環(huán)境風(fēng)作用下火焰撞擊頂棚擴(kuò)展行為與無風(fēng)條件頂棚火焰細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、火焰在頂棚下方的擴(kuò)展行為可以分為火焰撞擊頂棚形成的火焰擴(kuò)展行為以及火焰直接在頂棚下方的擴(kuò)展行為。當(dāng)火源在頂棚下方且與頂棚有一定距離時(shí)，如果火源功率足夠大，火焰將會(huì)撞擊頂棚（如:地鐵隧道內(nèi)列車著火），在頂棚的阻擋以及浮力的作用下發(fā)生水平傳播使得火焰在頂棚下方擴(kuò)展一定的長(zhǎng)度，形成了火焰撞擊頂棚并在頂棚下方的擴(kuò)展行為;當(dāng)火源處在緊貼著頂棚下方時(shí)（如:頂棚下方有可燃?xì)怏w發(fā)生泄漏或者頂棚具有可燃的建筑裝飾材料時(shí)），火焰在浮力的作用下將緊貼著頂棚下

2、方擴(kuò)展，形成火焰直接在頂棚下方的擴(kuò)展行為。
　　前人研究者對(duì)于火焰撞擊頂棚形成的火焰擴(kuò)展行為的研究主要是針對(duì)無環(huán)境風(fēng)以及火焰未受到頂棚側(cè)墻限制時(shí)開展的，對(duì)于環(huán)境風(fēng)作用下以及頂棚有側(cè)墻限制時(shí)火焰撞擊頂棚形成的火焰擴(kuò)展行為的研究甚少。然而實(shí)際隧道及走廊通道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于隧道排煙風(fēng)機(jī)以及走廊兩側(cè)窗戶的影響通常存在外界風(fēng)的作用，且當(dāng)火源功率較大時(shí)，火焰撞擊頂棚后也會(huì)受到頂棚側(cè)墻的限制;
　　前人研究者對(duì)于火焰直接在頂棚下方的擴(kuò)展行

3、為的研究比較缺乏，對(duì)于這種頂棚火尺度規(guī)律的研究主要是針對(duì)邊界層厚度，對(duì)于火焰的水平擴(kuò)展長(zhǎng)度缺乏系統(tǒng)的研究。對(duì)于這種頂棚火所形成的特殊的“細(xì)胞狀”火焰也只是從理論上分析了它的形成機(jī)制，未能定量分析這種“細(xì)胞”的特征尺寸大小及空間分布規(guī)律。因此本文將分別針對(duì)上述兩種頂棚火焰擴(kuò)展行為通過實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法填補(bǔ)前人研究者研究的不足。
　　本文開展了環(huán)境風(fēng)作用下火焰撞擊頂棚形成頂棚火焰擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)以及不同火源形狀下火焰直接在頂棚

4、下方擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。對(duì)于火焰撞擊頂棚的實(shí)驗(yàn)，使用丙烷作為氣體燃料，采用邊長(zhǎng)分別為15cm、20cm的方形燃燒器，采用51-153.1kW的11種火源功率，選取0-1.8m/s的4種不同的風(fēng)速工況，選取火源距離頂棚的高度分別為35cm、40cm、45cm三種不同的高度，共264種工況開展實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)視頻的處理得到了頂棚下方的水平火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度隨著火源功率的增大而增大，隨著火源距離頂棚的高度、火源尺寸、縱向風(fēng)風(fēng)速的增

5、大而減小。并基于火焰撞擊后未燃燃料的量與所需卷吸空氣的量之間的關(guān)系，分別建立了無風(fēng)及有風(fēng)條件下火焰撞擊頂棚后上游、下游的火焰擴(kuò)展長(zhǎng)度模型以及火焰上下游總擴(kuò)展長(zhǎng)度的模型。所得的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好。
　　對(duì)于火焰直接在頂棚下方擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，選取了不同形狀及尺寸的圓形及線性燃燒器，包括直徑分別為40mm、60mm、80mm的圓形燃燒器及尺寸為2*142.5mm、2*217mm的線性燃燒器;選取了6.12-12.24kW的9種不同的火源

6、功率，共45種工況開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到火焰在頂棚下方形成了特殊的“細(xì)胞狀”火焰。這種特殊的火焰形態(tài)主要是由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定(“Rayleigh-Taylor”instability)造成的:由于火焰在燃料與空氣的交界處燃燒，這使得燃料層的下部靠近火焰燃燒區(qū)的溫度顯著高于上部未燃的較冷的燃料，在浮力的作用下，下部的氣流將加速向上流動(dòng)，形成一種不穩(wěn)定的熱擴(kuò)散狀態(tài)。同時(shí)本文測(cè)量了圓形及線性火源下頂棚下方“細(xì)胞狀”火焰的水平擴(kuò)展長(zhǎng)度。并基于量