房间火灾是建筑火灾研究的经典问题,经过火灾研究者几十年的不懈努力,人们对于普通房间火灾的发展过程有了深入的认识,建立了大量的经典理论。然而,部分理论在诸如船舶舱室、地下建筑和中庭等顶部开口腔室火灾中并不适用,顶部开口腔室火灾研究依然面临着巨大的挑战与机遇。本文针对顶部开口控制的腔室特殊火灾现象及其临界条件开展研究,其中特殊火灾现象特指顶部开口腔室中的火灾自熄灭现象和游走火现象。为了确定顶部开口腔室火灾发展的边界条件,首先对存在浮力影响的水平开口流动(边界条件)进行了数值模拟研究;利用理论分析、实验研究和数值模拟计算等方法对两种特殊的火灾现象：自熄灭现象和游走火现象分别开展研究；基于无量纲分析,推导控制顶部开口腔室火灾的无量纲参数,最终建立典型火灾参数的无量纲预测模型。本文主要的研究内容和结论包括：开展了压力与浮力诱导的水平开口流动数值模拟研究。分别开展了纯浮力诱导的和浮力与压力联合诱导的水平开口流动数值模拟研究,得到了浮力差和压力差对水平开口流动的流动形态、流动速率和振荡频率的影响规律。研究发现浮力诱导的水平开口流动主要受Rayleigh-Taylor不稳定性控制,开口流动呈周期性的振荡双向流动,在振荡过程中流体的分界面会经历线性发展、非线性增长、剪切耗散和分离混合若干阶段。浮力与压力联合诱导的水平开口流动受压力的影响较大。当0<△P/ΔPcri<1时,开口流动仍然呈周期性的振荡双向流动,但从压力较大一侧向压力较小一侧的流动显著大于反向的流动,且振幅随压力差的增大而降低；当△尸/△Pcri>1时,开口流动呈稳定的单向流动。研究结果验证了Epstein和Cooper基于盐水模拟提出的开口流率计算方程在气体流体介质中的适用性。开展了顶部开口腔室火灾自熄灭现象实验研究。获取了不同开口尺寸和火源功率情况下多种燃料的质量损失速率、烟气温度、氧气浓度等参数,确定了自熄灭现象的边界条件,利用能量和组分守恒方程对自熄灭现象的传热传质过程进行分析。研究发现顶部开口腔室火灾存在两种典型的熄灭模式：燃料受限导致的火灾熄灭和通风受限导致的火灾自熄灭。顶部开口腔室内传质过程是控制火灾自熄灭的决定因素,氧气的组分传递过程是控制火灾自熄灭的关键,而能量变化为组分的变化提供了边界条件。基于绝热火焰温度理论得到了火灾自熄灭现象的临界条件,不同烟气环境温度情况下,火灾的自熄灭临界氧气浓度不同,火灾自熄灭的临界氧气浓度随着腔室内气体温度的上升而缓慢下降。开展了顶部开口腔室游走火现象实验研究和数值模拟研究。分别对顶部开口方形腔室和狭窄腔室的游走火现象开展实验研究,对狭窄腔室火灾诱导的气体流动开展数值模拟计算。揭示了通风状况、沸腾燃烧、火源功率、气体流动等因素对游走火现象的影响规律,研究结果表明顶部开口腔室的通风状况和火源功率对游走火现象的出现有重要影响,沸腾燃烧能够大幅度增大油池火的质量损失速率,但不是影响游走火现象出现的直接原因。研究还发现游走火现象仅出现在较大开口情况下自熄灭现象的临界边界附近发生,在开口较小时,无论如何改变火源功率都不会出现游走火现象,这间接证明了游走火现象与腔室内的气体流动状况有关。采用预混火焰稳定理论对游走火现象进行解释,当火焰稳定时,当地的火焰传播速度SL等于当地的预混气体流速uL,而当uL>SL,时火焰会被“吹离”原位置。根据实验和数值模拟结果得到了基于氧气浓度和气体流速的游走火现象临界条件。推导了控制顶部开口火灾发展的无量纲参数,利用无量纲参致整理得到了典型火灾参数的无量纲预测模型。基于质量、能量和组分守恒方程推导得到两个无量纲参数,分别为Av.5/4/Qf和hAsTα/Qf,其中,Av5/4/Qf主要与腔室的通风状况有关,而hA5T∞/Qf则与腔室的热损失有关。通过分析乙醇油池火实验结果发现,证明了Qf/Av5/4是描述顶部开口腔室火灾通风状况的重要参数。采用第3章和第4章实验数据,得到了参数Qf/Av5/4对熄灭时间、烟气温度、羽流温度和氧气浓度的预测模型。随着参数Av5/4/Qf增大,可以将顶部开口腔室火灾发展过程分为四类：通风受限的自熄灭火灾、可能出现游走火现象的临界火灾、稳定燃烧火灾和自由燃烧火灾。