特殊受限空间火灾轰燃的重构研究

论文摘要

火灾调查作为火灾科学研究的一个重要分支,集成多学科交叉,正在取得越来越广泛的关注。而火灾重构正是依据科学方法确定火灾中最真实的发生发展过程。轰燃是室内火灾过程中的一个瞬间,但却是特别重要的阶段。在空间狭小,通风不畅的特殊受限空间内很容易发生轰燃。在火灾调查中,轰燃分析的应用可以提供很多的有价值的信息,包括揭示火灾起源和蔓延的信息,提供判断的理论依据。本文基于火灾重构的角度对轰燃现象进行重构研究。火灾重构研究中材料的分析是建立重构模型的基础,尤其是固态可燃物的热解过程是火灾轰燃发生和发展的重要因素。首先对典型的固体可燃性材料的热解过程进行了研究,采用热重分析和热分析动力学方法,分别对尼龙和胶合板材料进行了研究。通过所得到的动力学参数可以用以预测不同温度下材料热解产物的百分含量,推测在特定条件下的轰燃发生的可能性,同时为轰燃的数值模拟重构提供了基础数据。建立了不同尺寸的轰燃模拟实验台,通过实验模拟重构,改变实验中的各种工况,包括顶棚高度的变化、火源位置、补风条件、火源半径的变化等因素,研究了腔室内发生轰燃的临界条件;利用区域模拟的两层结构模型,非线性动力学模型中的热增益和热损失的变化解释了腔室火灾的发展:壁面温度的无量纲数U_c与火源半径是决定轰燃发生与否的主要影响因素:利用修正后的非线性动力学模型,可以较好判断腔室内能否发生轰燃,同时预测烟气层最高稳定温度。研究了轰燃过程中的尺度模拟准则。建立了无量纲的腔室油池火的控制方程及无量纲组合数组,结合经验羽流的速度与热释放速率的关系,认为无量纲的能量产生速率为主导控制作用,根据无量纲能量产生速率恒定,确立了腔室油池火的尺度准则,并将该尺度关系用于模拟实验的设计。通过对受限空间火灾轰燃的数值实验重构,比较了CFAST和FDS的数值模拟结果与实验值的差别。CFAST在模拟火源热解和燃烧反应上存在不足,使其在火场重构中的应用受到限制;它模拟的烟气层温度普遍高于实验值。但是CFAST在轰燃理论的研究上可以起到辅助作用;FDS能模拟火源的热解和燃烧过程,进而较好预测腔室火灾的发展过程。通过全尺寸房间的轰燃实验,分析了轰燃的经验模型、BFD参数曲线估计法和FDS场模拟软件在火场重构的实际应用中的可行性。结果表明FDS模拟具有较广的适用性。BFD曲线对房间内发生轰燃的过程中烟气层温度曲线的预测以及最高温度的判断强于FDS。通过McCaffrey的模型来估算房间内的最大热释放速率,进而确定FDS模拟所需的网格密度,是一套有效的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 火灾调查意义及主要研究方向
• 1.1.1 火灾物证分析研究
• 1.1.2 火灾重构研究
• 1.2 火灾重构的研究进展
• 1.3 轰燃的研究现状
• 1.3.1 建筑火灾与轰燃
• 1.3.2 轰燃发生临界判据的研究
• 1.3.3 轰燃发生过程中影响因素的研究
• 1.4 本文研究背景及目标
• 1.5 本文研究思路及技术路线
• 参考文献
• 第2章 典型固体可燃物的热解特性分析
• 2.1 前言
• 2.1.1 火灾残留物
• 2.1.2 可燃物
• 2.2 理论基础
• 2.2.1 热分析原理及应用
• 2.2.2 热分析动力学理论
• 2.3 实验条件
• 2.4 典型塑料材料热解特性分析
• 2.4.1 尼龙（PA6）热稳定性分析
• 2.4.2 尼龙6的热解动力学研究
• 2.4.3 尼龙6的热氧化反应的热分析动力学研究
• 2.4.4 讨论
• 2.5 胶合板材料热解特性分析
• 2.5.1 热重分析
• 2.5.2 热解动力学分析
• 2.5.3 热解产物预测分析
• 2.5.4 基于勒夏特列定律对胶合板热解发生轰燃的分析
• 参考文献
• 第3章 受限空间的轰燃实验模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 轰燃研究的理论模型
• 3.2.1 非线性动力学理论
• 3.2.2 突变动力学理论
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 实验设计思路
• 3.3.2 实验台结构
• 3.3.3 测试手段
• 3.3.4 数据采集系统
• 3.3.5 实验的工况设计
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 典型实验现象
• 3.4.2 实验数据处理
• 3.4.3 实验数据结果及分析
• 3.4.4 实验与理论模型的比较分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 轰燃重构的尺度模拟研究
• 4.1 尺度模拟简介
• 4.2 轰燃过程的尺度模拟准则
• 4.2.1 轰燃过程的四个阶段
• 4.2.2 轰燃现象的特征尺度的选择
• 4.2.3 场方程的无量纲化
• 4.2.4 尺度关系的建立
• 4.3 尺度模拟准则的实验验证
• 4.3.1 实验工况设计
• 4.3.2 实验验证典型结果与分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 基于计算机模拟的受限空间火灾轰燃重构
• 5.1 火灾数值实验重构软件
• 5.1.1 CFAST软件
• 5.1.2 FDS软件
• 5.2 数值实验重构的参数设置
• 5.2.1 CFAST
• 5.2.2 FDS
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CFAST数值模拟的实验验证分析
• 5.3.2 FDS数值模拟的实验验证分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第6章 全尺寸轰燃实验重构及数值实验分析
• 6.1 引言
• 6.2 重构室内火灾轰燃的常用模型
• 6.2.1 预测房间内发生轰燃的临界热释放速率的模型
• 6.2.2 预测热烟气层温度变化的参数模型
• 6.3 实验工况及条件
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 实验描述
• 6.4.2 烟气层高度及平均温度的计算
• 6.4.3 FDS边界条件设置
• 6.4.4 BFD曲线算例
• 6.4.5 温度曲线相关系数的比较
• 6.4.6 最高温度的比较
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢