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。     

典型聚合物材料平行双板水平火蔓延规律研究

为了研究固体可燃物多火焰火蔓延规律及传热控制机理,开展了竖向水平排列的PMMA单一平板和平行双板火蔓延规律研究。基于水平火蔓延实验台,考虑平板尺寸、平行双板的竖直间距两个主要因素,分析此类条件下的火蔓延速度、火焰高度和火焰宽度等参数。实验研究发现,PMMA板水平火蔓延过程中,热解前锋呈V型,预热区长度随平板间距的增大先增大后减小。平行双板工况下,在研究考虑的间距范围内火焰始终保持合并,火蔓延速度、火焰高度及宽度明显大于单一平板,且均随间距的增加先增大后减小,三者峰值出现的位置与样件尺寸有关。上层PMMA板上下表面的辐射热流随间距的变化规律与火蔓延速度变化规律一致,因此推断辐射作用在平行双板水平火蔓延中起到主导作用。     

圆柱钝体绕流火焰旋涡特性研究

在森林火灾中各种旋涡大量存在。本文着重研究圆柱钝体绕流火焰旋涡的形成机理和特征。通过各种实验手段观测火焰在圆柱钝体周围的动态结构变化，建立了涡核半径的模型公式。实验结果同时表明，在低能量火的情形下圆柱钝体的存在使得火蔓延速率下降，因而提出一个新的阻力因子模型以修正顺流燃烧蔓延速率。     

细水雾抑制固体燃料火焰辐射特性的研究

采用热电偶测温系统和热流辐射传感器等仪器对细水雾施加前后火场温度及辐射热流密度进行测量.研究了不同喷雾气压下固体燃烧场的温度及辐射热流密度的变化特性.结果表明,细水雾的蒸发冷却是影响火焰热辐射的一个重要因素.在实验基础上,建立了固体可燃物燃烧场辐射热流密度的计算模型,计算结果与实验结果较为吻合.     

基于大涡模拟的油池火焰瞬态辐射传热研究

为探究油池火焰燃烧过程中火焰辐射的瞬态辐射传热特性,基于大涡模拟方法建立甲醇油池火焰的燃烧模型,并采用准确性高的灰气体加权和模型(WSGG)模拟高温气体非灰辐射特性;研究甲醇火焰瞬态燃烧过程中的温度、速度、组分浓度变化及辐射热量的瞬态分布特性。结果表明：燃烧气体温度呈现周期性的变化,会不断地有高温气体在油池表面生成,然后上升、膨胀扩散,且在上升过程中气体速度先变大后减小。受此影响,池火液面受到的辐射热反馈随时间剧烈震荡,液面中心辐射热流密度在-17～-7 kW/m²之间变化,且向液面边缘逐渐减小;液面的热流密度概率密度分布呈现三角形;地面的辐射热量因为距离火焰较远及油罐的遮挡作用,比液面小一个数量级。     

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。     

可燃物填充比对火蔓延影响的实验研究

提出了一种可精确控制燃料床填充比的方法.以刨花为燃料,开展了可燃物填充比对火蔓延影响的系统性实验研究.分析了火焰长度、火焰倾斜角、火蔓延速率、质量损失速率和热流密度随填充比的变化规律.研究发现,随填充比增大,火焰长度逐渐减小,火焰倾斜角逐渐增加,导致火焰热辐射降低、火蔓延速率减小.当填充比小于0.06时,燃料消耗率接近...     

高原乙醇油池火燃烧特性实验研究*

为研究低压条件下油品燃烧特性,以乙醇油池火为研究对象,搭建高原油池火实验平台,研究不同油盘直径下乙醇油池火燃烧规律,分析燃烧速率、火焰高度和火焰脉动等参数随时间的变化规律。研究结果表明:低压条件下的乙醇油池火,燃烧速率小于同等尺度常压条件下的油池火燃烧速率;乙醇油池火的燃烧速率随油盘直径增加变化不明显;火焰高度随油池直径增加呈现显著上升趋势,并拟合推导出适用于低压乙醇池火的火焰高度公式;火焰脉动频率随油池直径增大而减小,并给出火焰脉动与油池直径的经验公式。研究结果可丰富低压乙醇燃烧的油池火实验数据,为低压乙醇油池火的风险评估提供参考。     

航空煤油薄油层燃烧特性实验研究

为研究薄油层燃烧特性,开展航空煤油薄层油池火实验,分析油品燃烧的整个过程、燃烧速率、火焰高度和辐射反馈等参数随时间的变化规律。结果表明:整个薄层燃烧过程除发展、稳定和熄灭阶段外,还存在薄层燃烧衰减阶段。稳定阶段的燃烧速率与初始油层厚度相关,但随着厚度的增加其逐渐趋于稳定;薄层燃烧衰减阶段,燃烧速率会随着实时油层厚度的下降逐渐降低。对比火焰高度的实测值和模型预测值发现,Heskestad模型的预测更接近实际结果;燃烧发展阶段后,火焰辐射反馈基本维持稳定,受初始厚度的影响较小,但辐射透射强度会随着油层厚度的降低而增加,且增速逐渐加快,表明辐射透射在薄层燃烧衰退阶段中起到关键作用。结合辐射透射的变化规律,将辐射反馈分为可吸收和不可吸收2部分,并提出用于预测辐射透射大小的经验模型。     

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。     

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。     

The effect of barriers on reducing thermal heat fluxes from a hydrocarbon pool fire

The radiant heat flux from a pool fire is frequently calculated using the solid flame model, where the flame envelope is approximated as a stationary cylinder whose surface emits thermal radiation at a constant rate. Radiant heat flux calculations using the solid flame model assume the target to be at a given elevation, typically at ground level, and to have an unobstructed view of the fire. The presence of obstacles (e.g., walls, buildings, etc.) or terrain features that would create shaded areas and provide shielding of a target from the fire is typically neglected in these calculations: this is a conservative approach, but it is not accurate. This paper presents a methodology to utilize the solid flame model to calculate the heat flux to a target while taking into account the presence of an obstruction between the target and the fire. The shielded solid flame method can quantitatively account for the presence of obstacles as a passive mitigation measure and allows project developers or designers to optimize their facility layout to meet safety requirements. The methodology presented in this paper uses the same correlations found in currently used solid flame models (e.g., LNGFIRE3), therefore, it remains consistent with current regulatory requirements for LNG facilities in the U.S.     

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。     

变压器油池火燃烧规律的实验研究*

为对变压器油池火灾进行准确有效的灭火,研究不同尺寸和不同厚度下变压器油的火灾动力学特征和基本燃烧特性,具体分析变压器油的燃烧过程和变压器油燃烧速率、火焰温度以及辐射热流随油池直径以及厚度的变化规律。结果表明:整个油品的燃烧过程分为预热燃烧阶段、稳定燃烧阶段和火焰熄灭阶段。对于厚度大于10 mm的油池燃烧,稳定阶段的燃烧速率与油层厚度无关,稳定阶段的燃烧速率随着油池直径的增加而增加。同时,变压器油火灾连续火焰区温度接近750 ℃。对于稳定燃烧阶段下的变压器油燃烧,基于辐射通量可得出在燃烧过程中,辐射热量占总燃烧热的占比约为1/3。研究结果可丰富变压器油燃烧的基础数据,为变压器火灾的灭火提供参考。     

辐射热流作用下树叶样品的燃烧特征研究

研究植物叶样在外部热辐射和值班火源作用下的燃烧现象特征并探索其成因和物理及化学本质。采用锥形量热仪开展实验,热辐射强度分别设定为35kW m-2、55kW m-2、70kW m-2和85kW m-2。实验样品为针阔叶树种共13种,其含水率在45%至79%间变化。实验表明,样品表现出不同的着火模式,有的为明火,有的则为阴燃,取决于树种和设定的辐射强度。样品出现有焰燃烧现象的最低热释放速率峰值(PHRR)在22.3kW m-2至35.6kW m-2之间,反映了形成气相火焰所需最低挥发分质量流率。气相产物CO2产生速率的峰值与PHRR呈高度线性性,表明了不同样品间气相燃烧或固相表面氧化(阴燃燃烧)反应的相似性。进一步分析表明,出现的独特热释放速率尖锐峰形是样品分层特性以及树叶的物理属性和热物性共同作用的结果。具有热薄特性的样品表层,在实验初期是接受外部辐射热的主体,其热解的产物是形成气相火焰的物质来源;在其转变为焦炭层后,对辐射热流向内层的渗透具有阻挡作用。建立起来的认识对于评估分层样品的燃烧性有一定的指导意义。     

Dynamic simulation of hazard analysis of radiations from LNG pool fire

Because of its highly flammable nature, any accidental release of liquefied natural gas (LNG) could possibly pose significant fire hazard. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) model was used to analyze this hazard around an existing LNG station. By assuming an LNG pool fire occurring in an impoundment area, dynamic simulations of flame development have been carried out. In order to provide more reliable simulation results, a study was first conducted to determine the mesh independence and suitable time step. The results of CFD simulations were also compared with those using the commonly-used phenomenological model. The simulation results showed that LNG tanks in the neighbor dike area could withstand the received radiant heat flux, and the areas involving human activities, such as security office and public area, were also secure enough for people to escape from the hazards. LNG vaporizers, which are often located close to tank area, could possibly receive relatively higher radiant heat flux. High temperature achieved on vaporizers could cause material failure. CFD calculations have also indicated that increasing the spacing distance or using flowing water curtain could reduce this temperature. It is concluded that CFD method is significantly more effective to account for LNG hazard analysis and provide realistic results for complicated scenarios, thus providing meaningful information for safety consideration.     

黄磷燃烧特性实验研究与理论分析

基于黄磷燃烧特性实验,对黄磷燃烧的动力学现象进行了实验研究和理论分析。通过观察不同燃烧表面积的黄磷燃烧动力学现象,获得了黄磷的燃烧特性参数,并利用池火模型对黄磷燃烧实验进行了理论分析。研究结果表明：固定表面积的黄磷燃烧时,黄磷的质量损失速率可近似视为某一恒定值,黄磷的质量损失速率与燃烧表面积有关。黄磷燃烧实验火焰最高温度约为1000℃,火焰高度与燃烧表面积有关。池火模型可以对黄磷的燃烧特性参数进行预测和分析,池火模型所预测的火焰高度与实验数据基本相吻合,相对误差小于7％。