火源长宽比对隧道内矩形火燃烧特性的影响研究

开展了一系列小尺寸实验研究隧道内不同火源受限情况下的火焰形态和顶棚射流火焰长度。实验中采用四个长宽比范围1~8的矩形气体燃烧器作为火源,并通过改变火源的摆放位置和贴壁方向(长边贴壁和短边贴壁)来改变火源的受限程度。结果表明:当火源置于开放空间非受限场景时,随着火源长宽比的增大,火源卷吸空气周长增大,导致火焰高度不断减小。对于贴壁火当矩形火源的长边贴壁时,随着长宽比的增大,其火焰高度同样不断减小;由于卷吸不对称,火焰贴着墙壁向上方蔓延,其火焰高度明显高于开放空间条件下的值。当火源短边贴壁时,火焰高度虽然仍随长宽比的增大而减小,但其火焰高度与开放空间相近,明显小于长边贴壁的情况,说明此时空气卷吸受限程度不大,火焰蔓延没有受到墙壁明显的影响。在前人对轴对称火源(方形和圆形火源)研究的基础上,本文对矩形火源位于隧道纵向中心线和紧贴隧道侧壁的火焰形态和火源长度进行了实验研究,定义了一个修正的无量纲火源功率?Q *mod,并引入了考虑矩形火源长宽比的无量纲特征参量(n+1)/n,建立了综合考虑火源功率、火源尺寸和贴壁方向的矩形贴壁火的火焰长度关系式。     

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.     

试样宽度对EPDM卷材竖直火蔓延的影响

以2.0 mm厚三元乙丙橡胶(EPDM)防水卷材为研究对象,在ISO 9705全尺寸热释放速率试验台上进行竖直壁面火蔓延试验,研究了不同试样宽度条件下热释放速率、热通量及其与火焰高度的关系.结果表明,热释放速率峰值随着宽度的增加呈非线性变化.当试样宽度小于25 cm时,试样火焰高度和竖直火蔓延平均速度随宽度的增加而增大; 宽度大于25 cm时,横向火蔓延明显,火焰高度和竖直火蔓延平均速度随其增加而减小.25 cm可以看作该厚度下的试样临界宽度.由热释放速率与火焰高度关系式Xf/W=α(Q)'n得到的7种工况的n值近似为1.08,得出热通量(Q)与X/Xf的关系曲线.     

地下环形隧道纵向通风下火羽流数值模型建立

为全面研究隧道火灾火羽流特性,分析隧道火羽流运动机理,在前期小尺寸试验及数值模型基础之上进行数学建模,通过理论分析对模型进行适当数学简化,运用质量守恒、能量守恒和微分方程求解,经过严格理论推导,最终得出纵向通风地下环形隧道近场火焰区火羽流全模型,并系统地给出了隧道火羽流的羽流半径、羽流速度、羽流质量流率、羽流温升和羽流中心线温度的数学表达式。同时,结合现有实验数据,修正本文所提模型。研究结果可补充现有受限空间火灾动力学理论,为隧道火灾烟气控制、人员疏散及火灾综合防治提供理论依据。     

竖井中羽流前锋上升时间的实验研究

利用PolyU/USTC大空间实验厅内的小尺度竖井实验台,测量了开放和封闭竖井中羽流前锋上升时间,结合理论分析的结果,得到了羽流前锋上升无量纲时间和竖井无量纲高度之间的定量关系式.结果表明,在相同火源、相同竖井尺寸条件下,开放竖井和封闭竖井中的羽流前锋上升无量纲时间分别和无量纲高度的1.03次方、1.50次方成正比,与火源热释放速率的1/3次方成反比.由于烟囱效应的作用,开放竖井中的羽流前锋上升速度最快;非受限空间次之;封闭竖井内最慢.各种决定性因素对羽流前锋上升的影响程度由大到小顺序为:内外压差、壁面导热 粘滞力、空气卷吸.     

水喷淋下大空间建筑烟气输运的数值模拟研究

大空间建筑由于其功能、结构上的特殊性，使得现有的消防规范不能满足其防火要求，特别是针对大空间建筑的防排烟设计就更为不适用。性能化设计方法是目前防火领域最先进的技术，水喷淋系统作为大空间建筑原有的消防设施其对火灾烟气输运的影响，已作为一项重要的性能参考指标。笔者从数值模拟的角度出发，利用流体动力学软件FDS，研究有无喷淋情况下火源功率能量传递及羽流烟气的输运过程。通过对两种火灾场景下火羽流温度、地面传导热通量及辐射热通量的对比分析，探讨了火羽流流场分布形式，为大空间建筑的防排烟设计提供有力参考。     

城市公路隧道火灾近火源区长度的研究

为对近火源区长度进行研究,以城市公路隧道为研究对象,采用理论分析与数值模型相结合的方法,探究了大火源功率、有效顶棚高度和火源横向位置对近火源区长度的影响,对36个工况的数值模拟和温度场变化规律的研究与分析。结果表明:火焰未撞击顶棚时,火源功率对近火源区长度几乎没有影响;当火焰持续撞击顶棚并形成水平扩展火焰时,近火源区长度受火源功率和有效顶棚高度影响较大,其无量纲形式与无量纲火源功率的2/3次方呈线性关系;随着火源与侧壁距离的减小,近火源区长度呈自然指数增加趋势;火源贴壁时,近火源区长度是火源位于隧道中部时的1.866倍;提出了近火源区长度预测模型,基本揭示了烟气由过渡阶段转入一维蔓延阶段起始位置的变化规律,能够为定量研究各阶段烟气流动特性提供参考依据。     

不同辐射下反应羽流三维直接数值模拟

运用直接数值模拟方法对低速流动下的浮力反应羽流进行了三维数值模拟,分析了不同辐射通量下无量纲流场中近场浮力羽流的结构特性。在有重力场和燃烧释热的情况下,反应羽流自然演化生成周期性的大涡结构,随着辐射强度的增加,不仅对温度场有显著影响,同时还影响着羽流涡旋的发展及其下游三维涡旋结构之间的相互作用。同时,辐射并不破坏流场的...     

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。     

试样放置角度与外加辐射强度对可碳化固体表面火蔓延的影响

选取了尺寸为400mm×90mm×3mm质地较为均匀的白木作为研究对象,对不同试样放置角度和不同外加辐射强度作用下的火焰高度、火蔓延速率和失重速率等火蔓延参数进行了测量,以研究试样放置角度和辐射强度对可炭化固体表面火蔓延的作用规律。研究发现,试样表面的火蔓延速率随辐射强度的增加而增加。当角度在负角度范围内时,角度的变化对火蔓延速率的影响不大,当角度在正角度范围内时,火蔓延速率随着角度的增加而迅速上升。试样失重速率随着辐射强度以及试样放置角度的增加而增加。火焰高度会随着外加辐射强度的增加而增加,并与试样失重速率的0.4次方呈正比关系。     

不同直径食用油池火燃烧特性对比试验研究

为探究食用油火灾的预防、探测及灭火技术,开展不同直径食用油池火燃烧试验,测量食用油油层温度、火焰及火羽流温度、质量损失速率、以及火焰高度等参数,分析食用油池火的燃烧特性,包括其被加热-自燃-燃烧的引燃过程和油层温度、火焰及火羽流温度、质量损失速率的变化规律;分析食用油池火燃烧速率随油池直径变化的规律,并结合理论公式计算不同油池直径对应的热释放速率。结果表明:食用油池火最大燃烧速率约为2. 3 mm/min;油池直径分别为25、40、55、70和85 cm的食用油池火对应的热释放速率分别为20、60、190、375和551 k W。     

高原与平原地区油池火燃烧特性对比试验研究

为研究高原环境液体燃烧时火焰特性参数与平原地区的差异,在拉萨和合肥进行了汽油油池火燃烧试验.结果表明,在燃料类型和油盘尺寸相同的条件下,两地汽油和柴油的质量燃烧速率之比等于大气压力之比,且高原地区的汽油火火焰比平原地区细长. 随着高度的增加,高原地区羽流中心温升的下降幅度减小,且幅度小于平原地区. 相同燃烧速率下,高原地区小尺寸油盘的油池火高度和中心温度大于平原地区,McCaffrey羽流温升公式不适用于计算低压环境下小功率火源.研究表明,由于氧气含量和压力的不同,高原地区燃料的燃烧特性与平原呈现不一样的规律.进一步研究环境压力对燃料燃烧特性的影响规律,可为研究高原火灾发展规律及火灾防治技术提供理论指导.     

乙醇添加比例对乙醇-柴油混合物表面火蔓延的影响研究

实时记录了不同比例乙醇柴油混合燃料的火蔓延过程,对蔓延火焰的外貌结构、火蔓延模式、火蔓延速度以及油面温升规律等进行了探讨。研究发现,当乙醇添加比例10%时,混合燃料火焰低速脉动蔓延,火焰前锋油面下方存在表面流,火蔓延速度变化幅度比较小,燃料表面的升温速率随初温的升高而升高;当乙醇添加比例≥10%时,火焰稳定蔓延,表面流消失,火蔓延速度会随着燃料初温的升高而降低,燃料表面的升温速率随初温的升高而降低。     

隧道受限火灾合理纵向通风风速范围研究*

为探究公路隧道不同受限程度火灾的适宜纵向通风风速,基于FDS模拟分析5种纵向通风速度下不同近壁距离火源顶棚下方烟气最高温度的分布特性、烟羽流倾角及烟气分层状况,提出合理纵向通风风速范围。研究结果表明:在隧道中心线上近火源下游,顶棚下方的最高温度沿纵向均呈指数衰减。不同贴壁距离和纵向通风风速下,均出现烟气分岔流动,随着贴壁距离减小羽流撞击处温升、火羽流偏移角显著增加。当风速小于1.6 m/s时,火源上游出现大量高温烟气回流;而当风速超过2.4 m/s时,分岔流动现象越明显,各偏移角变小,火源下游逐渐后移的烟气层严重失稳。因此,不同受限程度下火灾合理纵向风速为1.6~2.4 m/s。     

不同温度下超高层建筑窗口火蔓延模拟分析

为揭示不同温度条件对凹型超高层建筑窗口羽流火焰融合高度的影响,采用火灾动态仿真模拟软件PyroSim,构建不同温度条件下凹型超高层建筑的火灾模型;分析该模型下竖向连续多窗口温度分布等温线及温度曲线。结果表明:在不同室外温度条件下,纵向连续3窗口比2窗口在达到危险温度540℃时,火焰融合高度上升4.5~5.9 m;在达到危险温度350℃时,火焰高度上升11.0~13.3 m。纵向连续4窗口比3窗口在达到危险温度540℃时,火焰融合高度上升3.0~3.4 m;在达到危险温度350℃时,火焰高度上升7.8~9.5 m;对于凹型超高层建筑,室内外温差越大,火焰融合高度越高;从纵向连续3窗口开始,火焰融合高度增长趋势下降。     

受限空间射流火形成和发展影响因素研究

为防控换流变火灾的发生,确保电网的正常运行,研究换流变内变压器油的量、铁芯及绕组等所占体积对射流火形成和发展的影响。首先,搭建小型变压器油燃烧试验平台,分析受限空间射流火产生、发展、熄灭等阶段火焰形式;然后,改变变压器油的量,分析各阶段射流火形态的变化;最后,改变钢珠填充量,分析射流火形态。研究结果表明:沸腾液体蒸发蒸气爆炸(BLEVE)现象是喷射高度达到最高的关键点;减少罐内变压器油的充装量后罐内整体能量降低,这导致各阶段火焰高度降低,且各阶段火焰显现时刻出现延后;加入2.4 dm3钢珠后,罐底热阻增大,而钢珠表面的突起或凹陷为沸腾过程的气泡提供气化核心,降低液相过热度,强化传热效果,使火焰高度大幅降低的同时,将射流火出现时刻延迟52.91%。     

自然通风房间内细水雾与油池火作用的数值模拟

采用大涡模拟、混合物分数燃烧模型和欧拉-拉格朗日粒子运动描述法,对自然通风房间内细水雾与油池火焰作用过程进行数值模拟;探讨细水雾在火羽流的不同区域内的灭火机理;分析雾滴直径在自然通风条件下对细水雾灭火效果的影响。模拟结果表明:细水雾冷却热烟气层分为温度迅速降低和缓慢下降两个阶段;在间歇火焰区和浮力羽流区以及热烟气层主要发挥细水雾的蒸发冷却作用,在恒定火焰区则是蒸发冷却和隔氧窒息共同作用;着火区域封闭性较差时,直径较小的水雾系统的灭火效果较低。     

不同通风条件下柴油池火的实验研究

为了分析不同通风条件对柴油池火燃烧特性及引燃特性的影响,进行205 mm带水垫层柴油池火的引燃实验,通过对池火燃料的质量损失速率、火焰高度、温度及热辐射等的监测,分析通风环境中柴油池火的热传递规律。结果表明:当风速为0.5 m/s时,火灾进入旺盛阶段的时间提前,火焰平均温度最高;当风速为1 m/s时,风速的增加导致油池火的质量损失速率增加,位于主火源下风向的待引燃火源获得的热辐射通量增大,火灾旺盛阶段火焰的平均温度降低,火焰高度降低,下风向相邻油盘引燃的时间提前;1 m/s情况下,205 mm带水垫层柴油池火的安全间距需增加到1D以上;通风环境对池火发展及蔓延的影响是显著的,应适当加大下风向可燃物的安全间距,合理选择通风排烟风速,优化火灾应急救援策略。     

水平风对不同液位深度酒精池火火焰长度的影响

通过改变风速、液位深度的大小,研究边界条件变化对酒精池火火焰长度的影响。研究结果表明：在无量纲液位深度小于一定值时,酒精池火的火焰长度会随着风速的增加而增大,当无量纲液位深度较大时,油盘外部酒精池火的火焰长度基本为0。风速相同而液位深度不同时,酒精池火的火焰长度会随着液位深度的增大首先增大,而后逐渐减小。这主要是因为,液位深度较大时,燃料表面的供氧量降低导致燃烧效率降低,最终导致火焰长度的减小。     

沉管隧道内车厢火羽流的临界风速研究

为探究纵向通风与侧向集中排烟协同作用下,沉管隧道内车厢火羽流的临界控制风速特征,首先,建立1∶8缩尺寸隧道试验模型;然后,选取3种车厢开口尺寸及9组火源功率,并考虑侧向集中排烟系统开启和关闭2种状态,采集沉管隧道内不同纵向风速下顶棚烟气温度数据;同时,通过火灾动力学模拟软件(FDS)模拟沉管隧道内车厢火羽流的速度场和温度场分布特征;最后,分析临界风速演化的物理影响机制。结果表明：无论侧向集中排烟系统是否开启,隧道顶棚下方烟气最大温升均会随纵向风速增加而下降,同时隧道内烟气逆流长度也会不断缩短直至为0;随隧道内车厢火源功率的增加,临界风速均呈现先增大后不变的趋势;在相同火源功率条件下,侧向排烟系统开启时对应的临界风速明显大于其关闭的情况;在侧向排烟与纵向通风协同作用下,随火源功率增加,沉管隧道车厢火羽流临界风速呈现先增加、后不变的分段函数关系。