腔室水平开口火灾烟气动力学特性及对环境风的响应机制研究

腔室发生火灾时，在水平开口这一边界条件的作用下，烟气会出现复杂、特殊的行为特征，而其动力学行为直接影响自然排烟效率。本项目拟通过理论分析、实验和数值模拟，揭示腔室水平开口处的火灾烟气动力学特性及其对环境风的响应机制：.（1）.阐明烟气中Rayleigh-Taylor不稳定性与Kelvin-Helmholtz不稳定性的耦合/对抗关系，建立烟气通过水平开口向上层空间对流的临界判据；.（2）.结合火羽流振荡与水平开口烟气振荡在动力学机制上的差异，修正原有的水平开口烟气振荡频率预测模型，建立具有普遍指导意义的水平开口烟气振荡模式数学模型；.（3）.考虑水平环境风对水平开口烟气流动的复合作用机制，修正原有的只考虑风压的模型，获得水平环境风作用下腔室水平开口的排烟/补气流率模型。.本项目有助于弥补火灾科学界对于腔室水平开口火灾烟气动力学在理论上认识的不足，并为水平开口自然排烟系统的设计提供理论依据。

项目组开展了深入、系统的实验、理论分析与数值模拟研究。配合研究内容的需要，搭建了两套试验台，发展了相关的实验测定方法与后处理分析方法：如建立了“基于联合浓度与温度衰减的腔室开口气流流率的实验测定方法”，发展了“火灾烟气流场的POD特征流动模态提取分析方法”及“基于图像处理的开口震荡火、烟形态分析方法”。在此基础上，主要取得了如下几方面的成果：.1. 确定烟气在水平开口处的排放效率主要受热压影响。建立了定量描述火灾工况下水平开口下方热压的系列理论模型，并结合环境风压的影响对水平开口的排烟动力进行了统一表达，为量化水平开口的排烟动力提供了计算方法；并辨识出了影响水平开口排烟效率的主要因素；2.提出了腔室内火灾烟气渗入后朝上部水平开口对流与朝上/朝下双向对流的临界条件；该判据表达清晰、简洁，具有明确的工程指导意义；3. 修正了以Epstein为代表的测定腔室水平开口气流交换流率的传统方法及获得的经验公式，发展了基于联合浓度与温度衰减的腔室开口气流流率测定方法用以考虑实际腔体存在的壁面热交换对水平开口流率的影响；发现壁面热交换造成水平开口的气流流率变大；通过水平开口气流震荡模式的分析初步揭示了壁面热交换对开口流率的影响机制；4. 发展了腔室强羽流震动模式下开口溢出火焰或火、烟掺混气体的形态表征方法，量化了开口溢出火、烟的尺度，并建立描述腔室开口溢出火焰或火、烟掺混气体影响范围大小的数学模型； . 本项目共发表或接收论文11篇，其中境外SCI二区论文4篇，EI收录论文1篇，CSCD论文3篇，会议论文2篇，其他论文1篇；申请发明专利2项（已授权一项），参加学术会议4次。部分成果在工程应用中进行了推广。本研究完成了预定目标，也理清了在后续研究中值得再深入研究的问题。