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原文传递船舶客舱火灾烟气蔓延和毒性气体分布规律研究

论文题名：	船舶客舱火灾烟气蔓延和毒性气体分布规律研究
关键词：	船舶客舱火灾;燃烧特性;烟气蔓延;毒性气体;分布规律
摘要：	根据船舶客舱火灾燃料、舱室结构和通风等特点，本文选取软质聚氨酯泡沫（FPUF）为火源燃料，结合实验室尺度实验、小尺度实验、中尺度实验和数值模拟，对FPUF燃烧特性、船舶客舱火灾烟气蔓延和毒性气体分布规律等进行了详细研究。主要工作如下：　　（1）分别采用热重分析（TGA）仪、锥形量热仪（CONE）和稳态管式炉（SSTF）等研究了FPUF的热物理性质、计算了其热解动力学参数并分析了其有焰燃烧时毒性气体的释放机理。TGA实验表明，FPUF热解时伴随初始泡沫的结构塌陷和液体多元醇的形成，热解反应通过两步机理完成并分别释放两种气相燃料甲苯二异氰酸酯（TDI）和多元醇。其中，气相多元醇来自液体多元醇的热解，而液体多元醇在空气氛围中氧化时生成焦炭。CONE实验表明，FPUF的燃烧行为受外部辐射影响明显，且其燃烧效率随外部辐射量的增加呈S型增长。FPUF在高外部辐射条件下燃烧时，部分多元醇参与初始阶段的燃烧，并根据不同阶段的质量损失对两种气相燃料的热值计算进行了修正。同时，SSTF实验发现，FPUF的燃烧气相产物氰化氢（HCN）和一氧化碳（CO）的生成量与通风量和加热温度之间的关系具有相似性，表明FPUF燃烧产物HCN和CO的释放机理具有一定的相似性，即HCN的氧化反应对HCN的生成量具有重要作用。　　（2）设计和搭建了小尺度实验台，研究了大尺寸FPUF的燃烧行为、热释放速率（HRR）和毒性气体释放规律，并结合实验结果和火灾动力学数值模拟软件（FDS）构建了可以描述实际火场中FPUF热解和气相燃烧的三层热解及四步气相反应数值模型。实验发现，液体多元醇的流动行为对FPUF的燃烧和热释放具有显著影响，并使大尺寸FPUF的燃烧行为表现为水平火蔓延、垂直火蔓延和池火燃烧等三个阶段。数值模拟结果表明，所构建的三层热解模型能够有效模拟通风良好条件下FPUF的燃烧，但快速气相反应数值模型在计算严重通风不良条件下的燃烧时，预测结果与实验值偏差较大。另外，通过分别引入CO和HCN的单步氧化机理，构建了采用无限反应速率模型和有限反应速率模型相结合的四步气相反应模型，并确定了固相组分和气相组分间的转化率，使气相反应模型在更准确控制燃烧速率的同时能够有效预测不同通风条件下FPUF燃烧产物CO，CO2，HCN和NO的生成量。　　（3）参考船舶舱室设计标准和实际船舶居住场所特征，设计了全尺度船舶客舱火灾燃烧室，并利用Froude相似原理，设计和搭建了其1/2尺度实验台；结合实验和数值模拟研究了船舶客舱结构对火灾发展、烟气蔓延、舱室内流场、温度场和毒性气体浓度场等的影响。结果表明，顶棚空调通风管道对烟气的蔓延具有非常明显的导流作用，高温烟气首先并主要经通风管道由火源舱室进入相邻舱室。火源舱室内流场受火焰羽流和高温烟气影响，表现为垂直双向流动和水平双向流动，而相邻舱室流场则主要表现为由舱内到舱外的单向流动。有效暴露计量（FED）模型数据表明，FPUF的燃烧可导致客舱火灾烟气毒性在短时间内达到危险阈值，且相邻舱室内烟气停留时间更长，烟气毒性相对更高，高烟气毒性区更大。　　（4）结合实验和数值模拟研究了5种不同顶棚空调通风工况下船舶客舱火灾烟气的蔓延规律和毒性。结果表明，顶棚空调通风对火源舱室火灾特征无明显影响，而对相邻舱室的烟气层特征影响显著。顶棚空调通风主要通过影响通风管道对烟气的输运作用影响相邻舱室的烟气层特征：进风管通风量对进入相邻舱室烟气的输运量有协同作用，而排风管通风量对相邻舱室烟气的输运量有削减作用。另外，研究发现顶棚空调通风对相邻舱室具有排烟、稀释烟气浓度和减少烟气停留时间的作用，较大的顶棚通风量可有效提高相邻舱室的排烟效果；相邻舱室中不同位置最大FED值均随顶棚空调通风量的增大而明显呈线性下降。
作者：	刘众擎
专业：	船舶与海洋工程
导师：	何宏舟
授予学位：	博士
授予学位单位：	集美大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文