船舶頂部開口艙室火災(zāi)煙氣特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、受限艙室的“封閉效應(yīng)”決定了其火災(zāi)特點(diǎn)的多樣性。在建筑結(jié)構(gòu)（形狀、尺度）、通風(fēng)條件、可燃物性質(zhì)等因素的共同作用下，受限艙室火災(zāi)和煙氣分布規(guī)律表現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律。以船舶機(jī)艙為代表的船舶封閉空間通常沒有側(cè)壁豎直開口，起火艙室可抽象為一個(gè)僅具有頂部水平開口的特殊受限空間。水平開口處的氣體交換受到膨脹壓力差和浮力密度差的共同驅(qū)動(dòng)，表現(xiàn)出復(fù)雜的煙氣流動(dòng)模式。不同的煙氣流動(dòng)模式會(huì)對(duì)艙內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分布特征產(chǎn)生影響。因此，研究頂部開口艙室火災(zāi)煙氣

2、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分布特征，對(duì)認(rèn)識(shí)頂部開口艙室火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，有效控制和撲滅火災(zāi)具有重要的意義。
　　 本文在300 cm(長(zhǎng))×300 cm(寬)×195 cm(高)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，開展了10 cm、14 cm、20 cm和30 cm等四種直徑的庚烷油池火實(shí)驗(yàn)研究。水平開口位于艙室頂部拐角，其尺寸由100 cm2(10cm×10cm)增大到3200 cm2(54 cm×60 cm)。實(shí)驗(yàn)研究了不同頂部開口尺寸和火源大小對(duì)艙內(nèi)溫度、煙氣光學(xué)密度

3、、氣體組分、燃料質(zhì)量損失速率、火焰形態(tài)的影響規(guī)律;頂部開口艙室的煙氣光學(xué)密度預(yù)測(cè)方法、煙氣填充時(shí)間預(yù)測(cè)方法。最后根據(jù)頂部開口艙室煙氣分布規(guī)律，對(duì)煙氣分布進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了艙內(nèi)溫度分布和煙氣光學(xué)密度分布預(yù)測(cè)模型。論文的具體工作包括:
　　 分析了頂部開口尺寸和火源大小對(duì)池火發(fā)展規(guī)律的影響。頂部開口艙室內(nèi)的最大溫升與火源面積相關(guān)，火源面積越大最大溫升越高。在本研究所涉及的范圍內(nèi)，平均溫升速率與火源面積近似成正比例;頂部開口面積對(duì)平均溫

4、升速率的影響不明顯。當(dāng)以燃料質(zhì)量損失為橫坐標(biāo)時(shí)，火源面積對(duì)頂部開口艙室煙氣光學(xué)密度影響不顯著;頂部開口尺寸在火災(zāi)發(fā)展初期對(duì)煙氣光學(xué)密度基本無影響。實(shí)驗(yàn)過程中，艙室內(nèi)的氧氣濃度分布并不均勻，越靠近地面氧氣濃度越高，燃燒區(qū)附近的氧氣濃度則要明顯高于其他區(qū)域。對(duì)于頂部開口艙室，較小尺寸油池燃燒的單位面積平均質(zhì)量損失速率更加接近于開放空間沸騰燃燒狀態(tài)的數(shù)值。而隨著油池尺寸的增加，單位面積平均質(zhì)量損失速率則逐漸向開放空間穩(wěn)態(tài)燃燒數(shù)值傾斜。

5、　　 建立了頂部開口艙室煙氣光學(xué)密度的計(jì)算模型。從頂部開口艙室煙氣光學(xué)密度宏觀模型出發(fā)，基于控制體內(nèi)的煙氣質(zhì)量守恒方程，建立了K-S模型、K-M模型、Y-KS模型、Y-KM模型等四種不同形式的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)預(yù)測(cè)模型適用范圍進(jìn)行了分析。通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，四種預(yù)測(cè)模型均從一定程度上復(fù)現(xiàn)了頂部開口艙室火災(zāi)煙氣光學(xué)密度變化規(guī)律。其中，K-S模型、Y-KS模型適用于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境可燃物危險(xiǎn)性的定性分析;K-M模型和Y-KM模型具有統(tǒng)一的

6、表達(dá)式，當(dāng)給定火源面積和頂部開口面積時(shí)，可以較好的預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)展初期煙氣光學(xué)密度的變化規(guī)律。
　　 探討了以艙內(nèi)溫度和煙氣光學(xué)密度描述的煙氣層填充規(guī)律。從頂部開口艙室煙氣填充過程物理模型出發(fā)，基于控制體內(nèi)的質(zhì)量守恒和能量守恒方程，建立了“膨脹溢出”模型和“不規(guī)則頂棚”模型，用以預(yù)測(cè)頂部開口艙室的煙氣填充時(shí)間。通過將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與通過消光法和分段線性法處理得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，“膨脹溢出”模型和“不規(guī)則頂棚”模型均可以良好的用

7、于頂部開口艙室煙氣填充時(shí)間的預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明:在本文研究所涉及的范圍內(nèi)，頂部開口尺寸對(duì)艙室內(nèi)煙氣填充時(shí)間的影響并不顯著;當(dāng)火源功率較大時(shí)，則基本可以忽略。
　　 簡(jiǎn)化了煙氣分布規(guī)律預(yù)測(cè)模型，并檢驗(yàn)了模型的預(yù)測(cè)效果。在煙氣填充過程中，以溫度描述的熱煙氣層中溫度隨高度等梯度遞減;而以煙氣光學(xué)密度描述的熱煙氣層中煙氣光學(xué)密度趨于一致。從頂部開口艙室煙氣分布特性出發(fā)，對(duì)艙室內(nèi)的溫度分布和煙氣光學(xué)密度分布進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了基于“區(qū)域模型