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多组分细水雾与扩散火焰相互作用的模拟研究

2020-11-22阅读(557)

多组分细水雾与扩散火焰相互作用的模拟研究

论文摘要

细水雾作为哈龙替代品之一，由于灭火高效、无毒，价格低廉和对环境友好等优良特性，在全球范围内受到普遍重视并获得广泛研究。但是，细水雾仍属于抑制熄灭火灾的物理方法，灭火效能要低于哈龙等化学灭火剂，并在某些特殊火灾场景下的应用存在局限性。因此通过向细水雾中添加其它物质，对细水雾的物理或化学性质进行改性，增强其物理灭火作用或增加化学灭火作用，成为国际火灾科学前沿研究热点之一。另一方面，细水雾的灭火机理复杂，影响细水雾灭火性能的因素众多。迄今为止，在细水雾灭火系统的设计与评价中还不能倚赖于一般性原则或统一标准，必须依照相应的实验和测试规范，这不利于细水雾灭火技术的推广应用。因此，发展合理可靠的数值预测方法，减少对实验的依赖，降低设计成本是拓展细水雾灭火技术应用的另一个关键所在。 解决上述两个问题的核心和基础是细水雾及添加剂与扩散火焰的相互作用。鉴于当前的研究现状，本文的研究目标有三方面：一是建立小尺度的扩散火焰装置，应用先进的实验诊断方法，深化认识细水雾、添加剂与火焰相互作用的机理；二是开展细水雾灭火有效性研究，探求影响细水雾灭火性能的因素与规律；三是建立细水雾与扩散火焰的相互作用模型。 研究的第一部分，即细水雾、添加剂与小尺度扩散火焰相互作用机理的研究。这部分在分析比较多种简单火焰装置的基础上，首先建立了同轴流动Cup Burner实验装置，并对该装置产生的CH4／air扩散火焰特性开展了实验与数值模拟研究。然后利用Cup Burner装置分别研究了纯细水雾和含添加剂细水雾与CH4／air扩散火焰的相互作用机理。最后利用Cup Burner装置测量了细水雾及添加剂作用下酒精火的临界灭火浓度。结果表明，Cup Burner火焰具有实际火灾火焰的基本特征，但也存在较大差异，即富氧燃烧与存在环形预混稳定燃烧区。因此Cupburner火焰比实际火灾火焰具有更不利的灭火条件，对应着灭火的“WorstCase”：在细水雾与Cup Burner火焰相互作用中，细水雾抑制性能不仅受到雾滴粒径与密度的影响，同样也受制于气相火焰结构。当细水雾与扩散火焰同轴流动，即使粒径为10μm的超细雾滴也很难被卷吸进火焰区，而是在向火焰区运动过程中，受到流场变化与阻力及自身重力的影响，与火焰“擦身而过”，难以充分发

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 主要符号表
  • 图例目录
  • 第一章 引言
  • §1.1 研究背景
  • §1.2 研究现状
  • §1.2.1 细水雾与扩散火焰的相互作用研究
  • §1.2.2 含添加剂细水雾与扩散火焰的相互作用研究
  • §1.2.3 细水雾与扩散火焰相互作用的数值模拟研究
  • §1.3 研究目标及思路
  • §1.4 本文的章节安排
  • 参考文献
  • 第二章 小尺度扩散火焰装置的研制与火焰特征研究
  • §2.1 引言
  • §2.2 Cup Burner装置设计思想
  • §2.3 Cup Burner实验台的研制
  • §2.3.1 Cup Burner燃烧器本体
  • §2.3.2 燃料输运与控制系统
  • §2.3.3 氧化剂输运与控制系统
  • §2.3.4 细水雾产生、输运与控制系统
  • §2.4 测量方法与设备
  • §2.4.1 温度测量
  • §2.4.2 组分浓度测量
  • §2.4.3 气体流量测量的较正
  • §2.4.4 燃烧速率测量
  • §2.4.5 图像数据采集
  • §2.5 Cup Burner火焰特征研究
  • 4/Air扩散火焰特征的实验研究'>§2.5.1 CH4/Air扩散火焰特征的实验研究
  • 4/Air扩散火焰特征的数值模拟'>§2.5.2 CH4/Air扩散火焰特征的数值模拟
  • §2.6 小结
  • 参考文献
  • 第三章 细水雾与小尺度扩散火焰的相互作用研究
  • §3.1 引言
  • §3.2 细水雾特性实验测量
  • §3.2.1 LDV/APV测量方法
  • §3.2.2 测量结果与分析
  • §3.3 细水雾抑制小尺度扩散火焰的实验研究
  • §3.3.1 实验方法
  • §3.3.2 实验结果与分析
  • §3.4 细水雾抑制小尺度扩散火焰的理论分析
  • §3.5 细水雾抑制熄灭小尺度扩散火焰的动态过程分析
  • §3.6 小结
  • 参考文献
  • 第四章 含添加剂细水雾与小尺度扩散火焰的相互作用研究
  • §4.1 引言
  • §4.2 复合型细水雾添加剂的组成与性能
  • 4/air扩散火焰的实验研究'>§4.3 含添加剂细水雾抑制小尺度CH4/air扩散火焰的实验研究
  • §4.3.1 实验方法
  • §4.3.2 实验结果与分析
  • §4.3.2.1 添加剂类型对细水雾抑制火焰能力的影响
  • §4.3.2.2 添加剂浓度对细水雾抑制火焰能力的影响
  • §4.4 含金属氯化物细水雾的灭火机理分析
  • §4.5 含添加剂细水雾熄灭小尺度酒精火焰的临界灭火浓度研究
  • §4.5.1 实验方法
  • §4.5.2 实验结果与分析
  • §4.6 小结
  • 参考文献
  • 第五章 细水雾与典型液体池火和固体木垛火相互作用的实验研究
  • §5.1 引言
  • §5.2 细水雾特性实验测量
  • §5.3 细水雾与液体柴油池火相互作用的实验研究
  • §5.3.1 实验方法
  • §5.3.2 实验结果与讨论
  • §5.3.2.1 细水雾与柴油池火相互作用的典型过程
  • §5.3.2.2 添加剂对细水雾抑制熄灭柴油池火有效性的影响
  • §5.3.2.3 喷头类型对细水雾抑制熄灭柴油池火有效性的影响
  • §5.3.2.4 遮挡条件对细水雾抑制熄灭柴油池火有效性的影响
  • §5.3.3 细水雾抑制熄灭柴油池火的临界灭火条件分析
  • §5.4 细水雾与固体木垛火相互作用的实验研究
  • §5.4.1 实验方法
  • §5.4.2 实验结果与讨论
  • §5.4.2.1 固体木垛火典型燃烧过程
  • §5.4.2.2 细水雾与固体木垛火相互作用的典型过程
  • §5.4.2.3 预燃时间对细水雾抑制熄灭木垛火有效性的影响
  • §5.4.2.4 添加剂对细水雾抑制熄灭木垛火有效性的影响
  • §5.5 小结
  • 参考文献
  • 第六章 细水雾与扩散火焰相互作用的数值模拟研究
  • §6.1 引言
  • §6.2 细水雾与扩散火焰相互作用的物理数学模型
  • §6.2.1 气相模型（火模型）
  • §6.2.1.1 湍流模型
  • §6.2.1.2 燃烧模型
  • §6.2.1.3 辐射模型
  • §6.2.2 细水雾模型
  • §6.2.2.1 雾滴的运动
  • §6.2.2.2 雾滴的蒸发与传热
  • §6.2.2.3 雾滴与热辐射的相互作用
  • §6.2.3 细水雾灭火模型
  • §6.2.3.1 气相灭火模型
  • §6.2.3.2 表面相灭火模型
  • §6.2.4 模拟工具
  • §6.3 细水雾与固体PMMA扩散火焰相互作用的数值模拟
  • §6.3.1 物理模型
  • §6.3.2 典型数值模拟结果与分析
  • §6.3.2.1 细水雾与PMMA气相扩散火焰相互作用的模拟结果
  • §6.3.2.2 细水雾与PMMA燃烧表面相互作用的模拟结果
  • §6.3.3 喷头压力对细水雾与PMMA扩散火焰相互作用的影响
  • §6.3.4 模型预测值与实验测量结果的比较
  • §6.4 小结
  • 参考文献
  • 第七章 结论与展望
  • §7.1 论文结论
  • §7.2 论文创新点
  • §7.3 进一步工作展望
  • 攻读博士学位期间完成的论文
  • 致谢
  • 作者简介

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