低氣壓環(huán)境對液體池火誘導火羽流及頂棚射流的影響機理研究.pdf

1、由于環(huán)境壓力對燃燒過程中的物理和化學反應有著顯著的影響，低壓下的火災現(xiàn)象在最近引起了越來越多的關注。我國擁有四大高原，覆蓋了大約1/3的國土，特別是青藏高原，其平均海拔高度超過4500 m，并且擁有數(shù)量眾多的古建筑。高原上的低壓環(huán)境導致了不一樣的火災特點，因此，也需要更加實用的理論支撐來發(fā)展相應的防火和滅火技術(shù)。此外，全球蓬勃發(fā)展的航空業(yè)也為識別和抑制航空運輸中潛在的火災危險性提出了新的挑戰(zhàn)，因為貨物在運輸過程中通常都處于低氣壓環(huán)境。同

2、時，在高高原地區(qū)（海拔大于2438 m）也相繼建設了一批機場，其中我國就有超過12個高高原機場，這些場所內(nèi)航空燃油的火災危險性也需要進一步關注。明確了壓力不同導致的燃燒行為的不同，將會對高原和航空環(huán)境下的防火提供有效的指導。
　　在研究低壓對火災行為的影響中，最常用的兩種模擬低壓環(huán)境的方法就是高原實地或者是采用壓力可控的低壓實驗艙。為了研究低壓艙能否真實地模擬高原環(huán)境以及低壓實驗艙的應用范圍，本文分別采用了這兩種實驗方法，開展了不

3、同油盆尺寸的正庚烷池火，對比分析了兩者在燃燒強度、火焰形態(tài)以及軸向羽流分布等參數(shù)上的區(qū)別。結(jié)果發(fā)現(xiàn):僅對于直徑6～12 cm的池火，低壓艙實驗可以較好地模擬準穩(wěn)態(tài)階段的燃燒強度;所有工況條件下，火焰形態(tài)均存在差異，低壓艙實驗的火焰細長度較高;在考慮壓力影響的情況下，準穩(wěn)態(tài)階段的軸向溫度分布與經(jīng)典的火羽流理論符合較好，而對14 cm的池火，實地實驗和低壓艙實驗的羽流溫度表現(xiàn)出明顯的差異。
　　基于上述的結(jié)論，在低壓艙內(nèi)開展了直徑6～

4、10 cm的正庚烷池火實驗，實驗在四種靜態(tài)壓力下進行，分別為101、80、60、40 kPa。質(zhì)量燃燒強度主要由對燃料的熱傳導、對流和輻射熱反饋決定，分析表明，對流項是燃料汽化的主要熱源。當油盆直徑為6 cm時，建立了新的理論模型解釋燃燒強度與環(huán)境壓力的依賴關系。視頻記錄顯示，火焰高度隨壓力下降而上升，無量綱分析結(jié)果與實驗現(xiàn)象相符。為了進一步驗證壓力模型和輻射模型在低壓下的適用性，在高原實地開展了一系列較大尺寸的池火實驗，實驗采用三種不

5、同碳煙水平的燃料，包括乙醇、正庚烷和航煤，每組實驗均記錄了質(zhì)量損失、輻射溫度分布和輻射熱流三個參數(shù)。從對實驗數(shù)據(jù)的分析看出，無量綱燃燒強度(m)"μ/D與Gr數(shù)存在指數(shù)關系，且指數(shù)因子隨著燃料碳煙水平的上升而上升。關系式△T～[z（P/Q）2/5]η可用于擬合軸向羽流溫升，修正的分界線0.42和1.06可以很好地劃分三種燃料池火的火焰區(qū)、間歇區(qū)和羽流區(qū)。此外，隨著燃料發(fā)煙水平的下降，其火焰溫度呈上升趨勢，而輻射熱流值則相應下降。不同燃料

6、的輻射熱流均正比于LmT5f，并且在低壓條件下碳煙體積分數(shù)隨著燃料發(fā)煙水平的下降而下降。
　　為了研究火焰觸及頂棚情況下不同頂棚高度對池火燃燒行為的影響，利用縮小尺寸的錐形量熱儀在頂棚高度Hef/D=0.43～2.5下開展了一系列正庚烷池火實驗，定量分析了燃燒強度、燃燒產(chǎn)物濃度及燃燒效率等典型參數(shù)。研究結(jié)果表明，隨著頂棚高度的持續(xù)下降，燃燒強度首先在Hef/D=1.38上升到最大值，然后下降，呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢。燃燒產(chǎn)物CO和C

7、O2的最大濃度表現(xiàn)出與燃燒強度相似的變化規(guī)律，然而CO總產(chǎn)生量隨著頂棚高度的下降單調(diào)上升。另外，碳轉(zhuǎn)化率與燃燒效率求得的結(jié)果相類似，它們均呈拋物線變化規(guī)律。除此之外，還在高原地區(qū)開展了一系列不同油盆尺寸、不同燃料的池火實驗，實驗在水平非受限頂棚下方開展，研究頂棚下方的最大溫升，實驗結(jié)果表明，高原上頂棚下方最大煙氣溫升比Alpert模型的預測值要高很多?？紤]到環(huán)境壓力和卷吸系數(shù)的影響，基于理想羽流模型，提出了預測不同環(huán)境壓力下頂棚最大溫升