低壓條件下正庚烷油池火產煙特性與煙粒子散射特性研究.pdf

1、火災的安全與防范是關系社稷民生與工業(yè)生產安全的重要事項。在高原、飛機機艙等低壓環(huán)境發(fā)生的火災，由于其燃燒行為具有特殊性，給火災探測與預防造成困難。本文通過在低壓低氧艙以及飛機貨艙環(huán)境模擬艙中開展實驗，詳細研究了低氣壓對于正庚烷油池火燃燒特性的影響，著重分析了低壓環(huán)境中正庚烷油池火的產煙特性，并利用離散偶極子方法計算粒子的散射特性，提出了針對低壓環(huán)境煙霧探測技術的改進方案。本文的研究結合實驗數(shù)據(jù)從科學的角度揭示了低壓環(huán)境對于正庚烷油池火煙

2、粒子的產煙規(guī)律，并結合實際應用為煙霧探測技術的改進提供數(shù)據(jù)和理論支持。
　　低壓環(huán)境明顯影響正庚烷油池火的燃燒特性，包括燃燒速率、火焰高度、火焰中心線溫度、火焰輻射以及CO生成量。隨著氣壓的降低，燃料的燃燒速率下降明顯，有(m)n∝ P0.63±0.03關系。火焰高度隨氣壓的降低而升高，且隨著氣壓的降低，火焰高度增高的趨勢愈加明顯。隨著氣壓的降低，火焰中心線最高溫度出現(xiàn)的位置提升，這表明低氣壓火災容易造成更高的頂棚溫度;低氣壓下，

3、火焰底部更加“纖細”，燃燒更集中，溫度更高，燃燒效率更高。低壓火焰更加暗淡，對外熱輻射作用更弱，火焰中明亮的煙顆粒較少。當氣壓等于或高于80.8 kPa，正庚烷燃燒產生的CO和氣壓的關系非常不明顯;而當氣壓等于或低于70.7 kPa時，CO產量迅速增加。
　　本文首次發(fā)現(xiàn)了低氣壓對煙顆粒微觀形貌特征的影響規(guī)律。驗證了陰燃火煙顆粒是由分解的有機物液滴構成，而明火煙顆粒主要由碳粒子構成的分形凝聚體。明火煙粒子的主粒子粒徑、每個凝聚體含

4、有的主粒子個數(shù)、回轉半徑都隨著氣壓的降低而減小。分形維數(shù)和分形前置因子和氣壓沒有明顯關系。陰燃火煙粒子的直徑和氣壓沒有明顯關系，粒徑主要取決于燃燒物的種類。本文通過電鏡掃描結合數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，以及電遷移率掃描粒子群方法研究了粒子的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)正庚烷明火煙顆粒的幾何平均粒徑和中位數(shù)粒徑隨著氣壓的升高而明顯增大，推導出幾何平均粒徑和氣壓之間的二階多項式關系。
　　揭示了低氣壓對煙霧總體質量濃度、數(shù)目濃度、消光系數(shù)等宏觀特性的影響機制。

5、當氣壓降低，正庚烷明火煙顆粒的粒子數(shù)目濃度隨之降低。粒子數(shù)目濃度和氣壓之間存在線性關系。無論明火還是陰燃火，煙氣生成率隨著氣壓的升高而增大。煙霧的消光系數(shù)都隨氣壓具有線性關系且隨著氣壓的升高而增大。比消光系數(shù)的大小主要由可燃物的種類決定。
　　建立了典型明火和陰燃火的煙粒子模型，并利用此模型和DDA方法計算并揭示低壓環(huán)境對于煙粒子散射特性的影響規(guī)律。結果表明，散射相函數(shù)隨著氣壓的降低、波長的增大和散射角度的增大而減小。無論明火和陰

6、燃火顆粒，前向散射強度都要明顯比后向散射強度大。在入射光波長300到2000nm范圍內，煙粒子分形凝聚體的散射更符合Mie散射理論。隨著氣壓的升高，明火煙粒子更加的不規(guī)則，更接近分形凝聚體;并且隨著入射光波長的減小，粒子偏離球體的特性更加的明顯。S12/S11、S33/S11、S44/S11與壓力和波長沒有明顯的關系。散射不對稱因子g(1)揭示了對于明火和陰燃火的煙粒子，前向散射都占據(jù)主導地位。煙粒子吸收效率因子、散射效率因子和散射率隨

7、著氣壓的升高和波長的降低而增加，且與氣壓的關系可以用線性擬合。煙粒子對光的吸收作用在總消光效果中占主導地位。
　　闡釋了低壓環(huán)境影響光電感煙探測器性能的因素，并針對低壓環(huán)境煙粒子提出了改進感煙探測器性能的設計方案?；馂臒燁w粒的散射光強正比1/λ4，且和粒子尺度、散射角具有密切聯(lián)系。低氣壓環(huán)境中，常規(guī)的感煙火災探測器應該加以改進，具體包括以下幾個方面:感煙探測器的靈敏度應該提高;激光可以用于增強對較小煙顆粒的探測能力;散射入射光波長