低壓低氧環(huán)境下紙箱堆垛火的實驗和數(shù)值模擬研究.pdf

1、火災(zāi)是人類社會中發(fā)生最頻繁其極具毀滅性的災(zāi)害之一，而低壓環(huán)境下的火災(zāi)研究是我國火災(zāi)研究領(lǐng)域的一個較新的方向。一方面，西藏地處高原，是我國藏傳佛教的圣地，古建筑眾多，這些古建筑在西藏文化中占有極其重要的地位，也是我國珍貴的歷史文化遺產(chǎn)。但這些古建筑，年代久遠(yuǎn)并且多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部更是存在著大量的可燃物以及點火源，火災(zāi)風(fēng)險大，而且近年來隨著西藏經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用火、用電量的增加，導(dǎo)致每年發(fā)生的火災(zāi)事故也呈現(xiàn)出上升趨勢。另一方面，高空飛行器在巡

2、航狀態(tài)時也是處于一種低壓低氧狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，將損失巨大。因此，研究低氣壓環(huán)境下火災(zāi)的燃燒特性和發(fā)展規(guī)律，對各種低氣壓特殊環(huán)境下火災(zāi)安全防治的研究具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 環(huán)境壓力的降低不僅影響著氣相空間的化學(xué)反應(yīng)速率，同時也能夠影響氣相空間、氣—固相之間的熱量傳遞，這些變化必然將對燃料的點火過程、火焰的蔓延傳播過程、煙氣的運動蔓延過程等產(chǎn)生影響。大量的實驗研究表明，低氣壓環(huán)境將會降低小尺寸油池火和木材堆垛火的燃燒速率，也會

3、對火焰溫度場分布、輻射強度造成影響，但低氣壓環(huán)境下大尺寸固體火災(zāi)的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)相對匱乏，而熱釋放速率的實驗數(shù)據(jù)則更少。因此，根據(jù)氧耗法原理在拉薩搭建全尺寸熱釋放速率平臺，可使我們能夠直接燃燒的熱釋放速率。本文選用了火災(zāi)中常用的等效火災(zāi)載荷紙箱作為實驗燃料，分別在合肥和拉薩的全尺寸熱釋放速率平臺下進(jìn)行燃燒實驗，以揭示低壓環(huán)境對固體火災(zāi)燃燒速率、燃燒效率等燃燒特性的影響。
　　 為了研究低壓環(huán)境對不同尺寸和形狀的火災(zāi)載荷的影響，本文

4、對12中不同紙箱個數(shù)和不同擺放方式的紙箱堆垛火進(jìn)行了測量，特征尺寸范圍約為0.5～1.5m，每個工況至少重復(fù)3次實驗。本文分別直接測量了合肥和拉薩紙箱堆垛火的熱釋放速率，其燃燒釋放的熱量均集中在峰值附近，因此可采用三角形特征化模型對其進(jìn)行特征化處理，以方便火災(zāi)建模人員的使用。通過對測量所得熱釋放速率、燃燒速率、火焰溫度以及火焰輻射等參數(shù)的對比分析，我們發(fā)現(xiàn):(1)低壓環(huán)境的燃燒更不充分，表現(xiàn)在固體可燃物的不完全熱解以及可燃熱解氣的不完全

5、燃燒，拉薩的有效燃燒熱值約為合肥的71％;(2)低壓環(huán)境對火災(zāi)發(fā)展的影響集中表現(xiàn)在燃燒特征時間的增加，無量綱燃燒速率與無量綱時間的曲線基本不隨壓力變化;(3)在本文的火災(zāi)規(guī)模范圍內(nèi)，對流熱傳導(dǎo)在熱量傳遞中起主導(dǎo)地位，其燃燒速率或熱釋放速率峰值與火災(zāi)壓力模型一致，即無量綱的燃燒速率正比與格拉曉夫數(shù)的1/3次方;不同位置溫升上升的時間差間接證明了低壓環(huán)境下的火焰?zhèn)鞑ニ俣日扔趬毫Φ?/3次方，也與火災(zāi)壓力模型一致;(4)拉薩的火焰羽流溫度分

6、布并不完全符合經(jīng)典的火羽流模型，表現(xiàn)為靠近火源時溫度偏低，而遠(yuǎn)離火源時偏高，低壓環(huán)境下的經(jīng)典羽流模型可能需要通過更為細(xì)致的實驗來驗證和修正;(5)合肥和拉薩所測量的輻射熱通量基本相等，說明拉薩的輻射分?jǐn)?shù)要大于合肥，可能由于低壓環(huán)境的不完全燃燒導(dǎo)致火焰發(fā)射率增加。拉薩的火焰溫度比合肥低100℃左右，也說明了低壓環(huán)境下的火焰輻射分?jǐn)?shù)會增大;
　　 本文在理論分析和實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，還對低壓環(huán)境下火災(zāi)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了探索性的研究。