低气压条件下典型可燃物燃烧碳烟颗粒特性研究

This research aims to study the characteristics of soot particle under low pressure by experimental and computational simulation methods. Firstly, a set of typical combustible fire experiments will be conducted in hypobaric chamber simulating different low pressure. Combustion characteristics and the distribution and size of soot particle under different low pressure are measured using laser induced incandescence (LII) device and other devices. Secondly, based on the small cone calorimeter platform in both Hefei and Lhasa, a series of pool fire tests will be conducted in the two places respectively to further study the combustion efficiency and products. All of the experiments would contribute to reveal the characteristics of combustion and soot particles under low pressure. Meanwhile, by using developed soot formation models, FDS is used to numerically simulate corresponding typical experimental scenes. After comparing experimental and simulation results, the soot formation models can be modified and applied to the low-pressure environment.

本课题主要从实验和模拟两个方面对低气压条件下的碳烟颗粒特性进行研究。通过在低压燃烧舱内开展不同压力下典型可燃物的燃烧实验，利用激光诱导白炽光法（LII）等研究可燃物燃烧特性、碳颗粒大小及分布等随环境压力的变化规律；利用拉萨和合肥两地的小型锥形量热仪平台，通过油池火实验进一步研究典型可燃物的燃烧效率和燃烧产物。上述实验有助于揭示低气压对碳烟颗粒特征、热释放速率、燃烧效率等的影响机理。同时，在FDS软件中引入现有的碳烟颗粒生成模型并进行数值模拟，通过对比分析实验和模拟结果，修正碳烟颗粒生成模型使其适用于低压环境。

本项目通过开展不同低气压条件下典型液体、气体和固体可燃物的燃烧实验，进一步揭示和验证燃料燃烧的碳烟颗粒特征、热释放速率、燃烧效率等与大气压力的关系，并提出合理的碳烟颗粒生成模型。通过低压舱燃烧实验，模拟研究不同海拔高度（30m~12000m）下可燃物燃烧特性、碳烟颗粒大小及分布等变化规律。.在研究典型可燃物燃烧特性的过程中利用了低气压舱室模拟高原低压环境，考虑到液体可燃物的尺寸与气体可燃物的尺寸问题，设计了两种不同的低压舱。从燃料燃烧的火焰形态、质量燃烧速率及碳烟特性这三方面开展研究，我们在低压实验舱内进行了一系列正庚烷池火研究。油盆尺寸从3cm到8cm这一段区域的选取主要在热传导区间内，使用水浴装置防止燃料沸腾，并分析了压力及水浴条件对正庚烷质量燃烧速率的影响。此外，在特制的低压燃烧舱中，分别进行了乙炔的烟点实验和乙烯及丙烷的碳颗粒体积分数的研究。烟点研究时，压力控制从45 kPa到101 kPa间隔5 kPa变化。.课题组利用拉萨和合肥两地的小型锥形量热仪平台，进一步研究典型可燃物的燃烧效率和燃烧产物。根据现有的碳烟颗粒生成模型对低气压下燃烧过程进行数值模拟，通过模拟和实验对比分析，修正碳烟颗粒生成模型。采用激光诱导白炽光成像技术（LII），对碳颗粒的体积分数和粒径进行光学测量解决火焰内部的碳颗粒的采样和测量。这种方法可以得到不同压力下的碳烟体积分数的相对值，从而根据各压力下的数值，通过研究得到压力与碳烟体积分数的一个幂指数关系。这一关系能为理解低气压环境下火焰燃烧过程中碳烟颗粒形成的机理、热辐射反馈对燃烧速率的影响提供重要信息，也是修正低压环境下碳烟颗粒生成模型的主要依据。