開口面積比與煙氣流動(dòng)面積比的關(guān)系。通過煙氣可視化方法可以觀測(cè)到開口流動(dòng)振蕩行為，可利用開口煙氣面積和開口煙氣溫度來表征開口流動(dòng)振蕩。開口煙氣面積的振蕩頻率會(huì)隨著水平開口尺寸的增大而減

4、小，而煙氣溫度振蕩頻率則隨著熱釋放速率的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。本文還對(duì)開口處煙氣溫度振蕩頻率的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　研究了水平開口受限腔室內(nèi)的火行為。通過不同油池直徑、不同頂部開口尺寸、從燃料控制向通風(fēng)控制轉(zhuǎn)變范圍等大量可變條件來研究水平開口對(duì)油池火脈動(dòng)行為的影響。隨著水平開口尺寸的增加，平均火焰高度呈二項(xiàng)分布，且平均火焰高度與直徑的比值可與水平通風(fēng)因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)?；鹧婷}動(dòng)頻率符合與油池直徑之間的一貫關(guān)系，同時(shí)也揭示了火焰脈動(dòng)頻率與

5、頂部開口尺寸之間的關(guān)系?？紤]了腔室對(duì)燃料揮發(fā)速率的影響，提出了一種斯特勞哈爾數(shù)(St)和弗勞德數(shù)(Fr)的關(guān)系來表征火焰脈動(dòng)。研究了水平開口對(duì)腔室火災(zāi)參數(shù)的影響，如平均質(zhì)量損失速率、熄火時(shí)刻的氧氣濃度、平均氣體溫升速率以及全密閉和受限空間內(nèi)的腔室壓力。基于能量守恒和氧濃度守恒結(jié)合理論化簡(jiǎn)，提出了耦合水平開口和燃料面積的無量綱水平通風(fēng)因子，并利用水平通風(fēng)因子來分析腔室內(nèi)的火災(zāi)參數(shù)。綜合頻率的研究是為了揭示火行為與開口流動(dòng)行為的相互作用，隨

6、著水平開口的變化，火焰脈動(dòng)頻率和開口流動(dòng)振蕩頻率的乘積保持不變，且該乘積取決于油池火自身參數(shù)。
　　基于多層劃分的思想，提出了水平開口處的火誘導(dǎo)開口流動(dòng)模型。考慮到開口結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動(dòng)形態(tài)，對(duì)火誘導(dǎo)的流動(dòng)過程和流動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了討論。描述了單向流動(dòng)和雙向流動(dòng)所呈現(xiàn)出的不同流動(dòng)輸運(yùn)過程，以及對(duì)流出煙氣和流入空氣進(jìn)行力學(xué)分析后所呈現(xiàn)出的不同流動(dòng)機(jī)制?；诙鄬訁^(qū)域劃分，分別對(duì)單向流動(dòng)和雙向流動(dòng)建立了火誘導(dǎo)的開口流動(dòng)模型。利用激光技術(shù)和皮托管提