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原文传递隧道侧壁对油池火燃烧及顶棚射流特性影响的实验研究

论文题名：	隧道侧壁对油池火燃烧及顶棚射流特性影响的实验研究
关键词：	隧道火灾;顶棚射流;燃烧速率
摘要：	随着城市化进程的加快，经济迅速发展以及用地资源紧缺，隧道在交通运输领域内发挥着日益突出的作用。相比其他建筑形式，隧道内部空间相对狭窄且较为昏暗，再加上车流量大以及车速过快，容易发生交通事故从而引发火灾。由于发生火灾时烟气难以排出，产生的有毒有害物质很快积聚，再加上高温气体和火焰的强烈辐射作用使得扑救疏散困难，从而引发惨重的伤亡。前人对于隧道火灾的研究通常假设火源位于隧道的中心线上，实际上，隧道内车辆以及燃油泄漏火灾具有随机性，任意位置都可能发生火灾事故。当前对于贴壁油池火顶棚射流火焰的研究较少，且对于不同火源形状影响的研究存在不足。本文实验主要针对方形、矩形火源和线性火源，研究不同形状贴壁池火的燃烧和顶棚射流特性。　　对于方形和矩形贴壁油池火，随着有效顶棚高度的减小，火源质量损失速率增加，燃烧时间缩短。由于侧壁与顶棚的限制作用，火焰卷吸空气量减少，热量不易散失，而且来自顶棚射流火焰、热烟气以及侧壁的辐射增强，导致火源质量损失速率增加。矩形池火长边贴壁时的质量损失速率大于短边贴壁的情况。本文建立了火源单位面积质量损失速率与无量纲有效顶棚高度和油盆长宽比值及放置方式的简单关系式。基于实验结果并参考前人的经验表达式，建立无量纲顶棚火焰纵向长度与无量纲火源热释放速率之间的关系式，该式考虑了火源热释放速率、有效顶棚高度、火源尺寸及放置方式对顶棚火焰长度的综合影响作用。还对火源距顶棚不同距离时的顶棚最高温度进行了分析，火源位置距顶棚越近，顶棚温度越高，且高温范围扩大。对于方形池火，实验测得的最大顶棚射流温升大于Li和Ingson公式预测值，小于镜像模型理论预测值。这说明贴壁火的顶棚最高温度相对于火源位于隧道纵向中心线上的情况有所增大，镜像模型高估贴壁火的顶棚最高温度值。矩形火长边贴壁时最高温度大于短边贴壁的情况。本文综合考虑火源热释放速率、有效顶棚高度、贴壁油盆长宽比及放置方式对顶棚最高温度的影响，得到了顶棚最高温升的无量纲表达式，其形式类似于McCaffrey经典羽流关系式的间歇火焰阶段和连续火焰阶段。　　为了研究隧道结构尺寸对于贴壁油池火燃烧特性的影响，本文通过小尺寸实验研究了不同宽度下贴壁火的燃烧速率以及顶棚下温度分布情况。结果表明，在本研究宽度变化范围内，火源的燃烧速率、顶棚射流火焰长度以及火源附近的顶棚温度基本不受隧道宽度的影响。火源的燃烧速率主要受来自于所接近侧壁和顶棚的热辐射的影响，随着火源距离顶棚越近，来自于顶棚和顶棚射流的热辐射越大，导致燃烧速率增大。火源下游的顶棚温度随隧道宽度的减小而增大。当隧道宽度减小到0.75m和0.5m时，距离火源横向和纵向一定距离处顶棚下方附近的温度增大较为明显，且横向一定距离处的顶棚下方温度受隧道宽度的影响更大。　　接着我们研究侧壁对线性油池火燃烧和顶棚射流特性的影响。对于火焰直接撞击到顶棚的线性火灾，实验研究了火源燃烧速率、顶棚火焰长度、顶棚温度分布以及地面处辐射热反馈分布规律等受隧道侧壁的影响。结果显示当火源长边贴壁时，由于火焰从周围卷吸空气受到侧壁的限制，火焰紧贴壁面燃烧，顶棚火焰需要扩展较远距离才能完成燃烧，火焰长度极具增大，并且燃料表面接收到更多来自于火焰、加热的顶棚和侧壁的辐射热反馈。然而，对于线性火源，长边贴壁时的质量损失速率反而小于火源在隧道中心的工况，当短边贴壁时质量损失速率最大。这是由于侧壁限制卷吸和增强辐射的综合作用结果。火源长边贴壁时顶棚纵向火焰总长度满足镜像模型理论，而顶棚浮力羽流区域温度分布不符合镜像模型假设，我们得到了顶棚温度分布的关系式，还建立了顶棚火焰纵向长度与单位长度火源功率的关系式，以及地面接收到的辐射与无量纲火焰长度的关系式。　　伴随着交通运输及石油化工业的迅速发展，在燃料油的运输以及使用过程中，经常发生油料泄漏。隧道火灾中，有相当一部分事故是由于运油槽车泄漏或者车辆发动机油箱泄漏诱发所致。隧道由于建设需要以及地理环境限制，通常存在一定的坡度，而且在路面两侧通常设置路侧边沟或者排水沟。泄漏的燃油会随着隧道坡度或沟槽流动，火灾时扩大火势范围并引燃周围可燃物。目前对于液体燃料火蔓延的研究尚集中在开放空间，本研究首先通过小尺寸实验研究线性油池位于隧道中心和贴壁处的火蔓延速度，分析隧道侧壁对于不同厚度燃料蔓延速度的影响。结果表明隧道侧壁的限制作用使得薄油层蔓延速度增大，厚油层速度减小。同时为了排除来自于油池上边沿影响，对于油层底部垫水来保持油池上边界高度不变，结果也说明侧壁对于蔓延速度影响的规律一致。尽管在一维蔓延阶段火焰高度较低，质量损失速率以及辐射值都很小，但是侧壁通过改变火焰形态仍能影响火蔓延速度。此外，侧壁对于不同厚度燃料在燃烧阶段的质量损失以及辐射值影响很大。接着我们针对大面积泄漏燃油的火蔓延情况，研究火焰辐射对二维火蔓延速度的影响。通过一米直径的圆盘在开放空间的火蔓延实验结果，表明火焰辐射对于较薄油层在短距离内能占据主导传热作用，对于厚油层则需通过长距离加热燃料表面提高表面温度从而成为主要的传热模式，可推测在隧道内由于顶棚和侧壁的存在，辐射的影响将增强。
作者：	付艳云
专业：	安全科学与工程
导师：	张永明;纪杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文