顶部开口腔室油池火灾特性研究

船舶机舱是一类顶部开口的腔室，火灾时燃烧区由于难以卷吸到新鲜空气可能出现闷熄现象，所以，其火灾行为与带有垂直开口的建筑火灾行为显著不同。本项目通过模拟实验和理论分析相结合的方法，研究顶部开口腔室内油池火闷熄行为，寻找焖熄的机理和发生闷熄的判断条件。分析顶部开口条件、火源尺寸、腔室尺寸以及火灾位置等因素对火焰闷熄现象的影响，弄清池火从点燃到闷熄的燃烧时间（闷熄时间）以及火灾参数（包括燃烧速率、烟气温度与气体组分浓度等）的变化规律；综合相关实验结果，分析确定闷熄时间与火源当量直径、水平开口大小和腔室体积等因素的综合定量关系，以及腔室内火灾参数与这些因素的定量关系，建立判断顶部开口腔室池火闷熄的理论模型和参数预测模型。本研究可给出顶部开口腔室火灾基本参数预测模型及火焰闷熄的判断模型，从而为船舶机舱等典型腔室的火灾风险评估及灭火救援提供理论依据。

船舶机舱是一类顶部开口的腔室，火灾时燃烧区由于难以卷吸到新鲜空气可能出现闷熄现象，所以其火灾行为与带有垂直开口的建筑火灾行为显著不同。本项目建立了顶部开口可变的封闭腔室火灾实验台，发现顶部开口减小到一定程度时腔室油池火燃烧由燃料耗尽熄灭转化为燃料剩余而发生自熄灭行为。定义了开口因子以综合反映火源尺寸、舱室尺寸和开口大小对自熄灭行为的影响，从而建立了顶部开口腔室油池火自熄灭的临界几何条件。基于极限氧指数概念建立了无开口封闭腔室火焰自熄灭时间理论模型，发现无开口封闭腔室无量纲熄灭时间与无量纲火源体积成反比，无开口封闭腔室池火综合燃烧效率随无量纲火源体积增大而减小，并准确预测了NRL全尺度试验的自熄火时间。揭示了顶部开口流动与腔室池火熄灭行为的内在影响机制，基于量纲分析建立了耦合腔室尺寸、开口大小和火源面积的顶部开口腔室池火自熄火时间模型。发现了顶部开口腔室池火燃烧速率及脉动频率均小于开放空间值的特点，以及随顶部开口减小而出现游走火行为。发现顶部开口腔室池火在薄油池燃烧情况下存在沸腾燃烧行为，并揭示了小尺度薄油池火沸腾燃烧机理，以及游走火与沸腾燃烧的关系。发现了封闭腔室火灾烟气填充模式——火源下方反向充填现象，当烟气填充到火源面时滞止，然后由顶部射流形成的墙壁射流以及壁面冷流（壁面冷却形成重力流-反浮力流）流动到舱室底部，羽流卷吸作用促进烟气从底部向上完成填充。验证与修正了单区模型，基于分段线性温度分布假设，建立了封闭舱室火灾烟气温度预测模型；建立了耦合顶部射流平均温度模型、总热平衡模型和烟气层高度模型的各特征温度计算公式。揭示了顶部开口腔室池火发生闷熄的氧气浓度条件。火焰发生“缺氧熄灭”现象时，其卷吸气体中的氧气含量约处于13%~16%的范围，平均值为14.4%。顶部开口腔室池火燃烧效率因氧气浓度降低而不断降低。项目共计在国内外重要期刊和会议上发表（包括被录用）论文22篇，其中SCI收录期刊7(含一区期刊1篇)，EI收录期刊7篇，国内CSCD收录及核心期刊论文8篇。完成博士学位论文2篇，硕士学位论文1篇。项目可为我国船舶机舱等典型腔室的火灾风险评估及灭火救援提供理论依据和基础数据。