低气压受限空间轰燃规律的实验研究

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轰燃是受限空间内火灾由局部发展为全局的重要标志。飞机货舱作为典型的受限空间,其内部大气压力低、通风条件差、可燃物种类多、火灾荷载大。一旦发生火灾,可燃烟气将迅速在顶部大量聚积,在较短的时间内发展至轰燃,严重威胁机上人员的生命财产安全。而且我国建有大量的高高原机场,高海拔低气压环境下的火行为、浮力作用、火焰结构均与常压下呈现出不同的特征,轰燃发生的临界条件也会有所差异。因此,开展低气压受限空间轰燃规律的实验研究具有重要意义。本文利用1/4体积美国联邦航空局标准飞机货舱,自主设计并搭建了受限空间轰燃实验平台。火源选择正庚烷、航空煤油和无水乙醇,以单壁瓦楞纸箱被引燃作为轰燃发生的判据,在广汉(96 k Pa)与康定机场(60 k Pa)两个大气压力下开展了一系列受限空间轰燃实验研究。测量并计算了受限空间内部的热烟气层平均温度、地板所受辐射热通量、火源质量损失速率、火源热释放速率和烟气浓度,并记录了火灾发展的过程。研究发现,低气压环境下引发轰燃所需的临界条件更高。96 k Pa大气压力下引发轰燃所需的临界条件为,热烟气层平均温度达到454℃,地板所受辐射热通量达到14.4k W/m~2;而60 k Pa大气压力下,上述两值则分别为551℃和19.6 k W/m~2。受限空间火灾轰燃可以分为四个阶段:孕育阶段、爆发阶段、完全发展阶段和消退阶段。油盘尺寸的增大会造成热烟气层平均温度和地板所受辐射热通量的增大,提高了轰燃发生的可能性和轰燃的剧烈程度。在达到引发轰燃所需的临界油盘尺寸后,继续增大油盘尺寸,轰燃发生的时刻将会提前。通过对引发轰燃所需的临界油盘尺寸与火源热物性参数的拟合,发现引发轰燃所需的临界油盘尺寸与火源的燃烧热成反比,与火源的蒸发热成正比。轰燃的发生会导致火源接收到的热反馈突然上升,因此火源热释放速率会发生突变并在短时间内迅速提高。随着燃烧的进一步加剧,火源会被加热至整体沸腾状态,此时油盘底部的固-液交界面会持续地产生气泡,即所谓的泡核沸腾。这一现象导致火源飞溅至油盘外面,进而火源热释放速率达到峰值。轰燃的发生会更快地消耗O2并产生更高浓度的CO2和CO。池火在燃烧过程中消耗的O2量与火源中的碳氢含量相关。火源中的碳氢含量越高,其在燃烧过程中消耗的O2越多,产生的CO2和CO也越多。本文在经典轰燃非线性动力学模型的基础上,将受限空间尺寸、开口尺寸、火源参数、流体参数、烟气参数、热传导系数以及火源的热物性参数等非线性动力学模型计算参数与低气压耦合起来,求解了60 k Pa大气压力下预测模型的计算结果并与实验结果进行对比。发现修正后的轰燃非线性动力学模型能够较为准确地预测轰燃的发生与否。
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