建筑火灾顶棚射流的数值模拟及火焰扩展长度处理方法

探讨了建筑火灾数值模拟中常用的火焰区域获取方法及其优缺点。通过火灾动力学模拟软件(Fire Dynamics Simulator, FDS)对建筑火灾中的顶棚射流现象进行了模拟计算，其中考虑了不同火源热释放速率与不同火源距顶棚高度等条件的影响。分别采用连续图像法和温度阈值法获取了数值模拟中顶棚射流火焰扩展长度的数据，并与文献中基于试验建立的火焰扩展长度预测模进行了对比。结果表明：通过温度阈值法获取的火焰扩展长度数据受阈值取值的影响较大。通过连续图像法获取的火焰扩展长度数据可以较好地反映出火焰扩展在不同火源热释放速率及不同火源距顶棚高度等条件下的动态变化情况，与前人建立的火焰扩展长度预测模型之间的吻合较好，表明通过连续图像法获取的火焰扩展长度数据较为准确。建筑火灾数值模拟中的火焰扩展长度可通过基于单位体积热释放速率的连续火焰图像获取。研究结论可为建筑火灾数值模拟中火焰燃烧区域的确定提供参考。     

基于三维图像分析的浮力扩散火焰几何与辐射特性研究

火焰几何特性和辐射特性是刻画火灾规模及其危害的重要参量。利用三维火焰重构技术,获取了丙烷浮力扩散火焰的火焰高度、表面积、体积和火焰面元视角系数的变化规律。结果表明,三维重构的火焰能够表征真实火焰形态的动态变化。平均火焰表面积和体积均可较好地拟合为热释放速率的幂函数,火焰表面积热释放速率随火焰热释放速率的增加趋于常数。平均火焰高度、表面积和体积与火焰外部平均辐射热流之间具有较好的幂函数关系,且拟合指数随着与火源距离的增大而减小。此外,将点源、圆柱辐射模型和火焰面元积分方法得到的辐射计算值与辐射测量值进行比较,发现火焰面元积分方法能够更好地预测火焰外围的瞬时和平均辐射热流分布。     

庚烷池火多火源燃烧特性的实验研究

多火源燃烧是森林火灾和城市群发性火灾中重要而又特殊的火灾现象,相关研究很少。通过恒定控制液面高度的实验系统,对直径0.1m、0.2m和0.4m的庚烷池火在单个火源、两火源燃烧和三火源线性排列时的火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性进行了实验研究。研究发现,三火源燃烧时中间火源的火焰高度、火焰体积和燃烧速率明显高于两火源燃烧和单火源燃烧,三火源燃烧时边上火源与两火源的燃烧状况难以区分。这些燃烧特性随着火源间距的减小,呈现增大趋势。热量反馈增强和空气卷吸受限这两种火源相互作用机制相互耦合,且随着火源间距的减小而增强,在S/D（S为火源间距,D为油池直径）为2～4时,两种机制强烈竞争,在其他参数范围内热量反馈增强效应占主导作用。研究还发现火焰体积与热释放速率有较好的线性相关关系,单位火焰体积的热释放速率约为1614kW/m3。     

基于支持向量机的综合管廊火灾纵向温度实时预测

城市地下综合管廊一旦发生火灾,会对城市造成很大的经济损失和社会影响。考虑到火灾的快速发展和综合管廊狭长受限的特殊空间结构,迫切需要一套准确、实时的火灾温度预测系统辅助消防救援人员制定决策和指导消防行动。建立了5种不同火源位置的地下综合管廊电缆火灾数值模型,结合支持向量机(SVM),根据火源位置、热释放速率、火灾发生时间以及待测点与火源之间的相对位置关系开发了一种数据驱动的温度实时预测模型,实现了地下管廊火灾场景内的纵向温度预测,提出了在火源附近数据结构的优化方案,提高了火源附近的预测准确度。该方法在预测性能和预测时间方面取得了优异的性能,展示了人工智能在火灾预测应用中的优越表现和发展前景。     

氧化铁粒径对固体推进剂火焰特征参数影响的试验研究

针对5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂在实际应用中存在的推进剂火焰偏大、容易在灭火装置喷口处形成外喷火焰的问题,选用了微米氧化铁和纳米氧化铁作为催化剂,分别从火焰形态、质量损失速率、热释放速率、无量纲火焰高度模型几个角度开展研究,对比了两种不同粒径的氧化铁对5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂燃烧火焰的优化效果。根据燃烧试验结果,发现不论是富氧燃烧还是贫氧燃烧,在降低推进剂燃烧时的火焰高度方面,微米氧化铁均明显优于纳米氧化铁;在提高质量损失速率方面,微米氧化铁的加速效果也要优于纳米氧化铁。基于传统的液态燃料油池火发展的火焰高度预测模型,将无量纲火焰高度与热释放速率的分析关系应用到固体推进剂燃烧领域,考虑使用无量纲火焰高度的分析方法,对固体推进剂燃烧过程中的火焰高度进行预测,建立了5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂的无量纲火焰高度模型,发现不含氧化铁和含有氧化铁的5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂燃烧时的火焰高度与热释放速率的n次方成正比,该无量纲拟合可以对固体推进剂火焰高度进行预测。最终,得出了微米氧化铁比纳米氧化铁更适合作为催化剂被用于5-氨基四氮唑/硝酸锶推进剂中,有利于提高固体推进式灭火装置的灭火效果。     

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。     

面向视频火灾火焰识别的轻量化卷积神经网络模型

深度学习在基于视频的火灾火焰识别技术中得到了广泛应用。为解决当前常用的卷积神经网络模型由于层数和训练参数过多，导致存储和速度问题突出，很大程度上限制了其在一些硬件平台上使用的问题，基于轻量级卷积神经网络模型SqueezeNet,通过适当修改模型结构，构建了一种适用于火灾火焰识别的新网络模型。将获取的各类火灾火焰图像数据，采用数据增强的方法来增加数据量，制作火灾火焰图像数据集，形成学习样本，并使用运动探测算法提取图像的火焰区域进行模型训练和识别前预处理。试验结果表明：该模型所需存储空间仅为0.28 MB,为VGG16的1/200;火灾火焰识别预测准确率达98%,比SqueezeNet提高了近4个百分点，且具有良好的抗干扰能力，有效缓解了当前卷积神经网络中存在的存储和速度问题。     

初始引火源燃烧特征对动车车厢轰燃的影响研究北大核心CSCD

为了研究动车组发生火灾时车厢内火焰不断蔓延、火势不断增大导致车厢内轰燃的情况,并得到引起车厢轰燃的临界初始引火源热释放速率及所需燃烧持续时间,采用火灾动力学三维模拟软件FDS模拟其燃烧过程,分析在持续燃烧和非持续燃烧2种状态下不同热释放速率的初始引火源引起的动车组车厢轰燃情况。结果表明:引起动车组车厢轰燃的临界初始引火源热释放速率值为160 k W,燃烧持续时间临界值为1 470 s。随着初始引火源热释放速率的增大,车厢发生轰燃的时间变短,两者之间存在乘幂函数关系;且发生轰燃所需的火源燃烧持续时间也随之缩短,两者之间同样存在乘幂函数关系。根据动车组车厢内常见初始引火源特征,明确了不同行李物品作为初始引火源对动车组车厢发生轰燃的危险性。     

非稳态火源热释放速率等效合成模型研究

火源热释放速率的设定直接关系到火灾数值模拟与仿真的准确性.为研究多火源作用下的火灾热释放速率,通过对非稳态火源引起火灾的火势蔓延情况进行迭代分析,结合热辐射点燃机理,对单一火源引发其他可燃物共同燃烧的火灾建立了热释放速率等效合成模型,并通过对某型飞机客舱ULD内货物进行实例分析来加以验证.结果表明,等效合成模型的最大热释放速率受初始火源位置、可燃物的燃烧特性及其摆放位置的共同影响.     

初始引火源燃烧特征对动车车厢轰燃的影响研究北大核心CSCD

为了研究动车组发生火灾时车厢内火焰不断蔓延、火势不断增大导致车厢内轰燃的情况,并得到引起车厢轰燃的临界初始引火源热释放速率及所需燃烧持续时间,采用火灾动力学三维模拟软件FDS模拟其燃烧过程,分析在持续燃烧和非持续燃烧2种状态下不同热释放速率的初始引火源引起的动车组车厢轰燃情况。结果表明:引起动车组车厢轰燃的临界初始引火源热释放速率值为160 k W,燃烧持续时间临界值为1 470 s。随着初始引火源热释放速率的增大,车厢发生轰燃的时间变短,两者之间存在乘幂函数关系;且发生轰燃所需的火源燃烧持续时间也随之缩短,两者之间同样存在乘幂函数关系。根据动车组车厢内常见初始引火源特征,明确了不同行李物品作为初始引火源对动车组车厢发生轰燃的危险性。     

Configuration predictions of large liquefied petroleum gas (LPG) pool fires using CFD method

Liquefied petroleum gas (LPG) has potential pool fire risks due to its flammability. The configuration of pool fires plays a significant role when applying the solid flame model or point source model to assess the risks from heat radiation. However, no existing correlations can precisely predict the configuration of large LPG (100% propane) pool fires. To enhance the fundamental understanding on how pool diameter and wind velocity can influence the configuration of large LPG pool fires, an experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) model is employed to simulate fires using different burning rate models. Fire temperature profiles, flame heights, and flame tilts predicted by the CFD model were compared with empirical models and experimental data. Accordingly, new correlations for flame height and flame tilt as functions of pool diameter D and wind velocity u_w have been developed. The comparisons demonstrate that the new correlations have the best overall accuracy in the prediction of flame height and tilt for large LPG pool fires under different conditions (10 m ≤ D ≤ 20 m, 0 ≤ u_w ≤ 3 m·s⁻¹).     

火源位置对腔室火流动特性影响的实验研究

腔室火流动特性是影响腔室火灾蔓延与通风状况的重要因素。通过一系列小尺度腔室火实验,研究了火源位置变化对腔室火流动特性的影响。实验结果表明,随着火源沿腔室底部从壁面向开口方向移动,在开口中性面以上,同一高度处压差与流速增大,中性面高度和烟气层高度均降低,并导致开口质量流率增大。与火源强度相比,火源位置变化对烟气层高度的影响更为显著。火源位置对中性面高度及烟气层高度的影响在壁面处及开口处更为显著,腔室中部位置变化的影响相对较小。火源由壁面向开口移动,会造成火焰高度降低和水平伸长量增加。基于实验数据,给出了考虑耦合火源位置的腔室内火焰水平伸长量的表达式。研究结果可为相关场景下的腔室火灾理论模型提供实验结果支撑。     

火焰撞击受限顶棚条件下顶棚最高温度数值模拟研究

顶棚下方最高温度是隧道火灾发展蔓延时的重要参数。针对火焰撞击顶棚并受到顶棚侧墙限制的强羽流驱动的顶棚射流,利用FDS模拟了18种缩尺寸隧道火灾工况,研究了顶棚下方最高温度随着火源功率、火源与顶棚距离的变化规律。结果表明:火焰撞击区域附近顶棚下方温度随着火源功率的增大而降低,随火源与顶棚距离的增大而升高;相反,在远离火源区域顶棚下方的温度随火源功率增大而升高,随火源与顶棚距离增大而降低;同时,通过分析隧道中心面上顶棚下方温度分布规律,提出了火焰撞击受限顶棚时顶棚下方最高温升的预测模型,研究结果能为实际的隧道消防提供一些参考。     

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。     

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。     

Geometrical characteristics of externally venting flames: Assessment of fire engineering design correlations using medium-scale compartment-façade fire tests

In a fully developed under-ventilated compartment fire, flames may spill out of external openings (e.g. windows); Externally Venting Flames (EVF) pose a significant risk of fire spreading to adjacent floors or buildings. The main aim of this work is to comparatively assess a range of fire engineering design correlations used to describe the external dimensions of the EVF envelope. The predictive accuracy of each correlation is evaluated through comparison with experimental data obtained in a medium-scale compartment-façade fire facility, using typical fire loads suggested in the Eurocode. A series of fire tests is performed, employing a ¼ scale model of the ISO 9705 room, equipped with an additional extended façade. An “expendable” fuel source (n-hexane) is utilized to effectively simulate realistic building fire conditions. An extensive sensor network is used to monitor the dynamic behaviour of a broad range of important EVF physical parameters and a dedicated image processing tool is developed to allow estimation of the EVF envelope main dimensions (e.g. height, width, projection). Digital camera imaging is used to determine the main geometrical characteristics of the EVF envelope. Comparison of fire engineering design correlation predictions with experimental data reveals that correlations for the estimation of EVF height err on the safe side in under-ventilated fire conditions; decreasing the fire load results in under-prediction of EVF height and projection. It is shown that EVF projection and width strongly depend on both excess heat release rate and height. In addition, the necessity to derive appropriate criteria for the identification of the EVF projection is demonstrated. The obtained extensive set of experimental data, covering three different fire load levels, can be also used to validate numerical simulation tools or evaluate the accuracy of other available fire design correlations.     

不同边沿高度油池火燃烧行为的实验和数值模拟研究

采用实验和FDS数值模拟相结合的方法,探讨了边沿高度对油池火燃烧特性的影响。在实验部分,研究了燃烧速率和表观火焰高度随边沿高度的变化趋势,并分别分析了各个阶段的热反馈机制。在实验获得不同尺度、边沿高度正庚烷油池火燃烧速率的前提下,建立相应尺度的不同边沿高度油池火的Fire Dynamics Simulator(FDS)计算模型以针对火焰高度进行了数值模拟研究,分析了实际火焰高度、火焰下探高度随边沿高度的变化趋势,并提出了相关的无量纲拟合式。