狭长空间纵向通风条件下细水雾抑制火灾的模拟研究

论文摘要

狭长空间建筑日益发展，在许多领域发挥着重要作用，但也带来了巨大的火灾风险。随着近年来隧道火灾事故频发，同时对抑制火灾方法要求的也在不断提高，单纯依靠强制通风排烟措施已不能满足防火需求。作为传统卤代烷灭火剂的主要替代技术，细水雾以其清洁、高效、成本低、对防护对象破坏小等优点而得到广泛应用，尤其是近几年在交通隧道、地下铁路和电缆隧道等狭长空间的应用中也逐步被认可和推广。为了拓宽细水雾的应用领域，提高细水雾在狭长空间中的抑制火灾有效性，在本文中，选取了纵向通风这一狭长空间的典型特征，结合数值模拟和实验模拟，深入研究细水雾抑制火灾过程的机理特性和影响规律。 本文首先对纵向通风条件下火灾燃烧及烟气运动特性的影响进行分析和总结。通过对前人实验数据的整理归纳，与开放空间的实验结果比较，对纵向通风条件下热释放速率变化情况进行了探讨。在狭长空间模型内进行木垛燃烧实验，研究了木垛孔隙对燃烧过程阶段性的影响规律，分析了各阶段温度和CO气体浓度的变化情况，以论证燃料堆积密度是狭长空间通风情况下火灾燃烧过程的重要影响参数。 作为细水雾灭火性能研究的基础，本文结合三维LDV／APV系统和低速风洞测量技术，研究了纵向通风条件下不同风速对雾场特性参数在空间内分布特性的影响。通过实验结果得到了实验空间内雾滴速度、雾滴粒径以及雾通量随着风速和运动距离的变化规律。 在分别研究了纵向通风对火灾行为和雾滴运动影响的基础上，开展了细水雾抑制火灾的模拟研究。为了使缩小尺度模拟实验能够对实际应用起到有效的指导，将细水雾抑制火灾的尺度关系推广到了纵向通风条件下，并指导模拟实验设计参数的确定。建立模拟实验装置，开展多组细水雾抑制木垛火的实验，验证和完善了尺度关系，并将纵向风速和雾化锥角纳入经验尺度模型当中，对尺度模型中参量指数进行修正。 采用数值计算和实验模拟相结合的方法，研究了细水雾对顺风方向木材火的抑制性能。模拟计算的预评价结果表明，在强制纵向通风条件下细水雾与火源之

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目标及内容
• 第二章 狭长空间纵向通风条件下的火灾燃烧特性
• 2.1 引言
• 2.2 狭长空间纵向通风对火灾热释放速率的影响
• 2.3 狭长空间纵向通风条件下火源对燃烧过程的影响
• 2.3.1 纵向风速对火源燃烧过程的影响
• 2.3.2 固体火源结构对燃烧过程的影响
• 2.4 狭长空间纵向通风条件下的烟气运动特性
• 2.4.1 烟气运动过程中温度的变化情况
• 2.4.2 烟气运动的临界风速
• 2.5 本章小结
• 第三章 狭长空间纵向通风条件下细水雾运动特性的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 理论基础
• 3.2.1 细水雾运动特性的参数表征
• 3.2.2 单个雾滴的运动特性描述
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 三维LDV/APV测量技术
• 3.3.3 实验程序
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 速度分布
• 3.4.2 粒径分布
• 3.4.3 雾通量分布
• 3.5 本章小结
• 第四章 狭长空间纵向通风条件下细水雾抑制火灾的尺度模型
• 4.1 引言
• 4.2 尺度关系的建立
• 4.2.1 狭长空间纵向通风条件下火灾尺度模拟特征尺寸的确定
• 4.2.2 基本守恒方程及无量纲化
• 4.2.3 尺度关系的建立
• 4.3 基于尺度关系的模拟实验设计
• 4.3.1 Siemens隧道全尺寸实验
• 4.3.2 实验设计参数的确定
• 4.3.3 测量系统
• 4.4 尺度模型的验证——沿程温度的比较
• 4.4.1 实验工况
• 4.4.2 不同粒径情况的比较
• 4.4.3 不同纵向风速情况的比较
• 4.4.4 不同火源功率情况的比较
• 4.5 基于尺度关系的细水雾灭火临界水流率的预测模型
• 4.5.1 临界水流率的实验结果
• 4.5.2 实验结果的分析
• 4.5.3 经验尺度模型的建立
• 4.6 本章小结
• 第五章 狭长空间纵向通风对细水雾抑制火焰的影响规律研究
• 5.1 引言
• 5.2 纵向风速对细水雾抑制火灾影响的数值模拟预评价
• 5.2.1 FDS计算程序及细水雾灭火模型的改进
• 5.2.2 计算场景的设置
• 5.2.3 计算结果与分析
• 5.3 利用模拟实验对细水雾抑制火灾的影响因素分析
• 5.3.1 实验方法
• 5.2.2 灭火过程分析
• 5.3.3 不同纵向风速与相对位置
• 5.3.4 不同木垛结构
• 5.3.5 不同喷头
• 5.4 本章小结
• 第六章 纵向通风条件下细水雾熄灭火灾的预测模型
• 6.1 引言
• 6.2 细水雾灭火过程的温度—氧气浓度关系
• 6.2.1 R.Wighus熄灭极限理论
• 6.2.2 熄灭极限的实验验证
• 6.2.3 基于熄灭极限理论的温度—氧气浓度关系及通风条件下的修正
• 6.3 细水雾灭火过程的氧气浓度变化关系
• 6.3.1 细水雾作用下氧气浓度变化过程的经验公式
• 6.3.2 时间系数
• 6.3.3 通风条件下经验关系的适用性
• 6.4 预测模型的建立和验证
• 6.4.1 预测模型的建立
• 6.4.2 实验验证
• 6.4.3 影响因素分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论及下一步工作展望
• 7.1 本文主要工作及结论
• 7.2 本文创新之处
• 7.3 下一步工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文