狭长通道顶部障碍物作用下烟气密度跃变特性研究
作者单位：重庆大学
学位级别：硕士
导师姓名：阳东
授予年度：2022年
学科分类：03[法学] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 0838[工学-公安技术] 0306[法学-公安学]
摘 要：现代建筑中涌现出的狭长建筑,由于结构的特殊性,一旦发生火灾,其火场的演化规律以及火灾烟气的蔓延特性与传统高大空间中差别较大。而狭长建筑中的走廊、地下通道、隧道等结构,往往承担着疏散人员、连通各房间等任务,火灾发生时,发挥着至关重要的作用,同时也会受到较大的影响。另外,在狭长通道顶部,若存在挡烟垂壁、横梁以及横向布置的管道等障碍物,一定条件下也会引起烟气层密度跃变的发生。而当烟气发生密度跃变时,即烟气层从超临界流向亚临界流转化时,将卷吸大量环境空气,导致其厚度增大,质量流量增加,进而影响到排烟量的设计,而目前的排烟量设计未考虑这些动力学行为导致的烟气量增加。相较于全尺寸实验和数值模拟,盐水实验易于控制、可视性强且能够获得整个流场的密度和速度分布。因此,本文采用盐水实验法和理论分析,研究狭长通道内火灾烟气等浮力驱动流的密度跃变发生条件及跃变特性。首先,文章分别阐述了盐水实验方法、光衰减技术以及MATLAB数据处理技术。通过相似理论建立模型实验参数与实际火场参数的比例关系,并依照比例尺进行实验模型的设计。其次,介绍了用于实验数据采集的光衰减技术的相关原理和操作步骤,并阐述了如何利用MATLAB软件进行数据的处理以及图像的呈现。此外,介绍了本课题的实验方案及工况的设置,并对盐水实验用于模拟火灾烟气等浮力驱动流的优缺点进行了分析讨论。然后,本文分别研究了水平狭长通道顶部无障碍物和有障碍物两种条件下,浮力流稳定状态时的蔓延特性。实验中通过改变源浮力通量和障碍物高度,探究密度跃变的发生条件以及跃变前后浮力流厚度、质量流量等的变化特性。结果表明,当水平狭长通道顶部无障碍物时,仅通过增大源浮力通量,不能使浮力流沿程的厚度和弗劳德数发生明显变化。浮力流的沿程Fr值始终在0.6～0.8的范围内,其始终处于亚临界状态,未发生密度跃变。然而,水平狭长通道的顶部障碍物能够引起其下游浮力流发生密度跃变,且密度跃变的强度与障碍物无量纲高度有关,而与源浮力通量无明显关系。密度跃变上下游厚度之比随障碍物高度的升高而增大,而上下游弗劳德数之比、质量卷吸比均随障碍物的升高呈现先增大后减小的趋势。当障碍物无量纲高度b/H为0.267时卷吸比的最大值达到0.3以上,因此,顶部障碍物能够导致烟气量增长超过30%。此外,讨论了密度跃变过程的最大卷吸比与上游弗劳德数的关系,与Qu的数值模拟结果以及Regev的理论模型进行对比发现,卷吸比的实验和模拟结果最大能够达到理论值的2倍,造成此误差的原因是理论推导中忽略了烟气的热分层以及其与环境空气的密度差。最后,研究了倾斜狭长通道顶部障碍物作用下的浮力流密度跃变发生条件及变化特性。通过理论分析,推导出关联跃变上、下游流动特性参数与倾斜狭长通道尺寸参数的关系式,并对方程式进行数值求解,得到了卷吸比随上游弗劳德数以及障碍物高度的变化曲线。实验中通过改变源浮力通量、障碍物高度以及障碍物与浮力源之间的距离,得到了倾角为3°的倾斜狭长通道浮力流密度跃变发生条件:当顶部障碍物无量纲高度b/H≥0.200时,在障碍物上游浮力流将发生密度跃变。当障碍物高度越高,或浮力源与障碍物的距离越近时,密度跃变卷吸比越小。并且,将实验所得卷吸比与理论结果进行对比,发现理论卷吸比仅在障碍物无量纲高度0.74≤b/h≤1.05范围内时存在正值,而实验中当b/h超过该范围时,密度跃变仍能够发生,且存在卷吸比。此外,将倾斜通道与水平通道卷吸比的理论曲线进行对比,发现在水平通道中,当b/h为0.29时将不再发生密度跃变,而对于倾角为3°的倾斜通道,浮力流在b/h为0.74～1.05范围内发生密度跃变并产生卷吸。并将理论模型与Regev的理论曲线进行对比发现,相同Fr下,卷吸比小于Regev理论模型的卷吸比。本文的研究结论为分层流密度跃变理论提供了实验支撑,并且能够为狭长通道的防排烟设计的排烟量选定提供定量依据。
同方学位论文库