【摘要】：船舶在當代民事和軍事應用中扮演著越來越重要的角色,且頂部開口腔室廣泛存在于艦船艙室中。由于水平開口的特殊性,水平開口流動與傳統(tǒng)的垂直開口流動有著本質不同,垂直開口流動會在開口處形成穩(wěn)定的分層流動,而水平開口流動則會在開口處產生復雜不規(guī)則的振蕩流動。因此,了解火誘導下的水平開口流動行為和機制是船舶火災安全的重要組成部分,并能為船舶火災預防以及通風系統(tǒng)設計提供數據及理論的基礎。為了進一步研究火誘導下的開口流動與腔室火行為的耦合特性,本文對火誘導的開口流動行為、水平開口受限腔室內的火行為以及火行為與流動行為的相互作用開展了實驗與理論研究,其中考慮了不同開口尺度與不同火源尺度,并給出了火誘導下水平開口流動模型。本文的主要工作與結論如下： 分析了火誘導下的水平開口流動行為,主要針對于流動形態(tài)和振蕩行為。開口流動形態(tài)是揭示開口流動規(guī)律的一個重要因素。本文利用攝像機和激光技術在實驗過程中觀察到了三種開口流動形態(tài),分別是單向流、雙向流和混合流。本文引入分別基于鹽水實驗和數值計算的Cooper和Chow的理論來預測真實火災情況下的開口流動形態(tài)。結果表明這些理論經過相應的修正后是可以用于預測火災情況下的開口流動形態(tài)。提出了利用開口面積比(開口面積和燃料面積之比)與浮力數的關系來劃分這三種開口流動形態(tài),同樣地,流動形態(tài)的劃分還可利用開口面積比與煙氣流動面積比的關系。通過煙氣可視化方法可以觀測到開口流動振蕩行為,可利用開口煙氣面積和開口煙氣溫度來表征開口流動振蕩。開口煙氣面積的振蕩頻率會隨著水平開口尺寸的增大而減小,而煙氣溫度振蕩頻率則隨著熱釋放速率的增加呈現增長趨勢。本文還對開口處煙氣溫度振蕩頻率的經驗公式進行了驗證。 研究了水平開口受限腔室內的火行為。通過不同油池直徑、不同頂部開口尺寸、從燃料控制向通風控制轉變范圍等大量可變條件來研究水平開口對油池火脈動行為的影響。隨著水平開口尺寸的增加,平均火焰高度呈二項分布,且平均火焰高度與直徑的比值可與水平通風因子進行關聯(lián)。火焰脈動頻率符合與油池直徑之間的一貫關系,同時也揭示了火焰脈動頻率與頂部開口尺寸之間的關系。考慮了腔室對燃料揮發(fā)速率的影響,提出了一種斯特勞哈爾數(St)和弗勞德數(Fr)的關系來表征火焰脈動。研究了水平開口對腔室火災參數的影響,如平均質量損失速率、熄火時刻的氧氣濃度、平均氣體溫升速率以及全密閉和受限空間內的腔室壓力�；谀芰渴睾愫脱鯘舛仁睾憬Y合理論化簡,提出了耦合水平開口和燃料面積的無量綱水平通風因子,并利用水平通風因子來分析腔室內的火災參數。綜合頻率的研究是為了揭示火行為與開口流動行為的相互作用,隨著水平開口的變化,火焰脈動頻率和開口流動振蕩頻率的乘積保持不變,且該乘積取決于油池火自身參數。 基于多層劃分的思想,提出了水平開口處的火誘導開口流動模型�？紤]到開口結構參數和流動形態(tài),對火誘導的流動過程和流動機制進行了討論。描述了單向流動和雙向流動所呈現出的不同流動輸運過程,以及對流出煙氣和流入空氣進行力學分析后所呈現出的不同流動機制�；诙鄬訁^(qū)域劃分,分別對單向流動和雙向流動建立了火誘導的開口流動模型。利用激光技術和皮托管提出了一種測量水平開口處質量流速的實驗方法,可分別得到單向流和雙向流的質量流出速率和質量流入速率。通過比較理論值和實驗結果后,對本文所提出的開口流動模型的可行性進行了驗證。
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【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U698.4

【參考文獻】

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本文編號：2383918