水喷淋作用下火灾烟气层的稳定特性研究

论文摘要

水喷淋系统是常见的建筑消防设施。火灾发生时,从喷头喷出的液滴一方面能抑制燃烧,冷却火场烟气并防止火灾蔓延,另一方面却能改变火场内烟气的流动状态,造成烟气层失稳,引起烟气拥塞,使得上部烟气迅速填充建筑下部空间,并对建筑内其他消防系统特别是排烟系统的效果产生影响。针对此类问题,本文对火灾烟气层在水喷淋及排烟系统作用下的行为特性规律进行了研究,分析了水喷淋和烟气层相互作用的力学机理,进而对喷淋作用下采用的排烟模式及其有效性进行了探讨。首先从理论推导和实验两个方面,对水喷淋作用下烟气层失稳现象进行了研究。通过对喷淋启动后,喷淋覆盖区内拖曳力分布进行计算,在前人的基础上,提出以喷淋覆盖区内最大单位面积拖曳力和最大单位面积浮力之比D0/B0作为烟气层稳定性判据,并通过实验对此判据进行了验证。实验结果表明,与前人的结论（Bullen和Zhang）相比,D0/B0能更好的与实验结果相符合。当D0/B0小于1时,烟气层保持稳定状态,喷淋区内烟气—空气之间的交界面清晰,当D0＞B0时,烟气层失去稳定性,出现拥塞射流,其长度以喷头正下方即喷淋覆盖区中心最长,向外逐渐缩短,呈倒置的钟型。水喷淋有可能导致原先稳定在建筑上部的烟气层发生失稳,使得上部烟气发生向下运动,引起拥塞射流。喷淋作用下火灾烟气层的拥塞射流长度与火源功率、烟气层厚度及喷头工作压力等因素有关。本文在烟气层稳定性的基础上,以动能定理为理论依据,建立了一种预测喷淋作用下拥塞射流长度的数学模型,得到了射流长度与喷淋压力、烟气层厚度和温度的相互关系。而后通过全尺寸喷淋实验,将理论计算结果与与实验进行了对比,通过对比得到,失稳后,喷淋覆盖区拥塞射流长度随喷淋压力pd的增加而增加,数学模型计算值与实验值符合得较好。pd增加,喷淋对烟气的降温能力趋于不变,而烟气拥塞射流的长度则随pd的增大近似线性增加,当喷淋区烟气失去稳定性后,加大喷淋压力仅能小幅降低烟气温度,却显著降低了喷淋覆盖区的烟气高度,增加了对火场人员的威胁。研究了水喷淋系统和排烟系统共同作用时的相互影响,以及多系统共同作用时烟气的流动特性问题。针对喷头近域水平自然排烟问题,在实验的基础上,根据伯努利定理,提出了预测自然排烟速度的概念模型。通过模型实验,研究了该模型的适用性,同时,对水喷淋和排烟共同作用下烟气层稳定性问题进行了研究。通过实验发现,喷淋压力pd,增加,排烟口的烟气流速减小,当压力增至某一特定值时,排烟速度降为0,出现排烟失效。排烟速度模型计算值和实验实测值吻合较好,能够反映实验规律。排烟和喷淋同时发挥作用时,排烟的影响主要体现在降低烟气层的温度上,在排烟未失效的情况下,适度的排烟可以将烟气层高度控制在挡烟垂壁下边缘以上,而过度排烟则可导致防烟分区内烟气温度的急剧下降,使得烟气层的整体稳定性降低。在自然排烟的基础上,对近域水平机械排烟在水喷淋作用下的排烟效果进行了研究。通过实验分析了在喷头近域进行排烟的必要性,由于自然排烟的不可靠性,在喷头近域必须采用机械排烟作为替代设备。在喷淋作用下,喷头近域机械排烟速度将减小,但并不会出现排烟失效。随着工作压力pd的增加,平均排烟速度趋于一极值,这一速度值的大小为喷淋区无燃烧烟气时排烟风机在排烟口能产生的最大气流速度。因而,在喷头近域采用机械排烟系统是可靠的。本文最后对利用数值模拟的方法对水喷淋与火源和烟气共同发生作用时火源功率的变化以及此条件下烟气层和喷淋的相互作用进行了研究。以此为依据,验证了CFD方法研究火场内水喷淋作用的可行性。结果表明,随着喷淋流量（工作压力）的增加,到达火源表面的水量（喷淋密度）增大,喷淋的燃烧抑制能力增强,火源功率的衰减幅度逐渐增加。火区内烟气失稳以及失稳后的烟气高度均与火源功率有关,流量不变,火源功率降至某一值,烟气层出现失稳,烟气层高度则随火源功率的减小而降低,功率越小,烟气层越低,以欧拉-拉格朗日法为基础的数值模拟技术,对水喷淋在火场中的相关问题,有较强的适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.2.1 自动喷水灭火系统的历史与发展
• 1.2.2 火灾中烟气的危害
• 1.2.3 水喷淋系统对火灾烟气的影响
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文的内容安排
• 参考文献
• 第二章 水喷淋与烟气层相互作用实验台的设计
• 2.1 引言
• 2.2 实验台设计思想与基本构造
• 2.2.1 实验台设计思路
• 2.2.2 全尺寸水—烟相互作用实验台
• 2.2.3 大空间综合实验台
• 2.3 主要测量参数及其数据采集系统
• 2.3.1 烟气温度
• 2.3.2 火源功率
• 2.3.3 气体流动速度
• 2.3.4 烟气成分
• 2.3.5 烟气层高度判定
• 2.4 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第三章 水喷淋作用下烟气运动的动力学模型
• 3.1 引言
• 3.1.1 水喷淋作用下的烟气层稳定性
• 3.1.2 失稳状态下的烟气流动特性
• 3.2 自动洒水喷头的喷淋特性
• 3.3 水喷淋与烟气相互作用的力学模型
• 3.3.1 稳定状态下单位面积液滴总拖曳力
• 3.3.2 稳定状态下单位面积烟气总浮力
• 3.4 水喷淋作用下的烟气层稳定性判据
• 3.5 失稳状态下的烟气运动及拥塞射流的长度
• 3.6 水喷淋作用下烟气层稳定特性实验
• 3.7 实验结果与分析
• 3.7.1 实验中的两种烟气层状态
• 3.7.2 烟气层稳定性判据
• 3.7.3 失稳后的烟气运动
• 3.7.4 拥塞射流长度计算模型的验证
• 3.7.5 不同厚度烟气层拥塞射流长度对比
• 3.8 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第四章 水喷头近域顶棚水平开口处的烟气流动特性
• 4.1 引言
• 4.2 水喷淋作用下顶棚水平开口处烟气流动过程
• 4.2.1 烟气通过喷头近域水平开口的流动
• 4.2.2 水喷淋作用引起的水平开口处压差降低
• 4.3 近域水平开口烟气流动过程的水喷淋实验
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 喷淋作用下的烟气流出速度
• 4.4.2 数学模型的实验对比
• 4.4.3 开口面积对烟气流动速度的影响
• 4.4.4 水平开口的气流特性
• 4.5 水喷淋和自然排烟共同作用下的烟气层稳定性问题
• 4.6 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第五章 水喷淋对喷头近域水平机械排烟影响实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 机械排烟的基本原理
• 5.3 近域水平机械排烟过程的水喷淋影响实验
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 喷淋作用下喷头近域水平机械排烟速度
• 5.4.2 水喷淋对机械排烟效果影响分析
• 5.5 近域排烟必要性及两种排烟模式的可行性分析
• 5.6 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第六章 火源受水喷淋抑制后的烟气层稳定特性
• 6.1 引言
• 6.2 喷淋液滴与烟气相互作用的相关控制方程
• 6.2.1 烟气（连续相）运动守恒方程
• 6.2.2 液滴（弥散相）运动控制方程
• 6.3 喷淋模型及火源功率衰减公式
• 6.3.1 液滴分布的数学模型及初始化速度
• 6.3.2 火源功率衰减公式
• 6.4 计算机模拟研究
• 6.4.1 计算模拟方法的比较
• 6.4.2 模拟工具的选择
• 6.5 数值模拟算例设计
• 6.5.1 数值算例的几何模型
• 6.5.2 喷淋模型的设计及火源功率修正
• 6.6 计算结果与分析
• 6.6.1 喷淋流量及火源条件对烟气沉降的影响
• 6.6.2 烟气层高度随时间变化
• 6.6.3 喷淋流量对烟气温度的影响
• 6.7 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文