顶部开口腔室水平开口流动行为与火行为耦合特性研究

摘要

船舶在当代民事和军事应用中扮演着越来越重要的角色，且顶部开口腔室广泛存在于舰船舱室中。由于水平开口的特殊性，水平开口流动与传统的垂直开口流动有着本质不同，垂直开口流动会在开口处形成稳定的分层流动，而水平开口流动则会在开口处产生复杂不规则的振荡流动。因此，了解火诱导下的水平开口流动行为和机制是船舶火灾安全的重要组成部分，并能为船舶火灾预防以及通风系统设计提供数据及理论的基础。为了进一步研究火诱导下的开口流动与腔室火行为的耦合特性，本文对火诱导的开口流动行为、水平开口受限腔室内的火行为以及火行为与流动行为的相互作用开展了实验与理论研究，其中考虑了不同开口尺度与不同火源尺度，并给出了火诱导下水平开口流动模型。本文的主要工作与结论如下:
　　分析了火诱导下的水平开口流动行为，主要针对于流动形态和振荡行为。开口流动形态是揭示开口流动规律的一个重要因素。本文利用摄像机和激光技术在实验过程中观察到了三种开口流动形态，分别是单向流、双向流和混合流。本文引入分别基于盐水实验和数值计算的Cooper和Chow的理论来预测真实火灾情况下的开口流动形态。结果表明这些理论经过相应的修正后是可以用于预测火灾情况下的开口流动形态。提出了利用开口面积比（开口面积和燃料面积之比）与浮力数的关系来划分这三种开口流动形态，同样地，流动形态的划分还可利用开口面积比与烟气流动面积比的关系。通过烟气可视化方法可以观测到开口流动振荡行为，可利用开口烟气面积和开口烟气温度来表征开口流动振荡。开口烟气面积的振荡频率会随着水平开口尺寸的增大而减小，而烟气温度振荡频率则随着热释放速率的增加呈现增长趋势。本文还对开口处烟气温度振荡频率的经验公式进行了验证。
　　研究了水平开口受限腔室内的火行为。通过不同油池直径、不同顶部开口尺寸、从燃料控制向通风控制转变范围等大量可变条件来研究水平开口对油池火脉动行为的影响。随着水平开口尺寸的增加，平均火焰高度呈二项分布，且平均火焰高度与直径的比值可与水平通风因子进行关联。火焰脉动频率符合与油池直径之间的一贯关系，同时也揭示了火焰脉动频率与顶部开口尺寸之间的关系。考虑了腔室对燃料挥发速率的影响，提出了一种斯特劳哈尔数(St)和弗劳德数(Fr)的关系来表征火焰脉动。研究了水平开口对腔室火灾参数的影响，如平均质量损失速率、熄火时刻的氧气浓度、平均气体温升速率以及全密闭和受限空间内的腔室压力。基于能量守恒和氧浓度守恒结合理论化简，提出了耦合水平开口和燃料面积的无量纲水平通风因子，并利用水平通风因子来分析腔室内的火灾参数。综合频率的研究是为了揭示火行为与开口流动行为的相互作用，随着水平开口的变化，火焰脉动频率和开口流动振荡频率的乘积保持不变，且该乘积取决于油池火自身参数。
　　基于多层划分的思想，提出了水平开口处的火诱导开口流动模型。考虑到开口结构参数和流动形态，对火诱导的流动过程和流动机制进行了讨论。描述了单向流动和双向流动所呈现出的不同流动输运过程，以及对流出烟气和流入空气进行力学分析后所呈现出的不同流动机制。基于多层区域划分，分别对单向流动和双向流动建立了火诱导的开口流动模型。利用激光技术和皮托管提出了一种测量水平开口处质量流速的实验方法，可分别得到单向流和双向流的质量流出速率和质量流入速率。通过比较理论值和实验结果后，对本文所提出的开口流动模型的可行性进行了验证。

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摘要

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表格目录

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 研究目标

1．3 研究方法

1．4 章节安排

第2章 文献综述

2．1 引言

2．2 水平开口流动分类

2．2．1 浮力驱动的流动

2．2．2 浮力和压力驱动的流动

2．3 火诱导的水平开口流动研究方法

2．3．1 盐水模拟实验

2．3．2 CFD模拟

2．3．3 真实火灾实验

2．4 水平开口流动特征

2．4．1 流动形态

2．4．2 振荡行为

2．4．3 开口流动测量

2．5 顶部开口腔室火行为

2．5．1 火焰脉动行为

2．5．2 腔室火灾参数

2．6 本章小结

第3章 实验系统和设计

3．1 引言

3．2 实验布置

3．2．1 实验腔室

3．2．2 实验系统布置

3．2．3 液体燃料选择

3．3 实验测量方法

3．3．1 燃料质量测量

3．3．2 温度测量

3．3．3 气体组分浓度测量

3．3．4 压力测量

3．3．5 开口流动速度测量

3．3．6 火焰形态测量

3．3．7 气体流动可视化测量

3．4 实验过程

3．5 本章小结

第4章 火诱导的开口流动行为研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 开口流动形态

4．3．1 烟气流动可视化

4．3．2 开口流动形态预测

4．3．3 三种流动形态

4．4 开口流动振荡特性

4．4．1 振荡特性

4．4．2 烟气面积表征振荡特性

4．4．3 烟气温度表征振荡特性

4．5 本章小结

第5章 水平开口受限腔室内的火行为研究

5．1 引言

5．2 水平开口对火焰脉动行为的影响

5．2．1 实验方法

5．2．2 火焰形态

5．2．3 火焰高度

5．2．4 火焰脉动

5．2．5 本节小结

5．3 水平开口对火灾参数的影响

5．3．1 实验方法

5．3．2 质量损失速率和氧气浓度

5．3．3 温度分布

5．3．4 腔室内压力变化

5．4 水平通风因子

5．4．1 理论分析

5．4．2 水平通风因子对火灾参数的影响

5．4．3 本节小结

5．5 综合频率分析

5．5．1 火焰脉动频率的理论分析

5．5．2 流动振荡频率分析

5．5．3 频率关系

5．6 总结

第6章 火诱导的开口流动模型

6．1 引言

6．2 开口流动的理论分析

6．2．1 火诱导的开口流动过程与机理

6．2．2 开口流动模型

6．3 开口处的质量流率

6．3．1 盐水模型中的经验公式

6．3．2 质量流率的实验值

6．3．3 理论和实验数据分析

6．4 本章小结

第7章 结论

7．1 全文总结与结论

7．2 创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文

参与的科研项目与课题

附录