高原低压低氧特殊环境下火灾防治的热物理问题

本项目面向高原低压低氧特殊环境条件下的火灾防治需求，通过建立不同海拔高度下的火灾燃烧实验平台,对可燃物热解与着火、火蔓延、火羽流卷吸与烟气蔓延以及火灾热物理信号识别方法进行研究。揭示大气压力和氧气浓度对可燃物热解行为的影响规律，建立高原特殊低压低氧环境下可燃物燃烧速率模型及火焰高度无量纲模型，揭示高原低压低氧环境条件对水平和垂直固体表面火蔓延的影响机制；建立高原低压低环境密度条件下的火羽流卷吸模型及羽流中心线温度随高度变化的理论模型，发展高原低压低氧条件下火灾烟气充填的数学模型；揭示低压低氧燃烧与流动耦合作用下火灾探测热物理参量的变化机制，发展低压低氧环境下火灾信号识别方法。研究成果有望揭示压力和绝对氧浓度同时降低情况下的燃烧行为特性以及高原低氧浓度条件下火蔓延的科学本质，建立具有我国地理特性的高原低压低氧特殊条件下的火灾动力学演化理论，丰富世界火灾科学研究范畴。

我国拥有广袤的高原面积，高原上古建筑众多，大多采用木结构，一旦发生火灾将会造成无法估量的损失。高原火灾动力学有独特的规律，对其开展研究具有重要的科学意义和实用价值。本项目主要研究低压低氧环境对火灾基本分过程的影响规律，包括4个方面的研究内容：低压低氧条件下固体可燃物热解着火规律、低压低氧条件下材料燃烧特征及火蔓延行为、低压低气体密度条件下火羽流卷吸及烟气蔓延动力学特征、低压低氧环境对火灾热物理信号的影响作用机制与火灾识别方法。四年来，本项目通过自行研制的模拟尺度实验、高原地区全尺寸实验、理论分析和数值模拟等手段，在高原火灾动力学研究方面取得了国际领先水平的成果。在可燃物热解着火规律研究方面，发现随海拔高度的增加，可燃液体闪点下降的幅度将越来越快，可燃固体着火时间也会变短，而用所建立的新点燃模型可计算获得环境压力对固体材料着火特性影响的“U”型变化规律。在材料燃烧特征及火蔓延行为方面，我们开展了不同种类可燃材料和不同蔓延方式的大量火蔓延实验，发现随环境压力的下降，火蔓延速率下降；通过相关的理论分析，建立了能解释实验所获得规律的理论模型。在火羽流卷吸及烟气蔓延动力学方面，以油池火和气体射流火作为研究对象，发现气体射流火火焰中心轴线温度在不同区域随环境压力变化的不同规律，而油池火最大火焰温度则在低气压环境下更高，即使是火旋风，其在高原地区的燃烧速率也会降低；对隧道烟气分布而言，不同环境压力下的浓度纵向分布类似，但烟气温度衰减在低压时更快，同样对此建立了理论模型进行解释。在低压低氧环境对火灾热物理信号的影响作用机制与火灾识别方法方面，发现环境压力对油池火燃烧速率、火焰高度的影响与油池直径密切相关，主要因为油池尺寸决定了传导、对流和辐射传热的不同热反馈机制，由于低压下火焰浮力增强，火焰辐射分数随环境压力下降而下降，而火焰脉动频率则随环境压力下降而上升。.通过研究，我们发现了大量高原环境条件下特有的火灾现象，建立了低压低氧环境下可燃物热解着火的物理模型，发展了低压低氧燃烧与流动耦合作用下烟气与表面火蔓延理论模型，揭示了低压低氧环境条件下火焰高度、振荡频率等火灾探测热物理参量的变化机制，为我国高原火灾的防治提供了强有力的科学支撑。到目前为止，本项目已经发表论文75篇，其中SCI收录57篇，EI收录12篇（不重复统计）。授权发明专利1项、实用新型专利5项、外观设计专利1项。