火灾烟雾颗粒粒径分布的测量与计算模拟

论文摘要

烟雾颗粒粒径分布和浓度的动态变化是影响感烟火灾探测器响应的关键参数，是影响火灾中有毒气体承载与传播的重要因素。高大空间环境下，烟颗粒粒径与质量的增长制约烟雾的沉降与上升高度，进而影响高层感烟探测系统的设计和有效性。烟颗粒粒径分布受凝并等因素影响而不断变化。本文应用扫描电迁移粒径谱仪（SMPS），在线测量四种国家标准试验火和三种欧洲标准火，记录并分析烟颗粒粒径分布、几何平均粒径和总颗粒数浓度随时间的变化。火灾烟颗粒基本小于1μm，粒径分布呈双模态，符合对数正态分布，烟颗粒浓度峰随燃烧状态变化，且随时间向右移动，几何平均粒径增大，分布展宽。TF6试验火颗粒小于400nm，且呈自保持状态，其余明火烟颗粒大于阴燃和热解烟颗粒。烟颗粒凝并速率是燃烧状态参量的函数。火灾中，凝并是影响烟颗粒粒径变化的主要因素。本文简化烟颗粒粒径分布动力方程，应用Moment方法求解烟颗粒凝团的布朗凝并方程，在Baum和Farouk等人考虑常凝并速率时对烟颗粒浓度变化模拟的基础上，联合火灾动力学模拟（FDS），在已知燃烧热释放速率和初始烟颗粒分布参数时，得到火灾烟颗粒粒径分布参数动态变化的FDS-Moment模拟解，及随燃烧烟气动力粘性系数、温度和浓度的变凝并速率函数。应用FDS-Moment方法计算SH3试验火和SH4试验火的烟雾颗粒粒径分布参数变化，烟颗粒数总浓度的变化与衰减趋势与实验结果接近，比不考虑凝并和Baum&Farouk的常凝并速率的结果更符合实际燃烧结果。模拟烟颗粒几何平均粒径和对数方差在燃烧增长期的变化较小，而燃烧减弱和结束后，变化较快。烟颗粒凝并速率随时间增大。烟颗粒凝并速率随分形维数的减小而增大。离子感烟探测器对SH3和SH4烟颗粒的响应表明，若不考虑凝并，离子感烟探测器响应被高估，光电烟探测器响应被低估。烟颗粒粒径分布FDS-Moment解为感烟探测器响应的评估及建筑火灾探测系统有效性评估提供了有效的计算方法，为高大空间烟气颗粒输运模拟创造了条件。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 火灾探测技术研究及发展

1.3 火灾烟颗粒粒径分布研究的意义与进展

1.3.1 烟颗粒粒径分布的研究意义

1.3.2 火灾烟颗粒粒径分布模拟

1.4 前人工作

1.5 本文研究目的及内容

第二章火灾烟颗粒动力学过程与凝并理论

2.1 火灾烟雾的化学物理过程

2.2 羽流运动与烟气颗粒凝并方式

2.3 烟雾颗粒的凝并模型

2.3.1 单谱球形颗粒的凝并

2.3.2 广谱球形颗粒的凝并

2.3.3 凝并速率函数

2.3.4 烟颗粒布朗凝并方程的相似解

2.3.5 凝并过程中颗粒粒径分布变化预测

2.4 火灾烟颗粒粒径分布动力方程的简化

2.5 小结

第三章烟颗粒粒径分布动态演化及实验测量

3.1 实验设计

3.1.1 烟气层烟颗粒粒径分布测量系统

3.1.2 近火焰区烟颗粒采集平台

3.1.3 烟颗粒等效粒径比较

3.2 正庚烷明火（SH4/TF5）测量结果与分析

3.2.1 SH4烟气层颗粒粒径分布

3.2.2 正庚烷火近火焰区烟颗粒粒径分布

3.3 棉绳阴燃试验火（SH2/TF3）测量结果与分析

3.3.1 实验说明

3.3.2 SH2烟颗粒粒径分布变化

3.4 木材热解试验火（SH1/TF2）测量结果与分析

3.5 工业酒精试验火（TF6）测量结果与分析

3.6 木材明火（TF1）测量结果与分析

3.7 聚氨酯明火（SH3/TF4）测量结果与分析

3.8 十氢化氖明火（TF8）测量结果与分析

3.9 结论

3.10 小结

第四章烟颗粒粒径分布FDS-MOMENT预测模型

4.1 引言

4.2 火灾模拟

4.2.1 流体动力基本方程

4.2.2 N-S湍流燃烧方程的解方法

4.2.3 DNS模拟方法

4.2.4 大涡模拟计算

4.2.5 燃烧模型

4.3 烟颗粒粒径分布动力方程MOMENT解

4.3.1 烟颗粒粒径分布GDE方程

4.4.2 烟颗粒凝并方程的Moment解

4.4 FDS与MOMENT法的耦合

4.5 小结

第五章烟颗粒粒径分布演化模拟及实验比较

5.1 引言

5.2 影响模拟精度的因素

5.3 SH4/TF5烟颗粒粒径分布预测

5.3.1 燃烧模拟参数

5.3.2 模拟结果分析

5.4 SH3/TF4烟颗粒粒径分布预测

5.4.1 燃烧模拟参数

5.4.2 模拟结果分析

5.5 结果与讨论

5.6 小结

第六章凝并对探测系统响应评估的影响

6.1 引言

6.2 凝并作用下感烟火灾探测器响应

6.2.1 凝并对光学感烟探测器的影响

6.2.2 离子感烟探测器响应

6.2.3 感烟探测器响应函数

6.3 小结

第七章结论与展望

7.1 本文总结

7.2 创新点

7.3 下一步工作展望

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