船舶封閉空間池火行為實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、腔室火災(zāi)是常見的建筑火災(zāi)場景，在建筑火災(zāi)安全中得到了廣泛的關(guān)注和研究。前人針對有門窗等開口的建筑空間火災(zāi)進(jìn)行了大量研究并建立了相關(guān)的火災(zāi)模型，然而很少研究涉及到?jīng)]有對外開口或僅有頂棚開口的封閉空間火災(zāi)。本文針對以船舶機(jī)艙為代表的無開口或僅頂棚開口封閉空間火災(zāi)，在自行研制的封閉空間火災(zāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了池火實(shí)驗(yàn)研究，目的是為了揭示封閉空間池火特征及行為規(guī)律。首先研究了無開口條件下的池火行為，在體積較小的A艙(0.75m3)中進(jìn)行了無開口條件

2、下封閉空間池火燃燒行為特征研究，包括火焰高度特性、脈動特性、自熄滅特性、燃燒速率特性和氣體溫度分布特性等；隨后在體積較大的B艙(17.55m3)中進(jìn)行了游走火行為的探索研究。其次，在無開口封閉空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于氧氣質(zhì)量守恒建立了無開口封閉空間的熄滅時(shí)間預(yù)測模型，通過無量綱分析研究了無開口封閉空間池火自熄滅時(shí)間的影響因素。最后在A艙中進(jìn)行了單頂棚開口條件下池火燃燒行為研究，重點(diǎn)研究開口大小對燃燒狀態(tài)和熄滅時(shí)間的影響。具體工作包括：

3、
　　 自行設(shè)計(jì)了封閉空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。用于本文池火實(shí)驗(yàn)的封閉空間有兩個(gè)，體積較小的A艙內(nèi)尺寸為1000mm(L)×1000mm(W)x750mm(H)，體積較大的B艙內(nèi)尺寸為3000mm(L)×3000mm(W)×1950mm(H)，B艙與某機(jī)艙的幾何比約為1：4。A艙頂棚一角可設(shè)正方形開口，最大開口邊長為0.490m。實(shí)驗(yàn)采用正庚烷為燃料，在A艙中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)油池直徑有0.100m、0.141m、0.200m和0.300m四種，在

4、B艙進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)油池直徑有0.200m和0.300m兩種。實(shí)驗(yàn)利用電子天平測量了燃燒過程中油池質(zhì)量隨時(shí)間的變化從而得到質(zhì)量損失速率，利用K型熱電偶陣列測量了艙內(nèi)氣體溫度的分布，利用煙氣分析儀測量了池火根部附近和空間上層氣體組分的變化，利用數(shù)碼攝像機(jī)記錄了實(shí)驗(yàn)過程中的火焰圖像。
　　 分析了封閉空間內(nèi)火焰噪聲特性和色彩空間特性，提出了用H、B和Ⅰ分量聯(lián)合分割火焰彩色圖像的方法。對封閉空間內(nèi)燃燒實(shí)驗(yàn)中捕獲的典型圖像噪聲、圖像在RGB色

5、彩空間和HSI色彩空間各個(gè)分量上的特性進(jìn)行的分析表明，雖然封閉空間火焰圖像紅色R、綠色G和亮度Ⅰ分量圖受與火焰顏色相似的淡紅色噪聲污染嚴(yán)重、火焰與背景之間的分界模糊，但噪聲在色調(diào)H分量圖和藍(lán)色B分量圖上平穩(wěn)均一，H和B分量圖受噪聲污染較小，火焰與背景區(qū)分明顯。聯(lián)合使用色調(diào)H、藍(lán)色B分量與亮度Ⅰ共同分割火焰彩色圖像，并將分割后的各分量圖像進(jìn)行融合處理，能有效減少噪聲的干擾而取得較好的分割效果。
　　 研究了無開口封閉空間的池火行為

6、特征。結(jié)果表明，火焰根部面積的變化頻率與火焰高度的振蕩頻率相等，在此基礎(chǔ)提出了采用火焰根部面積的變化頻率求取火焰振蕩頻率的方法，并應(yīng)用于具有頂棚射流的封閉空間池火火焰振蕩頻率的確定。燃燒過程中油池火焰振蕩頻率波動較小，火焰振蕩頻率小于開放空間經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值，火焰振蕩頻率與油池直徑的關(guān)系擬合結(jié)果為f=1.33D-0.5，且滿足無量綱關(guān)系式st=0.26Fr-0.532。燃燒過程中的單位面積平均燃燒速率小于開放空間所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但也隨著油

7、池直徑的增大而增大。燃燒因缺氧而發(fā)生自熄滅，不同直徑油池的燃料的總消耗基本上相等，不隨燃料池直徑大小的變化而明顯變化?；鹧嫦鐣r(shí)池火根部附近氧濃度值在10.5％至15.3％之間，而空間剩余氧平均濃度大約為14.1％，熄滅時(shí)間與空間體積成正比而于油池大小呈反比并符合關(guān)系式tE=4.418V/D2。在燃燒過程的中后期，煙氣分層不明顯，在火焰熄滅時(shí)，空間內(nèi)只有熱煙氣層和污染層。上部空間的熱煙氣層溫度高于下部污染層溫度，熄滅時(shí)污染層的溫升隨高度

8、的減小基本上呈線性遞減。
　　 并建立了無開口封閉空間熄滅時(shí)間預(yù)測模型?；谘鯕赓|(zhì)量守恒建立了無開口封閉空間的熄滅時(shí)間預(yù)測模型。定義了空間體積形狀因子、無量綱火源體積和無量綱自熄滅時(shí)間，結(jié)果表明無量綱熄滅時(shí)間正比于封閉空間初始氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)與剩余氧分?jǐn)?shù)的差值以及燃料屬性諸如燃燒熱、燃燒反應(yīng)化學(xué)當(dāng)量比等，但反比于環(huán)境溫度、空間體積因子、無量綱火源體積和綜合燃燒系數(shù)。綜合本文實(shí)驗(yàn)和NRL實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合燃燒系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為x0=0.094

9、(r0△hcYO2,0(1--YE)/cpT∞(O)Ω)0301。
　　 研究了不同油池高度對池火行為的影響，探索了無開口封閉空間中池火的游走火行為。在B艙中進(jìn)行了不同池火位置高度的庚烷池火實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無開口的封閉空間池火熄滅時(shí)間隨著油池高度位置的增大呈先增大后減小的趨勢，燃料沸騰后無開口封閉空間出現(xiàn)了明顯的游走火現(xiàn)象，燃料沸騰產(chǎn)生大量可燃蒸氣及卷吸到火焰區(qū)的氧氣含量過低，導(dǎo)致空間內(nèi)在燃料區(qū)以外較遠(yuǎn)的區(qū)域存在滿足燃燒條件

10、的蒸氣濃度和氧氣濃度是游走火出現(xiàn)的根本原因，油池位置高度越高，火焰游走距離越遠(yuǎn)，而游走火出現(xiàn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間與油池位置增加并非簡單遞增或遞減。
　　 研究了單頂棚開口封閉空間的池火行為特征。結(jié)果表明，頂棚開口大小對封閉空間中的池火行為有決定性影響，按項(xiàng)棚開口的大小對封閉空間池火行為的影響，封閉空間池火的燃燒模式可分為四種：密閉燃燒模式、近密閉燃燒模式、開口控制燃燒模式和通風(fēng)控制燃燒模式；當(dāng)燃料充足時(shí)，只有當(dāng)頂棚開口大于一定值(臨界

11、開口大小)時(shí)，燃料才能因燃燒耗盡，按熄滅時(shí)油池內(nèi)是否有燃料剩余可分為燃料剩余區(qū)和燃料耗盡區(qū)，兩區(qū)之間的臨界開口大小隨油池的增大而增大。在燃料剩余區(qū)，開口較小時(shí)熄滅時(shí)間和燃料消耗率與無開口時(shí)差別不明顯，而開口較大時(shí)熄滅時(shí)間和燃料消耗率隨開口的增大而增大。在油池直徑較小時(shí)，燃燒過程中燃料難以沸騰，熄滅時(shí)油池邊緣氧濃度隨開口的增大而增大；在油池直徑較大時(shí)，當(dāng)燃燒進(jìn)行到一定時(shí)期燃料發(fā)生沸騰后，游走火現(xiàn)象明顯，熄滅時(shí)油池邊緣測到的氧濃度普遍較低，

12、在本文實(shí)驗(yàn)中，游走火現(xiàn)象明顯的頂棚開口條件下，油池邊緣氧濃度在熄滅時(shí)刻最低可以達(dá)到10％左右。在燃料耗盡區(qū)，熄滅時(shí)間隨開口的增大先急劇減小后趨于穩(wěn)定。平均質(zhì)量損失速率隨頂棚開口大小的變化呈S形變化。開口很小時(shí)，平均質(zhì)量損失速率接近于無開口時(shí)同直徑池火，而開口很大時(shí)，平均質(zhì)量損失速率接近于自由燃燒時(shí)同直徑池火，在燃料剩余區(qū)和燃料耗盡區(qū)分界線附近，平均質(zhì)量損失速率隨開口增大而增大。在定義了無量綱時(shí)間g和ω的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)近密閉燃燒模式到開口控