外墙保温材料数值模拟研究

根据外墙保温材料具体的工程参数为依据,对挤塑型聚苯乙烯(XPS)、膨胀型聚苯乙烯(EPS)和聚氨酯(PU)三种材料的燃烧参数进行设定,设定火源为从窗口喷射而出的火焰,运用FDS软件进行数值模拟与分析。经过模拟发现:外墙保温材料在竖向燃烧中,火焰前锋高度呈现抛物线式增长,y=at2+bt+c,前期增长迅速,后期逐渐平稳。火焰前锋速度按照线性变化,vp=αt+β。在整个燃烧过程中,火焰前锋速度平稳的降低。XPS板导热系数最好,各测点的温度上升最慢,EPS板蓄热系数最好,所以其温度曲线最为平稳。     

多层建筑墙体保温材料火灾蔓延规律模拟研究

为探究保温材料对火灾蔓延的影响,采用FDS数值模拟软件,建立了附外墙保温材料无喷淋系统、无外墙保温材料无喷淋系统、附外墙保温材料有喷淋系统三种工况下4层职工宿舍火灾动力学模型,分析了温度、CO浓度、烟气层高、能见度四种指标对多层建筑火灾烟火蔓延规律的影响。结果表明：有无保温材料二者整体燃烧趋势大致相同,但保温材料的存在使得建筑火灾快速进入立式燃烧阶段,外墙燃烧温度及火势蔓延程度均增高。温度和能见度两种指标达到危险临界值的时间分别为33 s和36 s,远小于另两种指标。保温层一定程度上会加剧火势蔓延,但对烟气蔓延及能见度影响较小,研究结果为后续保温材料对火势蔓延的影响提供了理论参考。     

基于燃烧相互作用的PMMA相向火蔓延特性实验研究

为探究耦合燃烧作用对固体可燃物火蔓延的影响,开展基于燃烧相互作用的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)相向火蔓延特性实验研究。通过对不同宽度PMMA板进行相向火蔓延实验,获取火焰图像、温度场、质量损失速率等燃烧特性参数,分析相向火蔓延的过程特点与燃烧机理。研究结果表明：相向火蔓延过程中存在4个典型阶段,即快速发展阶段、相对稳定阶段、相互作用阶段、融合燃尽阶段;PMMA板宽度对相向火蔓延燃烧特性的影响较为显著,体现在热解区长度、相对稳定状态维持时间、质量损失速率等参数变化上。研究结果可为建筑物保温材料的火灾预防抑制提供参考。     

外墙保温材料在火灾中的燃烧现象小尺寸实验研究

利用外墙保温材料的小尺寸燃烧实验来研究外墙保温材料在火灾过程中的燃烧特性,分析总结外墙保温材料在火灾过程中的燃烧现象.建立外墙保温材料火灾实验模型,对外墙保温材料火灾实验的实验方法以及数据测定方式进行了介绍.采用不同阻燃性质的保温材料,研究阻燃成分阻止竖向燃烧的效果.观察不同的保温材料在燃烧过程中的点燃性能.根据材料的阻燃性能、点火位置、固定方式的不同,总结燃烧痕迹的变化规律.分析非阻燃材料在燃烧的过程中的熔滴生成,发现产生的熔滴对未燃保温材料的点燃现象.观察不同的保温材料在燃烧过程中的烟气生成及烟气层的形成.通过小尺寸火灾试验的方法来研究建筑外墙保温材料火灾的特性,提出使用阻燃型外墙保温材料的必要性.     

基于实验和数值模拟的画布类材料竖向火焰蔓延研究

为了更准确的预测和判断画布类材料的竖向着火过程,减少此类事故的发生,保障劳动者生命财产安全,根据Quintiere等人提出的热物理模型,推导出火焰沿竖向蔓延的数学规律。通过对画布材料的实验研究并与火灾动力学软件FDS数值模拟得出的结果进行比较,得出其在竖向燃烧的相关参数。重点研究了火焰形态、火焰高度、火蔓延速度、油画布表面温度、质量损失速率和热释放速率,得到了油画布的火灾增长系数为0.1228。实验表明,画布的竖向燃烧速度远远大于其在水平方向的速度,因此在全景画馆中的火灾危险性是非常突出的。     

干挂石材幕墙火蔓延数值模拟研究

采用数值模拟技术研究了干挂石材幕墙发生燃烧情况下的火蔓延及羽流特点。通过外部高温辐射源点燃了具有4 cm厚PMMA保温层但保温材料和外层钢板间存在2 cm缝隙下的干挂石材幕墙,对模拟结果的温度场、速度场和热释放速率的分析表明其火蔓延速度较泡沫壁面低,但碳化区形状规则,蔓延路径清晰;虽然热释放速率低,但相对而言火焰高度较高,火焰宽度较小,而且其火羽流呈现点火源的特点。     

泡沫材料在狭缝空间垂直火蔓延的数值模拟

保温材料的火蔓延特性对建筑防火有重要意义,而其在狭缝等特殊空间结构中的燃烧特性还缺乏深入研究.本文采用CFD模拟技术和并行计算手段对狭缝空间中泡沫材料的竖直火蔓延特性进行了分析研究.计算发现在狭缝宽度为5 -6 cm时,由于侧向补风增强,导致狭缝内存在规则的大尺度涡旋结构.涡旋将火焰向两侧拉扯,而且涡旋强度可以增强狭缝内火蔓延速度.相对开放空间的情况,在狭缝空间中泡沫材料的火焰高度随线热释放速率强度的增加较慢,并且存在最小热释放速率强度.当热释放速率强度小于一定值时,火焰将会熄灭.     

乙二醇流淌火燃烧特性及围堵性能研究

为研究乙二醇流淌火燃烧蔓延特性,利用自行设计的流淌火试验平台,开展了乙二醇流淌火实体试验,研究了试验过程中火焰温度、前锋移动、火焰高度等典型参数变化规律。同时,为实现流淌火的有效蔓延控制,开发酚醛泡沫材料模拟乙二醇流淌火围堵处置,评价其围堵效能。结果表明:乙二醇流淌火燃烧速度缓慢,火焰温度低于池火温度;酚醛泡沫材料对可燃液体流淌火展现出较好耐火、阻隔作用,对液体危化品的泄漏围堵具有积极实践意义。     

木材在不同放置角度下火蔓延特性的实验研究

选用厚度为2 mm与3 mm的木材,研究了可碳化固体可燃物在静止氛围中不同角度下的火蔓延特性.研究表明,在不同角度范围内火蔓延经历着熄灭、稳定燃烧、加速燃烧以及快速燃烧等变化过程.对两种厚度的木材火蔓延行为对比分析发现,在自然对流条件下,两种厚度木材的火蔓延极限角度分别为-5°,5°.另外,研究了试样上下表面火焰参数与火蔓延速度之间的关系.在10°＜α＜60°范围内,火蔓延速度计算值与实验值能较好拟合.     

高层建筑外墙火灾数值仿真研究

采用CFD模型,对某高层建筑外墙火灾进行了仿真分析,考虑了火源位置及风速对火焰沿外墙蔓延的影响,分析结果表明在单点着火的情况下,火灾首先从着火点沿着火面外墙向上及向两侧蔓延,火焰垂直蔓延速度远远高于水平蔓延速度,火灾从单侧向相邻侧蔓延一般首先会出现在建筑顶部区域,然后相邻侧火灾会呈现自上而下的蔓延过程,最终会发展为整个建筑外表面全部参与燃烧的情形。针对以上特点对高层建筑的外墙防火提出了建议。     

垂直壁面火蔓延速率的实验测量

垂直壁面火蔓延过程受材料本身的热物理性质以及外加辐射等复杂因素条件的影响很大,论文研究建立了可测量不同材料存在外加辐射条件下的垂直方向火蔓延实验台,来研究典型可燃物的垂直方向火蔓延特性,观察不同材料之间火蔓延行为的不同,同时测定可燃物的火焰到达高度随时间的变化情况,得到相应的火焰蔓延速率。同时考虑外辐射情况下对不同材料垂直方向火蔓延过程的影响,实验数据可为进一步的模拟研究工作提供很好的参考。     

基于双色法的层流扩散火焰温度场和烟黑浓度场重构

高温和烟气是火灾事故中造成人员伤亡的两个重要因素,能快速准确地获取火焰温度和烟黑浓度的分布,是对燃烧产热量和发烟量的控制方法进行深入研究的前提。根据双色法的理论基础,结合火焰单元的划分方法,整理并简化了火焰温度和烟黑浓度求解过程。利用自主开发的软件进行重构计算,并选取甲烷/空气轴对称层流扩散火焰为例进行试验。重构结果表明,烟黑浓度和温度的分布在轴向方向上均呈现双峰到单峰的特点。将重构结果和数值模拟的结果进行对比,发现温度峰值和烟黑浓度峰值的相对误差分别低于1.59%和6.08%,表明重构结果和模拟结果具有较好的一致性。因此,可认为该重构方法具有可行性。     

Experimental and LES investigation of premixed methane/air flame propagating in a chamber for three obstacle BR configurations

The paper aims at revealing the effect of blockage ratio (BR) on the flame acceleration process and the flame-vortex mechanism in an obstructed chamber based essentially on the experimental and numerical methods. In the experiments, high-speed video photography and pressure transducer are used to study the flame shape changes and pressure dynamics. In the numerical simulations, large eddy simulation (LES) with the flame surface density (FSD) model is applied to investigate the interaction between the moving flame and vortices induced by obstacle. The results demonstrate that the flame propagation process can be divided into four stages, namely spherical flame, finger-shaped flame, jet flame and volute flame for three obstacle BR configurations, and a small recirculation zone is observed above the obstacle only for BR = 0.5. The peak of flame tip speed and pressure growth rate increases with the blockage ratio. The generation and evolution of the vortex behind the obstacle can be attributed to the initial flame acceleration, while the subsequent flame deceleration is due to the flame-vortex interaction. In addition, the transition from a “thin reaction zones” to a “broken reaction zones” is also observed in the simulation.     

Large eddy simulation and experimental study of the effect of wire mesh on flame behaviours of methane/air explosions in a semi-confined pipe

Preventing the propagation of flames in a pipeline is an effective measure for avoiding gas explosion accidents and reducing losses. To evaluate the effect of wire mesh, acting as a porous media, experimental and simulation studies are conducted to determine the influence of the wire mesh on the dynamics of premixed methane/air flame propagation in a semi-closed pipe. Four different kinds of wire mesh with different numbers of layers are chosen in the experiments and simulation, and the mechanism of wire mesh quenching of the flame is investigated. The experimental and simulation results are consistent. Flames are quenched when 4 layers of 40-mesh or 3 layers of 60-mesh wire mesh are used; however, once the flame propagates through the wire mesh, the risk of methane combustion may increase. The wire mesh becomes the key factor causing flame folds and acceleration, and the greater the number of layers or the larger the mesh size is, the more obvious the folds after the flame passes through the wire mesh. Moreover, the combination of heat absorption and disruption of the continuous flame surface by the mesh causes flame quenching. Wire mesh can effectively attenuate the flame temperature during premixed flame propagation in a pipe, and the attenuated maximum rate reaches approximately 79% in the case of adding 3 layers of 60-mesh wire mesh.     

可燃固体表面火蔓延行为研究进展与展望

固体可燃物表面火蔓延是森林火灾、建筑火灾以及工业火灾中普遍存在的燃烧现象,是火灾研究的基础问题。对固体可燃物表面火蔓延行为进行分类,评述国内外的固体可燃物表面火蔓延行为研究现状和目前存在的主要问题。总结固体可燃物表面火蔓延试验研究的技术手段,对比分析不同因素对建立固体可燃物表面火蔓延行为理论模型的影响。这些因素包括环境流场、化学反应动力学、热解气体组分和炭化过程等。概要介绍固体可燃物表面火蔓延计算模拟的优势。最后指出固体可燃物火蔓延行为研究的发展趋势,并提出未来若干重点研究方向。     

A numerical method to predict flame fractal dimension during gas explosion

Accurate prediction of the flame propagation velocity during a gas explosion is essential to assess its consequences and to evaluate the risk level. The propagating premixed flame is self-turbulized due to the hydrodynamic instability, resulting in a fractal flame structure. It is therefore important for accurate prediction of flame speed to understand the flame’s fractal structure in detail and to predict its fractal dimension in particular. Numerical simulations of spherically-propagating flames have been previously attempted for such purposes. There are, however, difficulties to accurately predict the fractal dimension from the result of the numerical simulation of a spherically-propagating flame. In this study, we propose a method to easily predict the fractal dimension based on the numerical simulation of a planar flame. Planar flame propagation is simulated for different sizes of computational domain. The fractal dimension can be determined from the dependence of flame speed on computational domain size. The determined fractal dimension is favorably compared with previous experimental results.     

侧墙结构纵向多窗口羽流火焰融合的数值模拟

为了给高层建筑外部火蔓延防控提供参考,利用火灾动态仿真模拟软件PyroSim对无侧墙建筑的纵向多窗口羽流火焰与侧墙建筑的纵向多窗口羽流火焰进行了数值模拟,并改变侧墙长度,引入危险温度T=540℃、T1=350℃及T2=250℃,综合分析窗口温度曲线及等温线数据。结果表明:纵向多窗口羽流火焰产生相互融合现象,无侧墙建筑纵向相邻两窗口与三窗口的危险温度高度相似,比单窗口的危险温度高度提升了2.5~3.0 m;侧墙结构引起烟囱效应的作用效果与侧墙的长度呈正比,侧墙长度为3.6 m时,纵向多窗口的危险温度高度与无侧墙建筑相比,对T1和T2,高度提升了2.0~2.5 m,而对T,高度的影响较弱,羽流火焰的形状在纵向被拉长。     

3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究

为了预测油池火灾的火焰特性,采用CFD模拟技术开展静风状态下3 m直径煤油液池的火灾场景模拟,探讨火焰温度、火焰羽流速度、辐射热通量、燃烧产物质量分数等油池火焰特性参数随高度的变化关系;并结合火焰形态分布,提出一种4区域模型,即将湍流扩散火焰划分为油气混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区和热烟气区来分析燃烧气流在不同高度的实际物理化学特性。此外,通过经验公式和CFD模拟2种方法分别计算出3 m直径煤油池火灾的火焰高度、火焰表面的辐射通量及热辐射破坏半径,并对计算结果进行比较分析,结果表明:2种方法可互相补充完善,有助于池火灾的热辐射危害性评估。