细水雾灭火数值模拟研究

论文摘要

细水雾灭火系统具有无环境污染、灭火迅速、用水量少、对防护对象破坏小等特点,目前被公认为是哈龙系列灭火剂的主要替代品。对于防治高技术领域和重大工业危险源的特殊火灾,细水雾展示出广阔的应用前景,具有很大的经济效益和社会效益。自1987年蒙特利尔(Montreal)公约签定订以来,细水雾灭火技术受到世界各国的重视,已成为当今国际火灾安全技术前沿的研究热点之一。目前,对细水雾灭火技术的研究主要是借助于模拟实验。但由于受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制,有时很难通过实验方法得到理想结果。此外,模拟实验较长的研究周期、巨大的经费投入以及实验场所的限制也极大地制约了细水雾灭火技术的应用和发展。随着计算机技术的迅速发展,数值模拟仿真在各个学科中得到得到了广泛的应用,已成为非常活跃的新兴学科和有力的研究手段。用计算流体动力学软件对细水雾灭火进行数值模拟研究,可以揭示灭火过程中的空间温度场分布、烟气流动规律和细水雾在火灾各时刻的作用等,与模拟实验研究相比,具有代价低、信息完整、研究周期短等优点,因此,将数值模拟和实验研究相结合必将成为将来研究细水雾灭火的主要手段。本文详细介绍了细水雾灭火系统的定义、起源、灭火机理及应用。以此为工程背景,开展了受限空间内细水雾与小尺度油池火焰相互作用的实验研究。采用热电偶测温系统和数码摄像机等测量了油池火焰的温度变化特性和燃烧场动态变化特征;定量研究了油池火的火源功率、喷雾气压及喷雾方式等因素对细水雾灭火过程的影响。在实验基础上,采用计算流体力学的方法(CFD),使用火灾动力模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)对受限空间细水雾灭火进行了数值模拟。讨论了FDS火灾数值模拟的理论基础,建立了受限空间内细水雾与油池火焰相互作用的模型,得到了该过程中温度、组分浓度、燃烧速率等参数的变化规律。模拟结果和实验数据的物理趋势基本一致,验证了实验结果的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究目标及主要研究内容
• 2. 细水雾灭火系统概述及特征参数
• 2.1 细水雾灭火的起源和发展
• 2.2 细水雾的定义
• 2.3 细水雾灭火机理
• 2.4 细水雾灭火技术的优越性
• 2.5 火灾与水雾灭火系统分类
• 2.5.1 火灾的分类
• 2.5.2 水雾灭火系统分类
• 2.6 细水雾灭火的特征参数
• 2.6.1 雾化锥角
• 2.6.2 雾通量
• 2.6.3 雾滴直径分布
• 2.6.4 雾滴生存时间
• 2.6.5 细水雾喷头
• 2.7 本章小结
• 3 受限空间细水雾熄灭油池火实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置和数据采集系统
• 3.2.1 受限空间和燃烧平台
• 3.2.2 细水雾喷射系统
• 3.2.3 数据采集系统
• 3.3 实验现象及结果分析
• 3.3.1 细水雾与油池火相互作用实验
• 3.3.2 不同火源位置对灭火的影响
• 3.3.3 喷头压力及喷雾方式对灭火的影响
• 3.4 本章小结
• 4. FDS 模拟系统简介及理论基础
• 4.1 引言
• 4.2 FDS 火灾动力模拟简介
• 4.2.1 FDS 软件概况
• 4.2.2 FDS 的模拟流程
• 4.2.3 FDS 的特点及优势
• 4.2.4 FDS 的运行环境
• 4.3 FDS火灾模拟的基本理论
• 4.3.1 模拟方法
• 4.3.2 基本方程及数值求解方法
• 4.4 FDS 模型的建立及常用命令
• 4.4.1 FDS 的启动和运行
• 4.4.2 FDS 模型的建立
• 4.4.3 FDS 的火源设定
• 4.4.4 FDS 的模拟结果的读取
• 4.4.5 FDS 建模中应注意的问题
• 4.5 FDS的应用限制及发展方向
• 4.6 本章小结
• 5. 细水雾灭火数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 FDS 数值模拟网格配置
• 5.2.1 均匀网格配置分析
• 5.2.2 网格划分技巧
• 5.3 受限空间细水雾灭火数值模拟
• 5.3.1 FDS 火灾模型
• 5.3.2 FDS 火灾模拟参数设置
• 5.3.3 FDS 模拟结果与讨论
• 5.4 大空间细水雾灭火数值模拟
• 5.4.1 FDS火灾模型
• 5.4.2 FDS 火灾模拟参数设置
• 5.4.3 FDS 模拟结果与讨论
• 5.5 本章小节
• 6. 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 问题与进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的科研成果
• 致谢