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原文传递环境风作用下顶部开口舱室内池火燃烧行为研究

论文题名：	环境风作用下顶部开口舱室内池火燃烧行为研究
关键词：	船舶火灾;顶部开口;环境风;火焰倾斜转变;自熄灭行为;火灾参数预测模型
摘要：	随着海上运输业的蓬勃发展，船舶火灾安全问题日渐凸显。根据事故统计船舶火灾多发于机舱，而七成以上的船舶机舱火灾事故是发生在海上航行过程中。海上航行中的船舶不可避免会受到海风的作用，事故分析表明环境风影响下的船舶火灾危害性更大。前人研究中通常将船舶舱室简化为顶部开口舱室，但鲜少考虑环境风这一外界因素的影响。因此，研究环境风对顶部开口舱室火灾的影响，能够为此类船舶火灾事故的预防和应急救援对策的制定提供理论参考。本文针对环境风作用下顶部开口舱室内的池火燃烧行为开展实验研究，揭示了火源尺寸、开口尺寸和环境风速对顶部开口舱室内池火燃烧特性参数及自熄灭行为的影响规律，基于热量平衡和能量守恒建立了火源热释放速率、顶部开口热损失和舱室内温升预测模型。主要工作包括: 　　(1)环境风作用下顶部开口舱室内池火燃烧特性研究　　通过改变火源尺寸、开口尺寸和环境风速，实验研究了环境风作用下顶部开口舱室内池火的燃烧速率、燃烧持续时间、温度分布和火焰形态的变化规律。实验结果表明随着顶部开口尺寸的增大，池火燃烧速率逐渐增大，燃烧持续时间逐渐减少;相同顶部开口尺寸条件下，环境风速对舱室内池火燃烧速率、燃烧持续时间的影响较小。顶部开口舱室内的温度分布随着环境风速的增大而出现转折，上风侧温度在风速较低时高于下风侧，而后随着风速增大逐渐低于下风侧。当舱室顶部完全敞开时，池火火焰随着环境风速的增大由向上风侧倾斜逐渐转变为向下风侧倾斜，基于量纲分析得到了火焰形态倾斜转变临界条件与环境风速、火源功率和舱室特征参数之间的关系，并建立了临界环境风速预测模型。　　(2)环境风作用下顶部开口舱室内池火自熄灭行为研究　　根据不同环境风速和顶部开口尺寸条件下的池火燃烧行为，得到了环境风速和顶部开口尺寸对舱室内池火自熄灭行为的影响规律。基于组分守恒分析了自熄灭和自由燃烧两种情况下舱室内的氧气质量交换速率，揭示了顶部开口处氧气组分交换对池火自熄灭行为的影响机制。实验发现相比于自由燃烧，自熄灭情况下舱室内的氧气浓度降低速率更大，且环境风作用下的氧气浓度降低速率均低于无风环境。综合分析了顶部开口尺寸和环境风速对舱室内氧气浓度的影响规律，建立了耦合环境风速、开口尺寸和火源功率的氧气浓度降低速率预测模型。通过分析顶部开口处气体流动与压力和热浮力之间的关系，提出了无风环境下顶部开口舱室内池火自熄灭临界条件预测参数SE的计算方法。基于绝热火焰温度得到了自熄灭临界氧气浓度与舱室内烟气温度之间的关系，建立了环境风作用下顶部开口舱室内池火自熄灭临界氧气浓度预测模型。　　(3)环境风作用下顶部开口舱室火灾参数预测模型　　基于能量守恒对自由燃烧情况下的项部开口舱室火灾进行热平衡分析，深入阐析了环境风对顶部开口舱室火灾参数的影响。理论推导了火源燃烧速率与顶部开口处气体流率和环境风速之间的关系，提出了耦合顶部开口尺寸、火源直径和环境风速的顶部开口通风因子。利用通风因子对顶部开口舱室火灾参数进行分析，建立了与通风因子相关的火源热释放速率预测模型和顶部开口热损失预测模型。基于能量守恒和顶部开口处气体流率经验模型，建立了环境风作用下顶部开口舱室内无量纲温升预测模型。
作者：	丁智伟
专业：	安全科学与工程
导师：	陆守香;陈潇
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2022