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原文传递船舶封闭空间池火行为实验研究

论文题名：	船舶封闭空间池火行为实验研究
关键词：	船舶机舱;封闭空间火灾;池火行为;火焰高度;自熄灭特性;燃烧速率;气体温度分布
摘要：	腔室火灾是常见的建筑火灾场景，在建筑火灾安全中得到了广泛的关注和研究。前人针对有门窗等开口的建筑空间火灾进行了大量研究并建立了相关的火灾模型，然而很少研究涉及到没有对外开口或仅有顶棚开口的封闭空间火灾。本文针对以船舶机舱为代表的无开口或仅顶棚开口封闭空间火灾，在自行研制的封闭空间火灾实验系统中进行了池火实验研究，目的是为了揭示封闭空间池火特征及行为规律。首先研究了无开口条件下的池火行为，在体积较小的A舱(0.75m3)中进行了无开口条件下封闭空间池火燃烧行为特征研究，包括火焰高度特性、脉动特性、自熄灭特性、燃烧速率特性和气体温度分布特性等；随后在体积较大的B舱(17.55m3)中进行了游走火行为的探索研究。其次，在无开口封闭空间实验结果的基础上，基于氧气质量守恒建立了无开口封闭空间的熄灭时间预测模型，通过无量纲分析研究了无开口封闭空间池火自熄灭时间的影响因素。最后在A舱中进行了单顶棚开口条件下池火燃烧行为研究，重点研究开口大小对燃烧状态和熄灭时间的影响。具体工作包括：　　自行设计了封闭空间实验系统。用于本文池火实验的封闭空间有两个，体积较小的A舱内尺寸为1000mm(L)×1000mm(W)x750mm(H)，体积较大的B舱内尺寸为3000mm(L)×3000mm(W)×1950mm(H)，B舱与某机舱的几何比约为1：4。A舱顶棚一角可设正方形开口，最大开口边长为0.490m。实验采用正庚烷为燃料，在A舱中进行的实验油池直径有0.100m、0.141m、0.200m和0.300m四种，在B舱进行的实验油池直径有0.200m和0.300m两种。实验利用电子天平测量了燃烧过程中油池质量随时间的变化从而得到质量损失速率，利用K型热电偶阵列测量了舱内气体温度的分布，利用烟气分析仪测量了池火根部附近和空间上层气体组分的变化，利用数码摄像机记录了实验过程中的火焰图像。　　分析了封闭空间内火焰噪声特性和色彩空间特性，提出了用H、B和Ⅰ分量联合分割火焰彩色图像的方法。对封闭空间内燃烧实验中捕获的典型图像噪声、图像在RGB色彩空间和HSI色彩空间各个分量上的特性进行的分析表明，虽然封闭空间火焰图像红色R、绿色G和亮度Ⅰ分量图受与火焰颜色相似的淡红色噪声污染严重、火焰与背景之间的分界模糊，但噪声在色调H分量图和蓝色B分量图上平稳均一，H和B分量图受噪声污染较小，火焰与背景区分明显。联合使用色调H、蓝色B分量与亮度Ⅰ共同分割火焰彩色图像，并将分割后的各分量图像进行融合处理，能有效减少噪声的干扰而取得较好的分割效果。　　研究了无开口封闭空间的池火行为特征。结果表明，火焰根部面积的变化频率与火焰高度的振荡频率相等，在此基础提出了采用火焰根部面积的变化频率求取火焰振荡频率的方法，并应用于具有顶棚射流的封闭空间池火火焰振荡频率的确定。燃烧过程中油池火焰振荡频率波动较小，火焰振荡频率小于开放空间经验公式预测值，火焰振荡频率与油池直径的关系拟合结果为f=1.33D-0.5，且满足无量纲关系式st=0.26Fr-0.532。燃烧过程中的单位面积平均燃烧速率小于开放空间所得的实验结果，但也随着油池直径的增大而增大。燃烧因缺氧而发生自熄灭，不同直径油池的燃料的总消耗基本上相等，不随燃料池直径大小的变化而明显变化。火焰熄灭时池火根部附近氧浓度值在10.5％至15.3％之间，而空间剩余氧平均浓度大约为14.1％，熄灭时间与空间体积成正比而于油池大小呈反比并符合关系式tE=4.418V/D2。在燃烧过程的中后期，烟气分层不明显，在火焰熄灭时，空间内只有热烟气层和污染层。上部空间的热烟气层温度高于下部污染层温度，熄灭时污染层的温升随高度的减小基本上呈线性递减。　　并建立了无开口封闭空间熄灭时间预测模型。基于氧气质量守恒建立了无开口封闭空间的熄灭时间预测模型。定义了空间体积形状因子、无量纲火源体积和无量纲自熄灭时间，结果表明无量纲熄灭时间正比于封闭空间初始氧质量分数与剩余氧分数的差值以及燃料属性诸如燃烧热、燃烧反应化学当量比等，但反比于环境温度、空间体积因子、无量纲火源体积和综合燃烧系数。综合本文实验和NRL实验结果，综合燃烧系数的经验公式为x0=0.094(r0△hcYO2,0(1--YE)/cpT∞(O)Ω)0301。　　研究了不同油池高度对池火行为的影响，探索了无开口封闭空间中池火的游走火行为。在B舱中进行了不同池火位置高度的庚烷池火实验，实验结果表明，无开口的封闭空间池火熄灭时间随着油池高度位置的增大呈先增大后减小的趋势，燃料沸腾后无开口封闭空间出现了明显的游走火现象，燃料沸腾产生大量可燃蒸气及卷吸到火焰区的氧气含量过低，导致空间内在燃料区以外较远的区域存在满足燃烧条件的蒸气浓度和氧气浓度是游走火出现的根本原因，油池位置高度越高，火焰游走距离越远，而游走火出现时间和持续时间与油池位置增加并非简单递增或递减。　　研究了单顶棚开口封闭空间的池火行为特征。结果表明，顶棚开口大小对封闭空间中的池火行为有决定性影响，按项棚开口的大小对封闭空间池火行为的影响，封闭空间池火的燃烧模式可分为四种：密闭燃烧模式、近密闭燃烧模式、开口控制燃烧模式和通风控制燃烧模式；当燃料充足时，只有当顶棚开口大于一定值(临界开口大小)时，燃料才能因燃烧耗尽，按熄灭时油池内是否有燃料剩余可分为燃料剩余区和燃料耗尽区，两区之间的临界开口大小随油池的增大而增大。在燃料剩余区，开口较小时熄灭时间和燃料消耗率与无开口时差别不明显，而开口较大时熄灭时间和燃料消耗率随开口的增大而增大。在油池直径较小时，燃烧过程中燃料难以沸腾，熄灭时油池边缘氧浓度随开口的增大而增大；在油池直径较大时，当燃烧进行到一定时期燃料发生沸腾后，游走火现象明显，熄灭时油池边缘测到的氧浓度普遍较低，在本文实验中，游走火现象明显的顶棚开口条件下，油池边缘氧浓度在熄灭时刻最低可以达到10％左右。在燃料耗尽区，熄灭时间随开口的增大先急剧减小后趋于稳定。平均质量损失速率随顶棚开口大小的变化呈S形变化。开口很小时，平均质量损失速率接近于无开口时同直径池火，而开口很大时，平均质量损失速率接近于自由燃烧时同直径池火，在燃料剩余区和燃料耗尽区分界线附近，平均质量损失速率随开口增大而增大。在定义了无量纲时间g和ω的基础上，发现近密闭燃烧模式到开口控制模式的临界开口因子约为0.03，燃料剩余区和燃料耗尽区临界开口因子约为0.057。在燃料剩余区，不同直径池火的无量纲熄灭时间g随开口因子ω的变化可以近似采用经验公式g=1.097+ω9.51来描述。
作者：	黎昌海
专业：	安全技术及工程
导师：	陆守香
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文