本文關(guān)鍵詞： 火災(zāi) 煙氣 水顆粒 沉降 水噴淋 水噴霧　出處：《武漢大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：火災(zāi)煙氣對(duì)火場(chǎng)人員安全逃生構(gòu)成巨大的威脅,火災(zāi)人員傷亡大多是由火災(zāi)煙氣造成的。雖然自動(dòng)水噴霧(淋)系統(tǒng)作為消防設(shè)施被廣泛應(yīng)用于建筑中,但這些系統(tǒng)噴出的水顆粒能夠擾亂或破壞火災(zāi)煙氣層的穩(wěn)定,并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的煙氣沉降現(xiàn)象,給火災(zāi)時(shí)人員疏散帶來一定的安全隱患。由于缺乏足夠的知識(shí)去理解該現(xiàn)象,以至于在隧道中是否設(shè)置自動(dòng)水噴霧(淋)系統(tǒng)長期存在爭論。目前,幾乎沒有歐洲國家將自動(dòng)水噴霧(淋)系統(tǒng)作為常規(guī)的隧道消防設(shè)施。 研究和預(yù)測(cè)水顆粒作用下煙氣的沉降現(xiàn)象的前提,是充分認(rèn)識(shí)和理解水顆粒與煙氣間的相互力作用及傳熱過程,這涉及復(fù)雜的兩相流理論。通常,水顆粒對(duì)煙氣的冷卻作用和拖曳力作用被視為煙氣在水噴霧(淋)條件下沉降的兩個(gè)基本機(jī)理。在大量假定基礎(chǔ)上,甚至忽略水顆粒與火災(zāi)煙氣間的相互熱傳遞,經(jīng)典理論指出,通過比較水顆粒對(duì)煙氣施加的向下拖曳力與煙氣自身所具有的向上浮力,可判斷煙氣層是否會(huì)發(fā)生沉降。本研究借鑒了此力學(xué)平衡思想,但同時(shí)指出煙氣層內(nèi)被水顆粒冷卻的煙氣區(qū)域應(yīng)表現(xiàn)出向下的浮力。由于經(jīng)典理論忽視了這一點(diǎn),使得它在一般情況下并不成立,需要進(jìn)行修正。因此,本研究將建立一個(gè)新的模型,該模型可用于現(xiàn)有火災(zāi)區(qū)域模型,來預(yù)測(cè)在水顆粒作用下的火災(zāi)煙氣沉降距離。此外,本研究課題還采用了模擬實(shí)驗(yàn)及CFD數(shù)值模擬等研究手段。 因而,本論文主要由四個(gè)部分組成。第一部分是實(shí)驗(yàn)部分,實(shí)驗(yàn)通過改變火源條件、煙氣層溫度、煙氣層厚度以及噴水壓力,觀測(cè)了不同實(shí)驗(yàn)條件下的煙氣沉降距離,并獲得了有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,指出低溫?zé)煔庠诟邍娝畨毫l件下易發(fā)生嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象。此外,通過測(cè)試和分析噴霧前、后的煙氣的溫度分布規(guī)律,辨析了水顆粒的卷吸作用對(duì)煙氣沉降的重要性。該實(shí)驗(yàn)成果不僅是本文第二部分模型建立的基礎(chǔ),也為CFD數(shù)值模擬(本文第三部分)提供了模擬參數(shù)和對(duì)比數(shù)據(jù)。 在本文第二部分中,以適用于現(xiàn)有火災(zāi)區(qū)域模型為目的,建立了火災(zāi)煙氣在水顆粒作用下沉降距離的理論預(yù)測(cè)模型。模型是以一定的假設(shè)條件為基礎(chǔ),首先建立了水顆粒與煙氣相互作用區(qū)域內(nèi)新的合力平衡體系,即水顆粒對(duì)煙氣施加的向下拖曳力、水顆粒對(duì)煙氣冷卻導(dǎo)致煙氣具有的向下浮力以及煙氣沉降到下層冷空氣層具有的向上浮力之間的平衡,通過該合力平衡體系可量化煙氣在水顆粒作用下的沉降距離,也進(jìn)一步說明了經(jīng)典的Bullen理論存在的缺陷。在模型中,通過跟蹤計(jì)算單個(gè)水顆粒的動(dòng)力學(xué)特性而獲得整個(gè)噴霧(淋)區(qū)域形狀以及區(qū)域內(nèi)水顆粒對(duì)煙氣的拖曳力大小,同時(shí)還考慮了水顆粒對(duì)煙氣的冷卻作用,以及在水顆粒卷吸作用下噴霧(淋)區(qū)域內(nèi)、外的氣體傳質(zhì)過程。模型所需的輸入?yún)?shù)包括：噴頭流量速率、噴頭孔徑、水顆粒初始粒徑、水顆粒初始溫度、噴射角度、初始煙氣層厚度及溫度。模型輸出參數(shù)則有：水顆粒速度、水顆粒軌跡、水顆粒粒徑、拖曳力、煙氣浮力、噴霧(淋)區(qū)域內(nèi)煙氣速度及溫度、被卷吸的氣體質(zhì)量速率、水顆粒與煙氣間的熱交換速率及煙氣沉降距離。其中,煙氣沉降距離是根據(jù)煙氣減速為零時(shí)的位置計(jì)算得到。 本文還通過一系列實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了模型預(yù)測(cè)煙氣沉降距離的精度,由于結(jié)果表明模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)平均顆粒粒徑(通過Cm)和噴射角度(θ)較為敏感,通過敏感性分析為實(shí)驗(yàn)噴頭的上述兩參數(shù)提出了合理的推薦值。模型預(yù)測(cè)水顆粒與煙氣間的熱交換速率的精度則通過另一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn),對(duì)比結(jié)果同樣顯示了良好的預(yù)測(cè)結(jié)果。 此外,還開展了大量的模型測(cè)試研究,測(cè)試變量包括噴射角度、水顆粒粒徑、水顆粒初始速度、噴頭流量速率、煙氣層溫度及厚度�；谏鲜鰷y(cè)試,仔細(xì)分析和研究了單個(gè)水顆粒在不同條的運(yùn)動(dòng)特性,水顆粒與周圍氣體環(huán)境的相互作用現(xiàn)象以及不同噴霧(淋)條件下的煙氣沉降規(guī)律。研究表明噴霧(淋)區(qū)域形狀與水顆粒粒徑有密切關(guān)系。另外,部分實(shí)驗(yàn)結(jié)論也得到模型測(cè)試結(jié)果的確認(rèn),例如,在低溫?zé)煔庠诟邍娝畨毫l件下易發(fā)生嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象。研究還指出在一定的噴霧條件下,因煙氣溫度造成的煙氣沉降距離的差異并不受煙氣厚度的明顯影響,但該結(jié)論并不適用于較簿或較低溫的煙氣層。再者,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣層厚度薄于一個(gè)臨界值時(shí),煙氣沉降距離會(huì)驟升,表明此時(shí)煙氣容易直接接沉降至地面,該現(xiàn)象是由于大量冷空氣被卷吸進(jìn)入沉降煙氣導(dǎo)致煙氣向上浮力減小,而高噴水壓力(高流量速率、小顆粒平均粒徑)、低煙氣溫度和小噴射角度會(huì)使得發(fā)生該現(xiàn)象的臨界煙氣層厚度變薄。因而,在實(shí)際火災(zāi)中,由于薄煙層形成的階段是火災(zāi)初期蓄煙階段,且煙氣溫度相對(duì)較低,所以此時(shí)開啟噴淋最可能會(huì)引起嚴(yán)重的煙氣沉降現(xiàn)象,對(duì)人員疏散造成不利的影響。從這方面考慮,減小噴頭流量速率或延遲響應(yīng)可能是合適宜的。 本論文第三部分主要是對(duì)噴霧條件下煙氣沉降現(xiàn)象進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。為了說明該現(xiàn)象能很好地被CFD模擬和預(yù)測(cè),將模擬結(jié)果與第一部分開展的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。CFD模擬工具選用了是基于LES (large eddy simulation)湍流模擬的FDS(Fire dynamic simulator)對(duì)比內(nèi)容包括噴霧前、后的溫度分布及噴霧后的煙氣沉降距離,對(duì)比結(jié)果顯示FDS均較好地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,模擬顯示的詳細(xì)流場(chǎng)信息也進(jìn)一步確認(rèn)了實(shí)驗(yàn)研究所強(qiáng)調(diào)的卷吸現(xiàn)象。 最后,本論文采用FDS初步討論了隧道火災(zāi)煙氣在水噴淋條件下的沉降現(xiàn)象和規(guī)律。模擬工況考慮了不同的噴淋條件及兩種隧道通風(fēng)條件：自然通風(fēng)及2m/s的縱向通風(fēng)。研究表明隧道火災(zāi)煙氣沉降與火源規(guī)模、噴淋條件及隧道通風(fēng)有密切關(guān)系。在隧道自然通風(fēng)條件下,單個(gè)噴頭對(duì)初期火災(zāi)煙氣有強(qiáng)烈的沉降作用,煙氣被直接沉降到地面,但此時(shí)沉降煙氣對(duì)下部空問能見度影響較弱,這符合模型測(cè)試研究結(jié)論,即初期火災(zāi)煙氣具有溫度低、厚度薄的特點(diǎn),易發(fā)生沉降,且煙氣在沉降過程中會(huì)卷吸大量空氣。隨著火災(zāi)的發(fā)展,伴隨著更多火災(zāi)煙氣被沉降到地面,能見度也不斷下降。然而,當(dāng)煙氣溫度隨著火災(zāi)規(guī)模的變大而不斷升高后,隧道下部的能見度會(huì)有所提高,表明此時(shí)煙氣沉降程度較小。而在隧道縱向通風(fēng)條件下,縱向風(fēng)速會(huì)加速破壞火源下游煙氣層的分層現(xiàn)象,但有利于維持上游回流煙氣層的穩(wěn)定。研究還指出無論在何種通風(fēng)條件下,隨著噴頭流量速率的提高和噴頭個(gè)數(shù)的增加,煙氣均可能發(fā)生嚴(yán)重的沉降。此外,火源對(duì)周圍氣體的卷吸作用加速了煙氣在隧道底部的擴(kuò)散,使得火場(chǎng)附近的能見度降低得更快。上述研究結(jié)論均能很好地被本文相關(guān)理論研究所詮釋。第二部分建立的理論模型甚至可以較好地反映在隧道自然通風(fēng)及單個(gè)水噴淋條件下的煙氣沉降現(xiàn)象。另外,模擬結(jié)果還反映了理論模型對(duì)區(qū)域溫度分布描述的合理性。根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn),為避免或緩解實(shí)際隧道中自動(dòng)水噴霧(淋)系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)煙氣產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降作用,提出如下建議和參考：不同的噴霧(淋)條件對(duì)煙氣沉降作用程度不同,在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮噴頭選型及噴水壓力,可輔助于本文所建立的理論模型及FDS模型進(jìn)行評(píng)價(jià)；盡可能僅開啟直接作用于火源的噴頭,從而減小與煙氣相互作用的噴頭數(shù)量;對(duì)于縱向通風(fēng)方式的隧道,若火源下游附近無疏散人員,應(yīng)將隧道縱向風(fēng)速開到最大,一方面縮短煙氣回流的距離,甚至完全抑制煙氣回流,另一方面也有利于維持回流煙氣層在水噴霧(淋)條件下的穩(wěn)定,然而若火源下游附近仍有疏散人員,需慎重開啟水噴霧(淋)系統(tǒng)。 總而言之,本論文研究有利于更好地理解水顆粒與煙氣間的相互作用,闡述了火災(zāi)煙氣層在水顆粒作用下的基本沉降規(guī)律。所建立的理論模型可用于預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)實(shí)際煙氣在水噴霧(淋)作用下的沉降程度。與此同時(shí),一些研究結(jié)論可為自動(dòng)水噴霧(淋)系統(tǒng)在實(shí)際隧道中的設(shè)計(jì)及控制提供的依據(jù)和參考。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TU998.1

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