细水雾抑制受限空间轰燃的实验与理论研究

论文摘要

轰燃是受限空间火势失控的标志之一,极易造成群死群伤事故和巨额财产损失。轰燃的发生受房间尺寸、开口大小、火源面积、燃料载荷密度等因素影响,通过启动灭火设施,以减小火源功率、降低火场温度、阻隔热辐射能有效抑制轰燃的发生。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、低成本、对保护对象破坏小等优点而备受研究人员重视,但是以往的研究主要关注细水雾灭火和控火的效果,很少有人对细水雾抑制轰燃的有效性及其影响规律开展相应的研究。受障碍物影响,细水雾时常难以熄灭受限空间内的遮挡火和深位火,此时,灭火系统能否有效抑制轰燃的发生对人员疏散和灭火救援有决定性影响。因此,本文选择细水雾作用下的受限空间轰燃为研究对象,通过理论分析和模拟实验,深入探讨细水雾抑制轰燃的内在机理和影响规律。本文首先参考前人工作,设计了两种尺寸的轰燃模拟实验台,搭建了常规细水雾系统、基于超声雾化和蒸汽冷凝的超细水雾系统,分别用于抑制不同尺寸受限空间的轰燃。通过实验重现了汽油、柴油、酒精、聚乙烯和木垛的轰燃过程,发现不同液体燃料引发轰燃所需的最小火源面积正比于燃料的蒸发热,反比于燃烧热,轰燃发生时间会随着火源面积的增大而提前。考虑到已有非线性动力学轰燃模型仅适用于单开口受限空间,本文在给出多开口受限空间火灾烟气中性面及开口处烟气质量流率的计算方法后,对轰燃模型的无量纲参数进行修正,得出了多开口受限空间轰燃模型,并给出了壁面热惯性很大时临界无量纲温度与耦合参数Δhc/(AfΔhvap)的关系曲线,模型预测结果与液体池火实验吻合良好,能用于预测池火轰燃。通过开展局部保护细水雾抑制熄灭受限空间油池火实验,发现在设计的实验台内细水雾置换氧气为主导灭火机理,喷雾压力低于2MPa时难以有效灭火,可能发生轰燃。雾滴冷却汽油池火燃料表面效果不佳,因而在构建细水雾抑制轰燃预测模型时可以忽略燃料表面冷却,仅考虑雾滴在烟气层和火焰区的吸热效果。本文分析了细水雾对多开口受限空间轰燃模型的影响,发现雾滴主要改变烟气层无量纲平衡方程中的对流热损失因子。根据雾滴吸热蒸发状态的不同,分别分析了烟气层和火焰区内无汽化、部分汽化和完全汽化时的雾滴运动情况,得出了细水雾吸热速率,建立了临界雾流率预测模型,并给出了不同汽化状态之间的临界判据。通过开展低压常规细水雾抑制轰燃实验,发现压力过低时无法抑制轰燃,随着压力的升高轰燃时间逐渐延迟。将实验结果与预测模型对比后发现,该模型能有效预测常规细水雾抑制轰燃效果。超细水雾粒径小于50μm,在受限空间火场中将完全气化,通过分析火焰卷吸和强制通风下进入火焰区和烟气层的雾流率,得出了超细水雾抑制轰燃临界雾通量预测模型。利用设计的超细水雾系统,在两种尺寸实验台内模拟了超细水雾与受限空间内烟气和火焰相互作用的过程,实验发现超细水雾抑制轰燃的效果受雾通量、施加时间和施加方式的影响,实验结果和模型预测得出的临界雾通量吻合良好。综上所述,本文从理论分析、模拟实验以及预测模型等方面对常规细水雾和超细水雾抑制受限空间轰燃的可行性和影响因素进行了深入分析,建立了受限空间内细水雾抑制轰燃的预测模型,获得了相应临界条件,为细水雾应用于受限空间抑制轰燃提供科学基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 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
• 1.2.1 轰燃研究现状
• 1.2.2 细水雾灭火技术研究现状
• 1.2.3 细水雾抑制轰燃研究现状
• 1.3 研究目标及内容
• 第二章 细水雾抑制受限空间轰燃实验台的设计与建立
• 2.1 实验台的设计思想
• 2.2 受限空间的建立
• 2.3 细水雾发生系统的建立
• 2.3.1 常规细水雾系统
• 2.3.2 超细水雾系统
• 2.4 测试设备
• 2.4.1 温度
• 2.4.2 质量损失速率
• 2.4.3 烟气成分分析仪
• 2.4.4 数据采集系统
• 第三章 双开口受限空间轰燃现象及非线性预测模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 双开口受限空间轰燃现象实验研究
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 轰燃过程分析
• 3.2.3 不同池火火源面积
• 3.2.4 不同燃料种类
• 3.3 双开口受限空间轰燃的非线性动力学模型研究
• 3.3.1 Graham轰燃非线性动力学理论
• 3.3.2 双开口对受限空间轰燃非线性模型的修正
• 3.3.3 双开口轰燃非线性动力学模型验证
• 3.4 小结
• 第四章 局部保护细水雾抑制熄灭受限空间油池火实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 局部保护细水雾抑制熄灭受限空间油池火主导机理
• 4.2.1 细水雾冷却火焰效果
• 4.2.2 细水雾冷却燃料表面效果
• 4.2.3 细水雾置换氧气效果
• 4.3 局部保护细水雾抑制熄灭受限空间油池火实验研究
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 典型抑制熄灭火焰效果分析
• 4.3.3 影响因素及其规律研究
• 4.3.3.1 不同喷头个数
• 4.3.3.2 不同火源与喷头间距
• 4.3.3.3 不同喷雾压力
• 4.3.3.4 不同预燃时间
• 4.3.3.5 不同喷雾方式
• 4.3.3.6 不同油品
• 4.4 小结
• 第五章 常规细水雾抑制受限空间轰燃预测模型与实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 常规细水雾抑制受限空间轰燃的预测模型与临界条件
• 5.2.1 基于非线性动力学的常规细水雾抑制轰燃机理
• 5.2.2 常规细水雾对流吸热与抑制轰燃效果分析
• 5.2.2.1 细水雾烟气层吸热与抑制轰燃分析
• 5.2.2.2 细水雾火焰区吸热与抑制轰燃分析
• 5.3 常规细水雾抑制受限空间轰燃实验
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 常规细水雾抑制轰燃实验结果及分析
• 5.3.3 常规细水雾抑制轰燃预测模型的验证
• 5.4 小结
• 第六章 超细水雾抑制受限空间轰燃预测模型与实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 超细水雾抑制受限空间轰燃的预测模型与临界条件
• 6.3 超细水雾抑制轰燃实验研究
• 6.3.1 实验方法
• 6.3.2 超细水雾抑制轰燃实验结果与分析
• 6.3.2.1 小尺寸实验
• 6.3.2.2 大尺寸实验
• 6.3.3 超细水雾抑制轰燃预测模型的验证
• 6.4 小结
• 第七章 结论及下一步工作展望
• 7.1 本文的主要工作和结论
• 7.2 本文的创新之处
• 7.3 下一步工作展望
• 致谢
• 攻读博士期间完成的论文
• 参与的科研项目