开放空间非对称双方形气体火源燃烧行为研究

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随着我国经济的发展与进步,多火源火灾发生频率近年来明显增加。多火源火灾又称群发性火灾,指非连续分布的两个或多个相邻的火源同时发生燃烧的火灾,是一种离散的、非连续性的可燃物燃烧现象,常见的多火源火灾发生地为森林、木制古建筑群、地下空间等具有相邻且离散的可燃物地区。多火源火灾的燃烧强度大,对建筑设施和建筑结构的破坏远高于单火燃烧,大大增加了消防救援难度,严重威胁人们的生命与财产安全。因此,研究多火源火灾不同于单火燃烧的燃烧规律,对提高城市、森林等易发生多火源燃烧场景的火灾监控与疏散救援具有重要的指导意义。本文以丙烷气体为燃料,采用边长D=10cm和D=15cm的方形燃烧器,间距设置在0~60cm,火源功率范围在10.8kW~64.8kW之间,共开展168组双火源实验和18组单火源对照实验,探究不同间距与热释放速率下的火焰相互作用。本文根据不同间距下稳定燃烧阶段的火焰形态,将非对称双火源之间的相互作用划分为完全融合、不完全融合、不融合三个阶段,定性描述了各阶段的火源之间相互作用行为,并通过引入火焰融合概率Pm将各阶段进行定量划分。文章研究了开放空间下非对称双方形气体火源相互作用,定性描述了融合概率与火焰高度随间距、功率的变化规律,并从空气卷吸机制出发分析其变化原因。采用量纲分析法对0.05<Pm<0.95工况的火焰融合概率进行多次拟合,提出适用于除完全融合(Pm≤0.05)与完全不融合(Pm≥0.95)外工况的火焰融合概率预测模型,得出火焰融合概率Pm与无量纲间距(S/(D1))的1.01次方成反比,与无量纲火源功率QD1*的0.19次方、QD2*的0.54次方成正比,并通过对比指数得出间距对融合概率的影响最大,Q2次之,Q1最小。以非对称火源的空气卷吸机制作为理论依据,分别建立不同阶段的火焰高度预测模型,提出不同阶段的火焰高度表达式:(1)完全融合火焰高度。可以看作燃烧面积为两个燃烧器面积之和的方形燃烧器,用等效单火源的边长作为特征长度来无量纲化火焰高度和火源功率,得到无量纲火焰高度(Zf,FM)/(DFM)与无量纲火源功率QDFM*的0.4次方成正比。(2)不完全融合火焰高度。综合考虑火源功率、燃烧器边长、间距等因素,提出了非对称双火源的空气卷吸模型,将整个火羽流区域划分为火焰区、附加区、环境区,通过伯努利方程、质量守恒定律与Burke-Shumann理论得出无量纲火焰高度(Zf,IM)/(Zf,S=0)的表达式,引入了表征不同间距下火焰区自由卷吸侧的空气卷吸速率比的参数γ,并通过计算发现不完全融合时,该参数可视为常量,值为γ=0.96,进一步得出了火焰高度与燃烧器边长、燃烧器间距、火源功率之间的关系式。(3)不融合火焰高度。分别对D=15cm和D=10cm的火源进行对比拟合,发现此时火焰高度与单火高度接近,可使用Heskestad经验公式直接计算。
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