非轴对称火源顶棚射流卷吸行为与特征参数分布模型研究

Ceiling jet is one of the basic processes of building fire dynamics. The distribution features of its characteristic parameters can be an essential reference for both building fire safety design and the related fire protection standards. Classical models of ceiling jet were built just for axisymmetric fires. However, in real fire scenario, the fire sources are usually asymmetrical. The initial asymmetrical entrainment of fire source will lead to an asymmetrical entrainment phenomenon of ceiling jets and further influence the characteristic parameters distribution. So, the characteristic parameters distribution of ceiling jet induced by such fire sources cannot be predicted by the classical models. We expect to employ a series of rectangular fire sources with different aspect ratios to study the entrainment properties and characteristic parameters distribution of ceiling jets by combining experimental study with theoretical analysis. (1) We will reveal the entrainment characteristics of rectangular fire ceiling jets and propose proper characteristic lengths. (2) A mathematical model will be constructed to predict the flame extension length under the ceiling. (3)Two- dimensional temperature distribution model will be established. The results of this work can cover the characteristic parameters distribution regularities of ceiling jets induced by axisymmetric fire sources, linear fire sources and rectangular fire sources. So, the results can be effective supplements to the existing ceiling jet theories. This subject research has both theoretical significance and practical value to the application.

顶棚射流是室内火灾动力学的重要分过程，其特征参数分布规律对建筑防火设计及相关标准的制定具有重要参考作用。现有顶棚射流的经典模型均针对轴对称火源建立，其特征参数分布也呈现一维轴对称性；而现实中大部分火灾的火源为非轴对称结构，其顶棚射流特征参数分布将呈现二维非轴对称性，现有的经典模型将不再适用。本项目拟研究揭示不同长宽比矩形非轴对称火源顶棚射流的卷吸特性与特征参数分布规律：（1）揭示矩形非轴对称火源顶棚射流的卷吸特性并提出其特征长度；（2）建立矩形非轴对称火源顶棚射流的火焰扩展长度模型；（3）建立矩形非轴对称火源顶棚射流的二维温度分布模型。本项目针对矩形非轴对称火源所建立的顶棚射流特征参数分布模型，能够同时涵盖轴对称、一般性矩形以及线性非轴对称火源，从而更具普适性，可以对现有的顶棚射流经典理论进行有效补充，具有一定的理论意义；对于指导建筑顶棚火灾探测和自动灭火装置的设计及安装，也具有参考价值。

顶棚射流是建筑室内火灾动力学的重要分过程，其经典理论模型均针对轴对称火源建立；经典模型过于理想化，无法适用于现实中由非轴对称火源引发的大部分火灾。该项目针对矩形非轴对称火源诱导的顶棚射流卷吸特性及特征参数开展研究，主要内容有：研究矩形非轴对称火源顶棚射流的卷吸特性，基于此得到适用于矩形火源顶棚射流的特征长度；建立矩形非轴对称火源顶棚射流的火焰扩展长度预测模型；建立矩形非轴对称火源顶棚射流的二维温度分布模型。.该项目圆满完成了既定的研究目标，得到了一系列重要成果：（1）针对矩形火源的卷吸特性和非轴对称流场结构，分析了其顶棚射流在火源长边和短边两个方向的卷吸特性差异，选取矩形火源火羽流横截面形态径向参数作为非轴对称顶棚射流的特征尺度，在矩形火源顶棚射流相关问题处理中取得了良好效果；（2）提出了利用未燃燃料质量处理顶棚射流的火焰扩展长度的思想，首次将火焰体积溢出分数引入理论推导中，建立了火焰扩展长度与火源特征尺度、自由火焰高度、卷吸特征长度之间的无量纲模型。基于火焰体积溢出分数的处理方法，将火焰撞击顶棚时释放的功率引入温度分布预测模型，用以代替总热释放速率，完善了顶棚射流的二维温度分布模型；（3）将所得火焰形态变化规律、顶棚射流火焰扩展及温升规律集成到大巴车火灾应急逃生平面三维演示系统中，建立了更加真实虚拟火灾场景。.该项目的科学意义在于：首次提出了利用体积溢出分数来处理顶棚射流的火焰扩展问题的方法，对经典理论进行了有效补充。这一处理方法已经被学术界内相同研究领域的众多学者所认可和借鉴，可以在今后处理类似科学问题时直接采用。本项目尝试将火灾科学规律集成到虚拟现实系统中，取得了较好的效果，可以为今后利用虚拟现实技术研究火灾情况下的人员疏散问题奠定基础。此外，项目取得研究成果对于建筑结构抗火设计，火灾探测、自动灭火设备的安装以及相关防火标准的制定都有一定的实际参考价值。