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烟气控制条件下狭长空间烟气分层蔓延特性研究

作　者: 潘李伟
导　师: 廖光煊
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 狭长空间火灾通风控制除烟降温热辐射烟气颗粒细水雾
分类号: TU998.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着城市化进程的不断加速和科学技术的日新月异，狭长空间的开发和应用取得飞速发展，尤其是以公路隧道，地铁隧道等为代表的大型枢纽交通系统，以光纤、光缆为代表的大型信息交互系统，其媒介传输空间均为狭长形态。狭长空间是一中应用逐渐广泛的建筑结构形式，就其建筑结构的特点而言，可以总结为：空间狭长，侧壁受限，两端出口，强制通风。狭长空间在交通、信息、工业等领域的广泛应用也给该类型建筑设施的防火保护提出了新的难题。主要表现在，当狭长空间发生火灾时，其建筑结构的特殊性决定其烟气输运特性往往不同于其他类型的建筑。而且，狭长空间发生火灾时，人员只能双向疏散，此时的狭长空间不仅是烟气蔓延的主要途径，也是人员逃生的主要路径。因此狭长空间的烟气控制更为困难，安全要求更为苛刻。统计结果显示，大约85％的伤亡是由火灾中的有毒烟气造成的。采取有效的方法来控制火灾烟气的蔓延扩散尤为重要。随着不断增长的狭长空间的安全要求，越来越多的可靠的技术需要被采用到狭长空间火灾的烟气控制中，烟气控制技术的发展吸引众多的研究学者对其研究领域进行研究。本次研究的目的是考察排烟条件下的烟气流动特性和细水雾作用下烟气流动特性的变化。首先，通过理论分析和实验模拟研究浮力驱动的烟气在狭长空间流动的输运特性，以及垂直方向的温度分布规律，纵向方向的温度分布规律，从而能够通过经验关系式推导整个狭长空间任意一点的温度分布情况。通过理论分析和实验模拟研究热通量及辐射热通量的变化规律，以及烟气层特性对辐射热通量变化的影响。其次，通过实验研究考察了机械排烟和通风对烟气流动的影响。研究得出“局限速度”v。和“局限距离’l之间存在线性的关系。火灾热释放速率对“局限速度”v。的之间存在幂函数的关系。另外，排烟系统的岂能能够降低烟气温度并提高烟气层的高度，从而能够减少烟气层对地面物体的热辐射。第三，通过理论分析和实验研究考察细水雾和烟气层之间的相互作用。提出细水雾对烟气层的冷却模型，分三种情况对细水雾的冷却效果进行分析，分别为：薄烟气层、厚烟气层和弄烟气层。理论分析得出细水雾的冷却效果随着水雾喷头倾斜角度的增加而增加，细水雾的吸热量随着水雾流量的增加而增加，同时，细水雾的吸热量与对流热释放速率之间存在线性的关系。最后，通过参量分析和实验模拟研究得出细水雾洗刷烟气的效率。研究结果得出除烟效率随着细水雾压力的增加而增加，随着细水雾流量的增加而增加。通过理论分析研究细水雾雾滴颗粒与烟气颗粒之间凝并的物理过程机理。烟气颗粒对雾滴的附着能力取决于烟颗粒与空气之间的表面张力，烟颗粒与雾粒之间的表面张力和空气与雾粒之间的表面张力。实验引入sEM电子扫描电镜对细水雾施加前后烟气颗粒的貌型变化进行了研究。本次研究提出了基于双区域模型的狭长空间温度分布的关系式。研究结果显示狭长空间温度的分布与距离之间的关系符合指数函数。研究得出了不同热释放速率下的“局限速度”r和“局限距离’L之间的线性关系。研究给出了烟气层热辐射的数学模型和细水雾吸热冷却的数学模型。另外，研究给出了判断烟气颗粒附着与水雾颗粒的简单模型。实验研究发现细水雾除烟的效率能够达到99 7％，同时，由于细水雾的作用，烟气颗粒团的尺寸增大了10倍。本研究讨论的其他问题包括折射火焰的长度，排烟对热释放速率的影响情况，排烟中的“吸穿效应”以及细水雾施加后的烟气密度变化等。关键词：狭长空间火灾；通风控制；除烟降温；热辐射；烟气颗粒；细水雾最后，通过参量分析和实验模拟研究得出细水雾洗刷烟气的效率。研究结果得出除烟效率随着细水雾压力的增加而增加，随着细水雾流量的增加而增加。通过理论分析研究细水雾雾滴颗粒与烟气颗粒之间凝并的物理过程机理。烟气颗粒对雾滴的附着能力取决于烟颗粒与空气之间的表面张力，烟颗粒与雾粒之间的表面张力和空气与雾粒之间的表面张力。实验引入sEM电子扫描电镜对细水雾施加前后烟气颗粒的貌型变化进行了研究。本次研究提出了基于双区域模型的狭长空间温度分布的关系式。研究结果显示狭长空间温度的分布与距离之间的关系符合指数函数。研究得出了不同热释放速率下的“局限速度”r和“局限距离’L之间的线性关系。研究给出了烟气层热辐射的数学模型和细水雾吸热冷却的数学模型。另外，研究给出了判断烟气颗粒附着与水雾颗粒的简单模型。实验研究发现细水雾除烟的效率能够达到99 7％，同时，由于细水雾的作用，烟气颗粒团的尺寸增大了10倍。本研究讨论的其他问题包括折射火焰的长度，排烟对热释放速率的影响情况，排烟中的“吸穿效应”以及细水雾施加后的烟气密度变化等。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
图例  13-18
表格  18-19
符号表  19-22
第1章绪论  22-36
  1.1 研究背景  22-26
    1.1.1 典型狭长空间  22-23
    1.1.2 狭长空间火灾的特点  23-24
    1.1.3 狭长空间火灾烟气的危害特性  24-26
  1.2 烟气控制系统  26-29
    1.2.1 自然通风系统  26-27
    1.2.2 纵向通风排烟机械系统  27-28
    1.2.3 横向（半横向）排烟系统  28-29
  1.3 烟气控制系统  29-30
  1.4 本文的研究目的  30
  1.5 本文的研究思路  30-31
  1.6 本文的研究贡献  31-32
  1.7 论文章节安排  32-33
  参考文献  33-36
第2章文献综述  36-70
  2.1 引言  36
  2.2 狭长空间烟气流动的纵向输运特性  36-42
  2.3 狭长空间烟气通风控制的研究  42-49
    2.3.1 纵向通风与临界风速的确定  43-47
    2.3.2 排烟式通风与烟气层“吸穿效应”  47-49
  2.4 狭长空间细水雾控制烟气的研究  49-53
  2.5 全尺寸狭长空间火灾实验  53-61
    2.5.1 “Firetun“—EUREKA 499  53-54
    2.5.2 “Safety Fire”项目测试  54-56
    2.5.3 “MTFVTP”-纪念隧道火灾通风测试项目  56-57
    2.5.4 “UPTUN”-狭长空间火灾安全的革新  57-61
  2.6 本章小结  61
  参考文献  61-70
第3章缩尺寸实验设计  70-92
  3.1 引言  70-71
  3.2 狭长空间烟气流动的尺度准则  71-74
  3.3 细水雾的尺度准则  74-75
  3.4 缩尺寸隧道设计  75-91
    3.4.1 缩尺寸隧道模型  75-82
    3.4.2 热释放速率测试  82-84
    3.4.3 温度测量  84-85
    3.4.4 基于图像处理的速度测量法  85-88
    3.4.5 气体分析  88-89
    3.4.6 烟气密度分析  89-91
  3.5 本章小结  91
  参考文献  91-92
第4章狭长空间火灾烟气分层流动的特征规律  92-120
  4.1 引言  92-93
  4.2 纵向温度分布的理论分析  93-95
  4.3 实验装置  95-99
  4.4 烟气分层流特征  99-117
    4.4.1 热释放速率的确定  99
    4.4.2 火焰撞击特征  99-101
    4.4.3 烟气分层和平均温度  101-105
    4.4.4 温度的垂直分布  105-108
    4.4.5 顶棚下的纵向温度衰减  108-110
    4.4.6 烟气对暴露物体表面的热辐射  110-117
  4.5 本章小结  117-118
  参考文献  118-120
第5章排烟条件下烟气流动的特征规律  120-146
  5.1 概述  120-121
  5.2 局限速度的定义  121
  5.3 局限速度的实验研究  121-127
  5.4 局限速度的分析  127-136
    5.4.1 排烟速度测量  127-129
    5.4.2 局限速度条件下的隧道下游烟气运动特征  129-132
    5.4.3 排烟对燃料质量损失速率的影响  132-136
  5.5 排烟过程的热传递研究  136-140
    5.5.1 排烟条件下烟气速度分布  136-138
    5.5.2 烟气层辐射热通量的研究  138-140
  5.6 排烟过程的烟气吸穿现象  140-142
  5.7 本章小结  142-143
  参考文献  143-146
第6章细水雾作用下烟气流动的特征规律  146-182
  6.1 引言  146-147
  6.2 细水雾对烟气降温作用的理论分析  147-157
    6.2.1 加热过程  149-151
    6.2.2 蒸发过程  151-153
    6.2.3 细水雾吸收的热量  153
    6.2.4 喷头倾斜角的影响  153-157
  6.3 细水雾的特性  157-159
  6.4 细水雾降低烟气温度的实验分析  159-163
    6.4.1 实验研究  159-160
    6.4.2 参数分析  160-162
    6.4.3 理论分析对比  162-163
  6.5 施加细水雾下的烟气运动  163-175
    6.5.1 实验研究  163-166
    6.5.2 烟气温度  166-169
    6.5.3 烟气密度  169-172
    6.5.4 烟气颗粒及颗粒团的形态学研究  172-173
    6.5.5 细水雾对烟气颗粒团形态的影响  173-175
  6.6 本章小结  175
  参考文献  175-182
第7章结论  182-186
  7.1 结论  182-183
  7.2 研究的局限  183-184
  7.3 研究的创新性  184
  7.4 进一步的研究方向  184-186
致谢  186-187
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  187-188
附录A 烟气层热辐射的计算  188-189
附录B 细水雾运动速度和运动距离的变化  189-190
附录C 细水雾降温实验列表  190-196
附录D 排烟通风下的温度分布  196-214

烟气控制条件下狭长空间烟气分层蔓延特性研究

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