【摘要】：現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的火災(zāi),火源形狀由軸對(duì)稱到線性不等,可以近似處理為不同長(zhǎng)寬比的矩形。前人針對(duì)矩形火源豎向燃燒的火羽流行為與特征參數(shù)演化規(guī)律開(kāi)展了較多的研究,但是對(duì)于一些特殊但是常見(jiàn)的矩形火源火羽流行為研究還很不足:(1)矩形火源水平噴射火羽流。對(duì)于水平噴射火羽流,比如輸氣管道側(cè)面破裂引發(fā)的燃?xì)庑孤┗馂?zāi),前人研究多是針對(duì)軸對(duì)稱火源開(kāi)展,而燃?xì)夤艿榔屏芽谝部赡苁蔷匦魏途�性的;(2)線性火源誘導(dǎo)的頂棚射流。前人針對(duì)自由的線性火源火羽流開(kāi)展了較多的研究,對(duì)于頂棚射流的研究主要利用的是軸對(duì)稱火源,而針對(duì)線性火源上方受到頂棚限制產(chǎn)生的頂棚射流的研究還很缺乏;(3)不同墻壁-火源間距矩形火源火羽流。墻壁對(duì)火羽流空氣卷吸有重要影響,前人關(guān)于矩形火源火羽流行為的研究多考慮自由情況和矩形火源緊貼壁面的情況,但是現(xiàn)實(shí)中,矩形火源與墻壁可能存在一定的間距,例如室內(nèi)沙發(fā)、桌椅等家具可能會(huì)緊貼墻壁但也可能與墻壁具有一定間距,一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)引發(fā)不同墻壁-火源間距的近壁火;(4)矩形火源貼壁火+傾斜頂棚。前人分別針對(duì)貼壁火和頂棚射流進(jìn)行了相關(guān)的研究,但是對(duì)于貼壁火誘導(dǎo)的頂棚射流特別是傾斜頂棚射流研究還不足,而這種火災(zāi)場(chǎng)景存在于室內(nèi)火災(zāi)中。因此,需要針對(duì)上述火災(zāi)場(chǎng)景,研究矩形火源火羽流與頂棚射流行為及特征參數(shù)的分布規(guī)律。本文圍繞矩形火源火羽流與頂棚射流行為及特征參數(shù)演化規(guī)律,采用實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法開(kāi)展研究。利用自制的一系列矩形燃燒器作為火源(長(zhǎng)寬比從1:1到71:1),首先研究了矩形火源水平噴射火羽流行為與火焰長(zhǎng)度演化規(guī)律,其次研究了線性火源誘導(dǎo)的水平頂棚射流溫度分布及火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度演化規(guī)律,然后研究了不同長(zhǎng)寬比矩形火源不同墻壁-火源間距的近壁火火焰觸壁行為及火焰形態(tài)參數(shù)演化規(guī)律,最后研究了不同長(zhǎng)寬比火源貼壁火誘導(dǎo)的傾斜頂棚射流溫度分布及火焰擴(kuò)展行為。具體的工作包括:揭示了火源長(zhǎng)寬比對(duì)矩形火源水平噴射火焰長(zhǎng)度的影響,建立了火焰長(zhǎng)度無(wú)量綱預(yù)測(cè)模型。利用長(zhǎng)寬比(n=L/W)為1:1-71:1的8個(gè)矩形火源開(kāi)展了水平噴射實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)火焰水平方向長(zhǎng)度隨著火源熱釋放速率的增加而變大,對(duì)于相同火源開(kāi)口面積,火焰水平方向長(zhǎng)度隨著火源長(zhǎng)寬比的增大而減小。基于火焰的動(dòng)量通量和浮力通量的競(jìng)爭(zhēng)分析,針對(duì)火焰長(zhǎng)度提出了一個(gè)無(wú)量綱方程,并發(fā)現(xiàn)了與火源長(zhǎng)度和寬度相關(guān)的特征長(zhǎng)度尺度。基于發(fā)現(xiàn)的特征長(zhǎng)度尺度定義了新的無(wú)量綱火源熱釋放速率。擬合結(jié)果根據(jù)火焰長(zhǎng)度與新的無(wú)量綱熱釋放速率的關(guān)系可以分為兩個(gè)區(qū)域:(1)對(duì)于較小的火源無(wú)量綱熱釋放速率,火焰長(zhǎng)度與熱釋放速率有2/3次方的關(guān)系,為二維空氣卷吸;(2)對(duì)于較大的火源無(wú)量綱熱釋放速率,火焰長(zhǎng)度與熱釋放速率有2/5次方的關(guān)系,為三維空氣卷吸。建立了線性火源誘導(dǎo)的水平頂棚射流溫度分布和火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型。發(fā)現(xiàn)了線性火源(長(zhǎng)寬比為18:1)誘導(dǎo)的水平頂棚射流溫度的非對(duì)稱性分布,平行于火源長(zhǎng)邊方向溫度比垂直于火源長(zhǎng)邊方向的溫度衰減的慢,基于羽流尺度線性增長(zhǎng)假設(shè),提出了不同方向的特征長(zhǎng)度尺度,利用前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與補(bǔ)充的大尺度數(shù)據(jù),通過(guò)煙氣層能量守恒分析,結(jié)合提出的特征長(zhǎng)度尺度建立了統(tǒng)一描述不同方向溫度分布的預(yù)測(cè)模型;利用長(zhǎng)寬比為71:1的線性火源開(kāi)展實(shí)驗(yàn),研究了水平頂棚下方不同方向火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度演化規(guī)律,平行于火源長(zhǎng)邊方向的火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度比垂直于火源長(zhǎng)邊方向的火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度短,兩者的差別隨著頂棚高度的變大而減小,隨著火源功率的變大而增大,基于火焰形態(tài)假設(shè),分析火焰撞擊頂棚后未燃燃料量在兩個(gè)方向的不對(duì)稱分布,并提出表征特征長(zhǎng)度尺度,建立了統(tǒng)一描述不同方向火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度的理論公式。研究了不同長(zhǎng)寬比矩形火源(長(zhǎng)寬比1:1-71:1)不同墻壁-火源間距的近壁火火焰觸壁行為及火焰形態(tài)參數(shù)演化規(guī)律,并建立了相關(guān)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。對(duì)于火源緊貼墻壁的貼壁火,測(cè)量了不同長(zhǎng)寬比矩形火源火焰高度、最大平均火焰厚度、最大平均火焰寬度以及火焰高度振蕩范圍,同時(shí)與自由火焰進(jìn)行了對(duì)比,通過(guò)鏡像處理之后貼壁火無(wú)量綱火焰高度與自由火無(wú)量綱火焰高度接近,發(fā)現(xiàn)了火焰由二維空氣卷吸到三維空氣卷吸的轉(zhuǎn)折,貼壁火焰高度振蕩范圍和無(wú)量綱貼壁火焰厚度都比自由火焰小,同時(shí)隨著火源長(zhǎng)寬比的增大而減小,無(wú)量綱貼壁火焰寬度比自由火焰略小,基于貼壁火和自由火火焰高度振蕩范圍及火焰空氣卷吸的差異對(duì)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋;探究了火焰隨著墻壁-火源間距的增大由完全貼壁到部分貼壁再到完全不貼壁的過(guò)渡行為,隨著墻壁-火源間距的增大,火焰最低觸壁高度逐漸變大,總的火焰高度逐漸變小,揭示了火源尺寸以及墻壁-火源間距對(duì)火焰觸壁概率和火焰形態(tài)參數(shù)的影響機(jī)制,通過(guò)理論分析建立了火焰觸壁概率和火焰形態(tài)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。研究揭示了不同長(zhǎng)寬比火源貼壁火誘導(dǎo)的傾斜頂棚射流溫度分布和火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度演化規(guī)律。首先利用長(zhǎng)寬比為1:1的方形燃燒器開(kāi)展實(shí)驗(yàn),火源緊貼墻壁,上方為可以調(diào)節(jié)角度的傾斜頂棚,測(cè)量了垂直于墻壁與頂棚交線方向的頂棚下方煙氣溫度,發(fā)現(xiàn)頂棚傾角對(duì)頂棚煙氣最高溫升沒(méi)有影響,靠近羽流撞擊區(qū)溫度隨著頂棚傾角的增大而增大,遠(yuǎn)離羽流撞擊區(qū)域,正角度溫度逐漸互相接近,而負(fù)角度溫度急速降低至室溫,基于前人的模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了耦合頂棚傾角的溫度分布預(yù)測(cè)模型;利用長(zhǎng)寬比為1:1-71:1的四個(gè)矩形燃燒器開(kāi)展貼壁火誘導(dǎo)的傾斜頂棚射流火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn),頂棚傾角取為-20°、-10°、0°(水平頂棚)、10°和20°,發(fā)現(xiàn)垂直于墻壁與頂棚交線方向火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度隨著頂棚傾角的增大而增大,平行于墻壁與頂棚交線方向火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度隨著頂棚傾角的增大而減小,頂棚下方火焰擴(kuò)展面積不隨頂棚傾角變化,通過(guò)分析浮力平行于頂棚方向的分力對(duì)頂棚下方未燃燃料量分布的影響,對(duì)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,基于火焰撞擊頂棚時(shí)的質(zhì)量動(dòng)量守恒,建立了不同方向火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度理論預(yù)測(cè)模型。
【圖文】：

1.1.1 矩形火源火羽流與頂棚射流現(xiàn)象近年來(lái)，我國(guó)城市規(guī)模不斷加大，大量人口涌入城市，導(dǎo)致城市內(nèi)燃料消耗不斷增多，城市建筑周圍埋設(shè)的輸氣管線也越來(lái)越密集，許多燃?xì)夤芫�還需要引入建筑內(nèi)部為日常生活提供能源，另外伴隨著人口的增多和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，室內(nèi)裝修材料及家具設(shè)備變得豐富多樣，這一方面使得人們的生活更加便利生活水平不斷提高，另一方面也加大了火災(zāi)發(fā)生的潛在危險(xiǎn)。火災(zāi)中的火羽流行為和火焰高度、溫度分布等特征參數(shù)是火災(zāi)中重要的研究點(diǎn)。對(duì)上述火羽流特征的研究需要對(duì)火源形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)。現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的火災(zāi)，火源形狀由軸對(duì)稱到線性不等。例如在日常的生活生產(chǎn)中，由于輸氣管線老舊或者被挖斷等原因?qū)е氯細(xì)庑孤┒l(fā)的火災(zāi)事故，由于泄漏源頭的不同，這類火災(zāi)的火源從軸對(duì)稱到線性都有可能，如圖 1.1 所示。圖 1.2 為國(guó)華徐州發(fā)電公司上煤皮帶火災(zāi)事故，圖中顯示燃燒的皮帶可以看做為線性的火源。因此可以將火源近似處理為不同長(zhǎng)寬比的矩形火源。（b）長(zhǎng)沙開(kāi)福區(qū)德雅路金帆小區(qū)附近燃?xì)?

另一方面也加大了火災(zāi)發(fā)生的潛在危險(xiǎn)。中的火羽流行為和火焰高度、溫度分布等特征參數(shù)是火災(zāi)中重火羽流特征的研究需要對(duì)火源形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)�，F(xiàn)實(shí)中發(fā)由軸對(duì)稱到線性不等。例如在日常的生活生產(chǎn)中，由于輸氣管等原因?qū)е氯細(xì)庑孤┒l(fā)的火災(zāi)事故，由于泄漏源頭的不從軸對(duì)稱到線性都有可能，，如圖 1.1 所示。圖 1.2 為國(guó)華徐州火災(zāi)事故，圖中顯示燃燒的皮帶可以看做為線性的火源。因此理為不同長(zhǎng)寬比的矩形火源。圖 1.1 燃?xì)夤艿榔屏芽谛螤钏拇ㄙY陽(yáng)市安岳縣城北某村燃?xì)獾榔屏眩▓D片來(lái)自四川新聞網(wǎng)）裂口近似為圓形（b）長(zhǎng)沙開(kāi)福區(qū)德雅路金帆小區(qū)附管道被挖破（圖片來(lái)自張家破裂口近似為長(zhǎng)寬比較大的
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU998.1

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本文編號(hào)：2610368