地下狹長空間轟燃演化機理的實驗與理論研究.pdf

1、近年來，為了解決城市人口的高速增長與有限土地之間的矛盾，很多國家已經(jīng)將目光投入到了地下空間的開發(fā)和利用中。大量涌現(xiàn)的地下空間在解決了城市用地問題的同時，也為火災安全帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。一些狹長地下空間，通風不暢，一旦發(fā)生火災，產(chǎn)生的熱煙氣和熱量不易排出，容易引發(fā)轟燃。
　　 轟燃作為火災發(fā)展過程中強度驟增、破壞力巨大的突躍過程，往往是造成群死群傷火災事故的重要原因。因此，開展地下狹長空間的火災發(fā)展特性和轟燃演化機理的研究有著重

2、要意義。
　　 本文利用小尺度實驗模擬、理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了地下狹長受限空間內(nèi)的火災發(fā)展規(guī)律、煙氣流動特性和轟燃演化的機理。參考前人的研究方法與思想，自行搭建了小尺寸地下狹長空間火災實驗臺，通過改變火源面積、火源形狀、燃料種類、火源位置、開口大小、橫向排煙速率等多個邊界條件，重現(xiàn)了狹長受限空間內(nèi)的轟燃發(fā)生過程，準確測量了火災過程中的煙氣溫度、濃度、速度、對地面的熱輻射通量和火源質(zhì)量損失速率，為理論模型和數(shù)值模擬

3、工具的比較驗證以及討論分析提供了數(shù)據(jù)支持。
　　 通過實驗模擬和理論分析，研究了狹長空間火災在轟燃發(fā)生前，煙氣層厚度、溫度和速度在縱向方向上的分布規(guī)律。首先，從線火源引發(fā)的頂棚射流出發(fā)，建立了基于Ri數(shù)和煙氣層厚度h的線火源頂棚射流模型，推導了預測速度和溫度分布的關系式。同時，利用小尺度實驗獲得的溫度和速度數(shù)據(jù)，驗證了線火源射流模型的預測能力。之后，在結(jié)合前人研究結(jié)果和線火源射流模型的基礎上，從理論上分析了狹長空間真實火災中煙氣

4、層溫度和速度的衰減，以及蔓延過程中的特殊物理現(xiàn)象—水躍，得出狹長空間的寬高比l 在0.17/2 0.78 l＜＜之間時，水躍發(fā)生的臨界位置在1.6 0.78 c X>>范圍之內(nèi)。利用點火源射流模型與線火源射流模型相結(jié)合的方法，預測了煙氣中溫度和速度縱向分布，并與小尺寸實驗臺上獲得的數(shù)據(jù)進行了比較驗證。
　　 通過小尺寸轟燃實驗，研究了狹長空間轟燃發(fā)生前后，煙氣層溫度、厚度、氣體濃度、火源的熱釋放速率、地面受到的熱輻射等參數(shù)的變化

5、情況。同時，研究了火源特性和通風特性對火災發(fā)展和轟燃發(fā)生的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，以正庚烷為代表的池火，對煙氣層的熱反饋非常敏感，而木垜火對煙氣層的熱反饋不敏感。另一方面，開口的特性主要決定了通風控制階段火源的質(zhì)量損失速率，當開口大小與火源面積的比值降低到一定程度下，質(zhì)量損失速率將隨開口的減小而降低。
　　 前人的研究成果主要針對普通腔室的轟燃過程，由于建筑結(jié)構(gòu)的差異，以往的研究成果不適用于分析地下狹長空間內(nèi)的轟燃現(xiàn)象。基于傳統(tǒng)的非

6、線性動力學理論，發(fā)展了適用于分析狹長受限空間轟燃現(xiàn)象的多區(qū)域火災模型。該模型將一個狹長受限空間分割為若干個區(qū)域，每一個區(qū)域內(nèi)又分為熱煙氣層和冷空氣層，并將熱煙氣層定義為控制體。然后，針對每一個控制體建立連續(xù)方程和能量方程，利用數(shù)值解法得到每一個控制體內(nèi)的溫度變化曲線。通過對模型計算結(jié)果的討論，分析了瞬態(tài)情況下壁面溫度和煙氣層厚度對煙氣層溫度增長和熱系統(tǒng)失衡的作用機制，同時也討論了準穩(wěn)態(tài)條件下火源半徑和燃料特性對轟燃臨界條件的影響。最后，