细水雾与火灾烟气相互作用的模拟研究

论文摘要

传统的卤代烷灭火剂对大气臭氧层有严重的破坏作用，自蒙特利尔公约签订以来，寻找合适的卤代烷替代物已经成为国际火灾科学研究的当务之急。细水雾以其高效、稳定、成本低、易于得到及对环境友好等特点，成为当前国际火灾科学前沿的研究热点和难点之一。目前国际上关于细水雾与火灾烟气相互作用的研究尚处于起步阶段，本文通过实验研究和场模拟的方法系统地研究了细水雾与烟气的相互作用。 利用场发射扫描的方法，拍摄了细水雾作用前后柴油和橡胶燃烧产生的烟颗粒形貌。通过烟颗粒采样标本的统计分析发现，在细水雾作用下烟颗粒的采样平均直径dA有所增大，表面密度ρs有所减小。研究表明细水雾主要通过动力学作用、云物理学作用和斯蒂芬流输运机理来冲刷烟颗粒。粒径较小的细水雾蒸发速率快，这使得火灾环境快速形成过饱和蒸汽，烟颗粒吸收了过饱和水蒸气，体积和重量有所增大。粒径较小的雾滴可长时间悬浮在空中与烟颗粒发生凝聚、合并。速度较大的细水雾能够更加有效的冲击烟颗粒，强化烟颗粒与雾滴之间的碰撞和凝聚作用，加速了烟颗粒的沉降过程。 通过模拟实验的方法在受限空间研究了细水雾作用下烟气温度的变化规律。实验发现雾通量的改变明显的影响着细水雾的降温速率，随着雾通量增大细水雾的VTime。明显增大；随着雾滴粒径的减小细水雾的VTime变化幅度不大，只是略有增加。利用皮托管测量烟气场的动压，计算给出了细水雾作用下烟气与雾场的混合速度。研究表明粒径和速度较小的细水雾造成的速度增量较小，粒径和速度较大的细水雾造成的速度增量较大。细水雾对垂直方向的混合速度影响较大，对水平方向的混合速度影响较小。 利用ISO9705火灾实验台研究了细水雾作用下烟气特性参数的变化规律。实验发现细水雾施加之后，火场的氧气浓度快速回升，一氧化碳浓度上升速度加快，二氧化碳浓度上升速度减慢，同时烟气的消光系数、烟气的辐射热通量和烟气的质量密度快速下降。作者利用实验获取的数据，推导并给出了氧气浓度回升量、一氧化碳浓度增大倍数、二氧化碳浓度衰减比例和烟气质量密度减小比例与通风速率及压力的数学关系。实验发现，通风速率明显的影响着烟气特性参数的

论文目录

• 目录
• 符号表
• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 前人工作
• 1.3 研究目标
• 1.4 研究内容及技术路线
• 参考文献
• 2.烟气特性及细水雾对烟气的抑制作用
• 2.1 烟气的定义和产生
• 2.2 烟气特性参数表征
• 2.2.1 烟颗粒尺度分布
• 2.2.2 烟气密度
• 2.2.3 烟气消光性
• 2.2.4 烟气能见度
• 2.3 烟气危害性分析
• 2.4 细水雾对烟气的抑制作用分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3.细水雾对烟颗粒的影响研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验描述
• 3.2.2 Sirion200场发射扫描电镜
• 3.2.3 细水雾发生装置及雾特性
• 3.2.4 实验工况
• 3.3 典型实验结果及讨论
• 3.3.1 细水雾对烟颗粒形貌及内部结构影响分析
• 3.3.2 预燃时间对烟颗粒形成影响分析
• 3.3.3 细水雾工作压力对ρs影响分析
• A影响分析'>3.3.4 细水雾工作压力对d_A影响分析
• A影响分析'>3.3.5 雾滴粒径和速度对ρs和d_A影响分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 4.受限空间细水雾与烟气相互作用的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验描述
• 4.2.2 测量技术
• 4.2.3 细水雾发生装置及雾特性
• 4.2.4 实验工况
• 4.3 典型实验结果及讨论
• 4.3.1 细水雾降温速率定义
• 4.3.2 雾滴粒径和雾通量对降温速率影响分析
• 4.3.3 喷头与火源水平距离对降温速率影响分析
• 4.3.4 自然通风对降温速率影响分析
• 4.3.5 细水雾作用下烟气运动速度变化规律分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 5.细水雾作用下烟气特性参数变化规律研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 实验描述
• 5.2.2 ISO9705全尺寸多功能火灾热释放速率测试仪
• 5.2.3 热释放速率计算方法
• 5.2.4 实验工况
• 5.3 典型实验结果及讨论
• 5.3.1 细水雾作用下烟气组分浓度变化规律分析
• 5.3.2 细水雾作用下烟气消光系数和质量密度变化规律分析
• 5.3.3 细水雾作用下烟气辐射热通量变化规律分析
• 5.3.4 细水雾作用下热释放速率变化规律分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 6.细水雾与烟气相互作用的场模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 场模拟方法
• 6.2.1 场模拟理论基础
• 6.2.2 雾动力学模型
• 6.2.3 网格尺寸及其匹配
• 6.2.4 输入参数和输出数据
• 6.2.5 数值计算工况
• 6.3 计算结果及讨论
• 6.3.1 烟气温度计算结果分析
• 6.3.2 烟气特性参数计算结果分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 7.结论及下一步工作展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 本文创新之处
• 7.3 下一步工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文