封闭空间池火游走特性研究

It's usually believed that flame stands on fuel surface. Many fire models have been established based on this feature by the "point" or "body" assumptions. While under some no ventilation or poor ventilation conditions, flame on pool fire in closed compartment may change irregularly and unstably, leaving the fuel surface and wandering around, which is so called "ghosting fire". The scope of application for a fairly large number of compartment fire models may be redefined due to the unexpected arrival of ghosting fire. The ghosting fire behavior is almost strange to people for there are few studies concerned until now. By means of combining experimental study and theoretical analysis, this project is to investigate ghosting fire behaviors in closed compartments with various volumes. Base on large number of compartment fire experiments with various pool sizes, pool positions, opening forms and opening sizes, the mechanism and criteria on the occurrences of ghosting fire are to be find out by the theories of heat transfer, evaporation, combustion as well as dimensional analysis methods. Based on monitoring results of mass loss rates,pool temperatures, gas temperatures in the compartment, gases concentrations in the compartment, heat flux on compartment floor as well as sustaining flame images captures, the quantitative characteristics and danger of ghosting fire are to be analyzed by mathematical statistics methods and fire dynamics theories.

通常火焰被认为直立于燃料面之上，前人基于该特性进行了"点"或"体"假设，使很多火灾模型得以建立。然而，在某些无通风或通风不良情况下，封闭空间池火火焰可脱离油池面，在一定范围内不规则、不稳定地游走，这就是所谓的游走火。游走火的出现，撼动了"点"、"体"假设的基础，使得相当一部分封闭空间火灾模型的适用范围可能需要重新界定。然而到目前为止，针对游走火的专门研究几乎没有，人们对游走火还很陌生。本项目拟通过实验和理论分析相结合的方法，在不同大小的封闭舱室内进行池火游走行为研究。在改变油池尺寸、油池位置、开口形式和开口大小等大量实验的基础上，借助传热理论、蒸发理论、燃烧理论和量纲分析方法，找出产生游走火的控制机理及判定条件；在质量损失速率、油池温度、空间气体温度、空间气体成分浓度和舱底热辐射通量的监测结果以及火焰连续图像的捕获基础上，利用数理统计方法和火灾动力学理论等方法分析游走火的定量特征及危害。

火灾是船舶面临的最严峻的威胁之一，可能导致严重的船舶损伤和人员伤亡。本项目以船舶封闭空间火灾为研究对象，主要研究了以下内容：一、研制了用于开展封闭空间火灾实验的二维狭窄腔室和三维岁尺寸腔室，研制了采用定油盘直径的液体油池火源和定燃料供应流量的气体燃烧器火源及多火灾参数测量系统；二、利用缩尺寸实验和数值模拟方法研究了封闭空间顶部开口流动和火灾诱导的封闭空间内部气体流动；三、利用缩尺寸实验方法研究了封闭空间火灾自熄灭行为；四、利用缩尺寸实验方法研究了游走火的特征、发生条件和发生机理。.获得了以下主要结论：一、封闭空间顶部开口流动受附近火源浮力羽流影响较大，浮力羽流与开口流动的相互作用导致腔室开口一侧形成了环形气体流动；二、受浮力羽流影响的顶部开口处的温度和速度分布符合高斯（Gaussian）分布，其最高温度T_m和最大速度V_m与火源功率Q ̇_f呈线性关系，利用该分布形式，可以推导得到浮力羽流影响的顶部开口流动计算公式；三、封闭空间火灾的自熄灭行为与火源功率和开口尺寸有关，基于能量守恒和组分守恒方程的分析，发现封闭空间火灾的自熄灭行为主要受空间内组分变化影响；四、基于Quintiere和Rangwala的提出的绝热火焰温度熄灭判据，研究得到了封闭空间火灾自熄灭控制模型，该模型变化趋势符合实验结果；五、火焰游走的产生条件与火灾功率和开口尺寸有密切的联系，当开口较大时，在过渡阶段会出现火焰游走的现象；六、当火焰出现游走时，油池火的质量损失速率为火灾发展过程中的最大值，同时氧气浓度下降至16%以下；七、利用预混火焰稳定理论可以解释火焰游走的产生机理，封闭空间内部存在稳定的水平气体流动，当封闭空间内氧气浓度下降导致预混火焰传播速度SL小于当地的气体流速u_L时，火焰出现游走现象。.通过本项目研究，揭示了火灾羽流影响下的封闭空间顶部开口流动规律，为封闭空间火灾行为的研究提供了边界条件；获得了封闭空间内部火灾导致的气体流动形态，为特殊火灾行为的产生条件提供了论据；研究得到了封闭空间内火灾的自熄灭规律，认识了火灾自熄灭过程中能量、组分等因素对火焰熄灭过程的影响机制，建立了火灾自熄灭预测模型；研究还得到了封闭空间火焰游走行为的火焰形态和特征规律，建立了火焰游走行为的预测模型。项目的研究结果能够用于指导封闭空间防火性能的设计与评估，同时为船舶舱室等封闭空间内的防火和灭火提供理论依据。