长通道内火灾烟气中一氧化碳生成和分布规律的研究

摘要

由于长通道结构的特殊性，当长通道内发生火灾时，产生的烟气不能得到及时排除，热量大量聚集，空间内部温度升高的很快。而且由于长通道内通风相对不足，导致燃烧变得不充分，将产生更多的CO、CO2和其它有毒气体。此外，由于很多狭长受限空间处于地下，人员疏散的途径有限，一旦内部发生火灾，人员将会面临很大的危险。
　　 本文以从长通道为研究对象，针对火灾烟气中危害性气体在长通道内的输运过程，运用实验和数值模拟研究手段进行了大量的研究：
　　 在本文研究中，首先在尺寸分别为0.4m(宽)×0.8m(高)×3.48m(长)和0.6m(宽)×1.2m(高)×＞6m（长）的两个不同尺寸大小的实验模型基础上基于Froude相似准则设计实验工况以研究烟气组分浓度生成的规律。实验发现较小尺寸模型中的一氧化碳浓度是比较大尺寸高得多，尽管在较大尺寸模型中使用了更多的燃料。而CO/CO2的计算结果表明，较小尺寸模型的比例小于较大尺寸模型，所以在较大尺寸模型中将会有更大比例的碳原子转化为二氧化碳，所得的结果表明，在两个不同大小尺寸模型中所产生的一氧化碳浓度并不遵从同样的规律。
　　 当在有一定坡度的隧道中发生火灾后，由于坡度的存在及火灾烟气浮力效应的影响，坡度隧道中的温度分布、能见度、CO、CO2和O2浓度等与水平隧道相比会产生变化。本文通过隧道坡度的实验发现，当倾斜角为-10°，CO浓度将高得多，而烟气层厚度和质量流率比其他少，通道倾斜角度为正时，开口烟气层厚度及烟气流出率与水平方向相差不大，开口CO浓度略低一些。而烟气层的厚度和质量流量水平略有出入，且火焰熄灭后烟气层厚度反而会增加。
　　 为了研究水平方向通风条件下CO浓度的垂直和水平分布从而揭示火灾烟气向远距离输运的规律。本文在隧道模型中的水平方向通风模式下进行了一系列关于CO浓度的垂直和水平分布的实验研究。实验发现当速度低于0.94m/s时，远离火源的CO浓度的分层较靠近火源处不同，一氧化碳主要集中在靠近顶层的更高区域，当速度比0.94m/s大，烟气的流动是湍流，一氧化碳的分层模糊。同时发现一氧化碳浓度的最大值沿着水平隧道存在衰减和延迟现象，浓度最大值沿着隧道的延迟时间随着通风速度的增加而减小。
　　 针对炭黑对CO生成的影响运用化学动力学软件Chemkin通过数值模拟对含有不同平衡率的甲烷的一维预混火焰的模拟结果进行了比较，结果显示随着平衡率的增加，CO和CO2生成浓度会逐渐增加，而CO的增加幅度更大。当在计算程序中加入炭黑模型后，模拟结果显示随着甲烷与氧气的平衡率的增加，生成炭黑的浓度有较大幅度增加。而加入炭黑模型后，模拟结果显示CO浓度比未加入炭黑模型时要低一些，随着平衡率的增加降低的幅度越大。同时OH的浓度在加入炭黑模型后下降明显。而CO2及O2的浓度在模拟中加入炭黑模型前后的结果相差并不大。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 长通道的分类

1．1．2 长通道火灾案例及其特点

1．2 国内外研究现状

1．2．1 火灾烟气的危害性研究

1．2．2 烟气生成及输运规律研究

1．2．3 烟气的数值模拟研究

1．3 研究内容和目标

1．4 本文的章节安排

参考文献

第2章 小尺寸烟气实验台介绍

2．1 引言

2．2 实验模型的相似性准则【4】

2．3 国内外长通道实验模型

2．4 小尺寸实验台介绍

2．5 实验台的附属系统

2．5．1 燃烧失重速率测量

2．5．2 烟气流速的测量

2．5．3 烟气组分浓度的测量

2．5．4 温度的测量

2．6 实验装置的调试

本章符号

参考文献

第3章 尺度效应对一氧化碳生成的影响

3．1 引言

3．2 Froude模型

3．3 实验过程

3．4 实验结果及讨论

3．5 数值模拟对比

3．6 本章小结

本章符号

参考文献

第4章 坡度对长通道火灾烟气中一氧化碳生成影响研究

4．1 引言

4．2 坡度的影响

4．3 实验过程

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 质量损失速率

4．3．2 气体组分浓度

4．3．3 烟气层分界面高度

4．3．4 烟气质量流动速率

4．3．5 GER

4．4 本章小结

本章符号

参考文献

第5章 水平方向通风条件下长通道火灾烟气中一氧化碳的分布规律

5．1 引言

5．2 长通道内烟气输运的特点【10,11】

5．3 通风条件下烟气浓度的控制方程

5．4 实验过程

5．4 结果讨论

5．4．1 质量损失速率

5．4．2 CO的垂直分布

5．4．3 CO的水平分布

5．5 本章小结

本章符号

参考文献

第6章 一维预混火焰中炭黑对一氧化碳生成的影响

6．1 引言

6．2 化学反应动力学【7】

6．3 炭黑形成的原理【8】

6．4 炭黑模型介绍

6．5 数值模拟软件的介绍【23】

6．6 计算结果及讨论

6．7 本章小结

本章符号

参考文献

第7章 结论及进一步工作展望

7．1 论文主要结论

7．2 论文主要创新点

7．3 研究工作展望

致谢

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