环境风作用下全尺度油池火燃烧特性与动力学模型研究

Pool fire is the most common and representative type of fire, which could cause huge casualties and property losses easily. In the last few decades, researches were mainly focused on the laboratory scale pool fires with pool dimensions less than one meter, and quantitative experiments of the full scale pool fires under controlled cross-wind were very limited. As a result, the theoretical and numerical studies of the full scale pool fires are greatly restricted. Based on previous research, this project aims at generating controlled cross-wind by using a large open low-speed wind tunnel and systematically measuring the key characteristics including the burning rate, flame geometry, temperature field, flame emissive power and radiative heat flux distribution under different fuel types, pool scales and wind speeds, establishing a relatively complete experimental database for full scale pool fires and scaling models for the key combustion characteristics, and finally developing dynamical models for the full scale pool fires based on the coupling among flow, heat transfer and combustion. The project could enrich the scientific understanding of the complex coupling between ambient wind and full scale pool fires, and provide scientific basis for the thermal hazard prediction and firefighting. Therefore, this research has important scientific significance and application value.

油池火是最常见和最具代表性的火灾形式，极易造成巨大的人员伤亡和财产损失。近几十年来，相关研究工作基本围绕油池直径小于1米的实验室尺度油池火展开，而可控环境风作用下的全尺度油池火系统性定量实验工作非常缺乏。相应地，全尺度油池火的理论和数值模拟研究都受到了较大限制。本项目拟在先期研究基础上，利用大型开放式低速风洞产生可控环境风场，系统研究不同燃料、油池尺度和环境风速等重要参数条件下全尺度油池火的燃烧速率、火焰形态、温度场、火焰发射功率和辐射热流分布等关键燃烧特性的变化规律，建立相对完备的全尺度油池火实验数据库以及关键燃烧特性相似模型，最终建立基于流动-传热-燃烧耦合的全尺度油池火动力学模型。本项目可以丰富对环境风场和全尺度油池火复杂耦合作用机制的科学认识，并为油池火灾热危害预测及消防灭火工作提供科学基础，具有重要的基础科学意义和应用价值。

油池火是最常见和最具代表性的火灾形式，极易造成巨大的人员伤亡和财产损失。近几十年来，相关研究工作基本围绕油池直径小于1米的实验室尺度油池火展开，而可控环境风作用下的全尺度油池火系统性定量实验研究工作非常缺乏。本项目的研究目标是采用理论分析和实验相结合的方法，系统研究全尺度油池火在风环境下燃烧速率、温度场分布等重要燃烧特性参数的变化规律与数学表征模型。.本项目执行三年以来，已圆满完成既定的研究目标，取得了以下重要成果：.（1）实验研究了风环境下的油池火燃烧速率变化规律及物理模型：风环境对大尺度油池火燃烧速率产生显著影响，U < 6 m/s时，两种燃料的稳定燃烧速率均随有效风速的增大而增大；U ≥ 6 m/s时，则趋于平稳。基于全尺度实验结果，发展了一种由线性增加段和常数段组成的分段函数的风环境下大尺度油池燃烧速率计算通用模型。.（2）全尺寸实验研究了环境风下大尺度池火温度场分布特性，结果表明：温度场受到环境风的强烈影响，火焰会倾斜，火焰倾斜但未贴地的情况下，风环境下大尺度火灾在Z = 0高度上的径向温度分布仍满足高斯分布，其他高度可用偏高斯函数来描述。经典羽流模型对环境风作用下的大尺度火灾羽流中心线温度分布预测偏高，基于实验数据结果，对McCaffrey模型进行了修订，重新定义连续火焰区、间歇火焰区以及浮力羽流区的划分阈值，建立了可以较好预测环境风作用下羽流中心线温度的新模型。.该项目的科学意义在于，成体系研究得到了全尺度风环境下燃油火灾各项燃烧特性参数，建立了风环境下大尺度火灾关键特性参数数据库及预测数学模型，项目成果给相关工程消防设计、标准规范修订、灾害应急处置预案等提供了数据支撑，具有较强的工程参考价值。