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细水雾抑制室内火灾的理论与试验研究

作　者: 牛国庆
导　师: 徐志胜；余明高
学　校: 中南大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 细水雾室内火灾临界水流量油池火复合添加剂
分类号: TU892
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文通过理论研究、数值分析及模拟实验相结合的方法，对细水雾与高温环境的热质交换、室内火灾熄灭的临界条件及理论临界水流量计算、细水雾熄灭受限空间煤油池火主导机理和灭火复合添加剂选择等方面进行了较为深入的研究，完成的研究工作及取得的主要进展如下：1．从雾滴在空气中的受力运动分析入手，建立了雾滴运动方程。针对典型滴径及不同出口初速度的雾滴运动状况进行了数值计算，得出了细水雾雾滴的基本运动规律，确定了终端速度与滴径呈平方关系和线性关系的分界直径为80μm。2．建立了单个雾滴在静态环境及其在强迫对流环境中的热质交换方程，得出了雾滴与高温环境的热质传递基本规律。提出细水雾主要通过沸腾机制实现与火场高温环境的热质交换；首次考虑了在强迫对流环境中热质传递、滴径变化与速度变化的耦合作用，提出雾滴的生存时间与初始滴径不再呈平方关系；由雾滴的热作用距离判断，对于1，2级细水雾，灭火作用主要依赖于汽化吸热。3．应用室内火灾的区域模型和熄火热理论，推出了室内火灾熄灭临界关系的理论模型，并对影响临界熄火关系的主要因素进行了讨论，得出室内火灾临界熄火温度与初始温度无关的结论，确立了熄火临界关系曲线。最后，通过实验对室内火灾熄灭临界关系模型进行了有效性验证。4．在室内火灾熄灭临界关系模型中，增加了细水雾的吸热作用，发展了在细水雾作用下的室内火灾熄灭模型，得出了两种极限情况即纯粹对流换热和完全汽化换热以及包含两种换热机制的一般情况下抑制室内火灾发展的理论临界水流量的计算方法。5．建立了试验平台，开展了细水雾熄灭受限空间煤油池火试验研究，考察了通风状况、预燃时间及工作压力等因素对灭火时间的影响，得出受限空间燃烧的池火火焰存在核心反应区、通风控制区和燃料控制区。通过试验和定性分析，提出细水雾熄灭受限空间油池火的主导机理为气相冷却和火焰冷却，从试验上证实了室内火灾熄灭分析模型、火灾熄灭理论临界水流量计算模型基础假设的正确性。6．在对灭火添加剂初选的基础上，通过正交试验及效应分析，找到了具有较好效能的细水雾灭火复合添加剂，与清水细水雾比较，含添加剂的细水雾可极大地缩短灭火时间、降低火焰温度和氧气消耗量，减少CO和CO₂的生成量；最后，根据配方组分和实验结果，提出了含添加剂细水雾的主要灭火机制，即主要通过复合添加剂中金属离子捕捉火场中活性基团（自由基），终止链反应来抑制熄灭火源。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-12
第一章绪论  12-20
  1.1 选题背景  12-14
  1.2 国内外研究进展  14-17
    1.2.1 细水雾灭火机理研究  14-15
    1.2.2 细水雾灭火临界水流量研究  15
    1.2.3 细水雾灭火系统开发  15-16
    1.2.4 细水雾灭火添加剂研究  16-17
  1.3 存在的主要问题  17-18
  1.4 研究目标  18
  1.5 研究内容和技术路线  18-20
第二章细水雾基本特征及其灭火机理  20-31
  2.1 前言  20
  2.2 细水雾的定义  20-22
  2.3 细水雾的产生方法  22
  2.4 细水雾的表征参数  22-25
    2.4.1 雾化锥角  22
    2.4.2 雾动量  22-23
    2.4.3 雾通量  23
    2.4.4 滴径分布  23-25
  2.5 细水雾灭火机理  25-29
    2.5.1 冷却机理  25-27
    2.5.2 稀释氧气浓度  27
    2.5.3 衰减辐射  27-28
    2.5.4 降低可燃物/空气混合物浓度  28
    2.5.5 动力学作用  28-29
  2.6 影响细水雾灭火效果的因素  29-30
    2.6.1 通风的影响  29-30
    2.6.2 添加剂的影响  30
    2.6.3 障碍物的影响  30
  2.7 本章小结  30-31
第三章雾滴在空气中的运动及其与高温环境的热质交换  31-56
  3.1 前言  31
  3.2 雾滴在空气中的运动  31-34
    3.2.1 雾滴运动的轨迹方程  31-33
    3.2.2 雾滴的运动速度  33
    3.2.3 雾滴的终端速度  33
    3.2.4 雾滴运动的位移  33-34
  3.3 数值计算方法与MATLAB软件简介  34-37
    3.3.1 数值计算方法简介  34-36
    3.3.2 MATLAB软件简介  36-37
  3.4 数值计算结果与分析  37-44
    3.4.1 雾滴终端速度的数值解及分析  37-38
    3.4.2 雾滴的运动速度数值解及分析  38-43
    3.4.3 雾滴运动的位移数值解及分析  43-44
  3.5 雾滴和高温环境的热质交换  44-54
    3.5.1 静态环境中单个雾滴的汽化  44-48
    3.5.2 雾滴生存时间  48-49
    3.5.3 强迫对流时雾滴与高温环境的热质交换  49-54
  3.6 本章小结  54-56
第四章室内火灾熄灭临界关系分析  56-72
  4.1 前言  56
  4.2 室内火灾的发展过程  56-57
  4.3 室内火灾的区域模型与区域间的热质交换  57-58
    4.3.1 室内火灾的区域模型  57-58
    4.3.2 区域间热质交换  58
  4.4 室内火灾熄灭临界关系分析  58-67
    4.4.1 熄火热理论  59
    4.4.2 火灾时室内热烟气层的得热与散热  59-63
    4.4.3 火灾熄灭的临界关系  63-67
  4.5 模型的有效性实例验证  67-70
  4.6 本章小结  70-72
第五章细水雾抑制室内火灾临界水流量研究  72-83
  5.1 前言  72
  5.2 雾滴与热烟气层相互作用概述  72-73
  5.3 细水雾抑制室内火灾临界水流量  73-81
    5.3.1 基本假设和近似  73
    5.3.2 液滴无蒸发时的临界水流量  73-76
    5.3.3 液滴完全蒸发时的临界水流量  76-78
    5.3.4 一般情况下的临界水流量  78-81
    5.3.5 两种极限情况的分界  81
  5.4 本章小结  81-83
第六章细水雾熄灭受限空间煤油池火实验  83-100
  6.1 前言  83
  6.2 煤油池火燃烧特性  83-85
    6.2.1 煤油池火燃烧速率  83-84
    6.2.2 池面的热平衡  84-85
  6.3 细水雾熄灭煤油池火实验  85-89
    6.3.1 实验装置  85-88
    6.3.2 细水雾基本参数的测量  88-89
  6.4 实验结果与分析  89-99
    6.4.1 通风状况对灭火时间的影响  90
    6.4.2 预燃时间对灭火时间的影响  90-91
    6.4.3 工作压力对灭火时间的影响  91-92
    6.4.4 细水雾作用过程中火焰温度的变化  92-94
    6.4.5 细水雾与火焰相互作用的分析  94-95
    6.4.6 细水雾灭火时烟气中气体成分变化  95-97
    6.4.7 细水雾作用过程中烟气温度的变化  97
    6.4.8 细水雾熄灭受限空间油池火主导机理分析  97-99
  6.5 本章小结  99-100
第七章细水雾复合灭火添加剂的选择  100-123
  7.1 前言  100-101
  7.2 细水雾灭火添加剂的选择原则  101-102
    7.2.1 物理添加剂的选择原则  101
    7.2.2 化学添加剂的选择原则  101-102
  7.3 添加剂的制备  102
    7.3.1 添加剂母液的配制  102
    7.3.2 添加剂溶液的配制  102
  7.4 添加剂的筛选  102-111
    7.4.1 灭火添加剂的初选  102-105
    7.4.2 细水雾灭火添加剂选择的正交实验  105-110
    7.4.3 简要分析  110-111
  7.5 含复合添加剂的细水雾对火场各参数的影响  111-118
    7.5.1 复合化学添加剂对细水雾粒径分布的影响  111-113
    7.5.2 含复合化学添加剂细水雾对火焰温度的影响  113-114
    7.5.3 含复合化学添加剂细水雾对烟气成分和温度的影响  114-116
    7.5.4 含复合化学添加剂细水雾对火焰燃烧强度的影响  116-118
  7.6 含复合添加剂的细水雾灭火机制分析  118-119
    7.6.1 含复合添加剂细水雾灭火的物理作用机制  118
    7.6.2 含复合添加剂细水雾灭火的化学作用机制  118-119
  7.7 含复合添加剂的水溶液对试件的腐蚀实验  119-121
  7.8 本章小结  121-123
第八章主要结论及展望  123-127
  8.1 主要结论  123-126
  8.2 下一步工作展望  126-127
参考文献  127-136
附录  136-140
致谢  140-141
攻读学位期间主要的研究成果  141-142

细水雾抑制室内火灾的理论与试验研究

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