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狭长通道顶部障碍物作用下烟气密度跃变特性研究

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狭长通道顶部障碍物作用下烟气密度跃变特性研究

作者：陈艺蕾重庆大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：狭长通道火灾烟气浮力驱动流密度跃变盐水实验

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狭长通道内细水雾型水幕阻烟性能实验研究

哈尔滨工程大学学报 2017年第11期38卷 1751-1756页

作者：梁强李炎锋李俊梅北京工业大学建筑工程学院北京100124 中国人民武装警察部队学院消防指挥系河北廊坊065000

针对阻止狭长通道内火灾烟气水平蔓延的问题,本文提出利用细水雾型水幕防烟分隔方法,搭建实验台研究细水雾型水幕在狭长通道中阻烟的效果。通过分析烟气蔓延过程,测量温度分布,O2、CO2和CO浓度变化以及通道内照度变化,讨论狭长通道内细... 详细信息

针对阻止狭长通道内火灾烟气水平蔓延的问题,本文提出利用细水雾型水幕防烟分隔方法,搭建实验台研究细水雾型水幕在狭长通道中阻烟的效果。通过分析烟气蔓延过程,测量温度分布,O2、CO2和CO浓度变化以及通道内照度变化,讨论狭长通道内细水雾型水幕阻烟的有效性。实验结果表明:细水雾开启后,其下游空间环境得到改善,可以满足安全疏散的环境要求,狭长空间内细水雾型水幕的阻烟性能良好。实验为狭长通道(隧道、长走廊)的防排烟设计提供了思路,对火场救援和人群疏散具有重要意义。

关键词：火灾狭长通道细水雾细水雾型水幕烟气扩散烟气控制

基于哈斯效应的狭长通道声音诱导人员疏散技术研究

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基于哈斯效应的狭长通道声音诱导人员疏散技术研究

作者：刘雨西南交通大学

学位级别：硕士

狭长受限空间内发生火灾等紧急情况时,人员面临着高温有毒烟气和低能见度的危险环境,需快速疏散。疏散信息的传递和获取是人员快速疏散的关键,相比于一般建筑物,狭长通道光照条件差、通向外界的出口少,诱导设施对人员疏散有直接影响,也... 详细信息

狭长受限空间内发生火灾等紧急情况时,人员面临着高温有毒烟气和低能见度的危险环境,需快速疏散。疏散信息的传递和获取是人员快速疏散的关键,相比于一般建筑物,狭长通道光照条件差、通向外界的出口少,诱导设施对人员疏散有直接影响,也是向疏散者传递信息的关键途径。而在低能见度环境,疏散指示标志和应急照明受烟雾遮挡,对其诱导效果有一定影响。因此,本文针对低能见度的疏散环境,利用声音的辨向特性,在狭长通道中开展基于哈斯效应的声音诱导系统参数设置研究和人员疏散试验,分析声音诱导系统的最优参数设置方案,研究声音诱导下人员疏散特性及典型疏散行为,对提高人员逃生几率、保障人员的生命安全具有重要意义。本文构建了狭长通道声音诱导系统参数设置方案,开展了有/无声音诱导、不同能见度下的人员疏散时间、行走速度、疏散路径选择、典型疏散行为及心理特性研究,主要研究内容与结论如下:(1)首先通过开展基于哈斯效应的声音诱导布置试验和人员对哈斯效应的感受特性试验,研究了声信号延迟时间在不同扬声器设置间距及电信号延迟时间下的变化规律,提出了声音诱导系统的最优参数设置方案。结果表明:在同一空间位置测得声信号延迟时间随着扬声器间距和电信号延迟时间的增加逐渐增大;由于哈斯效应的传播特性,与相同扬声器间距和电信号延迟时间下相比,在扬声器A正下方(0m测试点位)声音的方向性最差;当扬声器间距为10m,电信号延迟时间为50ms时在通道各空间位置上声音的方向性最强,此为声音诱导系统的最优布置方案。(2)在狭长通道开展基于哈斯效应的声音诱导下人员疏散行为及路径选择试验,并在试验后进行问卷调查,研究了引入声音诱导后人员疏散时间及行走速度等关键参数,分析了不同能见度条件下有/无声音诱导时人员路径选择及典型疏散行为,探究了在不同疏散环境下人员的行为特征和心理特性。(3)正常能见度条件下,基于哈斯效应的声音诱导方式对人员疏散时间、行走速度和疏散行为无显著影响,对人员路径选择有一定引导作用;低能见度条件下,声音诱导设施能够极大地缩短人员疏散时间,提高人员行走速度,同时对人员疏散路线选择和疏散行为有显著影响,对人员疏散具有较好的引导作用。(4)通过分析人员的疏散行为,正常能见度条件下,大部分参与者通过奔跑逃生,目标明确,径直朝向出口疏散,行走位置几乎为走廊的中心线附近。低能见度条件下,参与者出现试探性行为,没有声音诱导时,部分参与者沿墙壁行走,人员在出口处徘徊时间长,甚至出现折返行为;有声音诱导时,参与者均能正确找到出口并快速疏散,同时参与者的试探性行为及扶墙壁行走行为有所减少。(5)与正常能见度相比,低能见度环境下参与者紧张程度更高,且声音诱导设施并不能有效缓解人员疏散过程中的紧张程度,影响人员紧张程度的主要因素为能见度状况。

关键词：狭长通道哈斯效应声音诱导人员疏散能见度

火灾烟气危害性气体在狭长通道内水平方向迁移的模拟实验研究

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工程热物理学报 2007年第Z2期28卷 177-180页

作者：杨立中武来喜冯文兴中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026

利用狭长通道的小型实验台模拟研究了火灾烟气毒性成分在水平方向上的迁移规律。结果发现,火灾烟气危害性成分水平方向上的演变非常相似,而不同高度水平面上的烟气成分浓度有些差别,这主要是建筑结构中各种开口或者空气流动造成的。数... 详细信息

利用狭长通道的小型实验台模拟研究了火灾烟气毒性成分在水平方向上的迁移规律。结果发现,火灾烟气危害性成分水平方向上的演变非常相似,而不同高度水平面上的烟气成分浓度有些差别,这主要是建筑结构中各种开口或者空气流动造成的。数据表明,CO等气体到达浓度峰值的时间随着高度的降低而逐渐增加。其中,O_2和CO_2到达峰值的时间比较一致,而CO则与前两者不一致,整体滞后80秒左右,这可能因为热烟气在传播过程又新生成了CO。

关键词：火灾烟气狭长通道毒性成分 CO

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狭长通道内火灾烟气毒性成分空间分布的实验

中国科学技术大学学报 2006年第1期36卷 61-64页

作者：冯文兴杨立中方廷勇范维澄中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230027

利用模拟狭长通道的小型实验台研究了火灾烟气传播过程中毒性成分的空间分布规律.结果发现,烟气成分的分布沿着水平方向呈现不同的特点,在远离火源的位置呈上下两层分布,符合两层区域模型,而在离火源较近位置则递变分布,则须用场模型或... 详细信息

利用模拟狭长通道的小型实验台研究了火灾烟气传播过程中毒性成分的空间分布规律.结果发现,烟气成分的分布沿着水平方向呈现不同的特点,在远离火源的位置呈上下两层分布,符合两层区域模型,而在离火源较近位置则递变分布,则须用场模型或者多层区域模型评估.实验表明,烟气毒性成分的浓度峰值随高度的降低呈现明显的阶梯变化,在过渡区段骤升骤降.实验测量到,CO和CO2迁移时浓度峰值在远离火源处仍然保持相当高的浓度甚至高于火源近处的浓度,这与火灾中很多遇难者死于远离火源位置的结果是一致的.

关键词：火灾烟气狭长通道毒性成分 CO 区域模型峰值

狭长通道顶部障碍物下游火灾烟气密度跃变的数值模拟研究

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消防科学与技术 2021年第8期40卷 1178-1183页

作者：陈艺蕾阳东重庆大学土木工程学院重庆400045

火灾烟气的密度跃变过程会卷吸烟气下部的空气,使得烟气层明显增厚、质量流量显著增大,这会加大疏散与救援的难度,并影响既有防排烟设计的有效性。为明确烟气层密度跃变的机理及危害,采用数值模拟方法,研究了狭长通道火灾烟气沿顶棚水... 详细信息

火灾烟气的密度跃变过程会卷吸烟气下部的空气,使得烟气层明显增厚、质量流量显著增大,这会加大疏散与救援的难度,并影响既有防排烟设计的有效性。为明确烟气层密度跃变的机理及危害,采用数值模拟方法,研究了狭长通道火灾烟气沿顶棚水平蔓延过程中,顶部障碍物的存在对其下游烟气层密度跃变的影响。结果表明,若没有顶部障碍物的作用,仅增大热释放速率并不能使得烟气层发生密度跃变。而顶部障碍物可能引起其下游烟气流动状态突变,并引发密度跃变。跃变所产生的烟气层厚度、卷吸质量流量变化均与障碍物高度相关。并提出采用梯度弗劳德数作为判断烟气层密度跃变发生与否及衡量密度跃变效果的无量纲数。

关键词：消防狭长通道火灾烟气密度跃变分层剪切流数值模拟

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狭长通道内火灾烟气流动特性实验研究

消防科学与技术 2016年第9期35卷 1221-1224页

作者：梁强李炎锋李俊梅北京工业大学建筑工程学院北京100124 中国人民武装警察部队学院河北廊坊065000

开展汽油火实验研究火灾烟气在狭长通道中的输运特性,监测通道内的烟气运动过程和温度分布,O2、CO2和CO的体积分数变化以及烟气对通道内照度的影响。实验台全长8.5m、宽1.2 m、高1.7 m。圆形油盘直径为25cm和35cm,采用汽油作为燃料,每... 详细信息

开展汽油火实验研究火灾烟气在狭长通道中的输运特性,监测通道内的烟气运动过程和温度分布,O2、CO2和CO的体积分数变化以及烟气对通道内照度的影响。实验台全长8.5m、宽1.2 m、高1.7 m。圆形油盘直径为25cm和35cm,采用汽油作为燃料,每次用量1L。采用电子秤测量燃料质量损失速率,计算热释放速率。温度竖向分布反映烟气的分层现象,由顶棚向下逐渐降低,高温区在距顶棚30cm范围内。烟气蔓延之处O2浓度下降,CO2相应增加,当O2和CO2浓度达到极值后保持稳定。CO浓度在燃烧衰减之前一直处于升高状态,随着火焰的衰减熄灭又快速降低。照度随烟气蔓延迅速下降,通道内环境无法满足安全疏散要求。

关键词：火灾狭长通道烟气流动汽油火防排烟浓度分布照度

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狭长通道内风幕挡烟效果的数值分析

安全与环境学报 2005年第4期5卷 117-119页

作者：周吉伟霍然胡隆华中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230027

研究利用风幕阻挡通道内烟气蔓延的可能性及其效果,结合一小型狭长通道,采用数值模拟计算方法进行了初步分析。重点考察了风幕前倾角、风幕出口风速和回风口位置三个主要因素对风幕在狭长通道内挡烟效果的影响。结果表明,适当增大风幕... 详细信息

研究利用风幕阻挡通道内烟气蔓延的可能性及其效果,结合一小型狭长通道,采用数值模拟计算方法进行了初步分析。重点考察了风幕前倾角、风幕出口风速和回风口位置三个主要因素对风幕在狭长通道内挡烟效果的影响。结果表明,适当增大风幕前倾角、逐渐提高出口风速、适当前移回风口位置均有助于加强风幕在狭长通道内的挡烟效果。而当火源功率较大而风幕出口风速过小时,将不能很好地阻挡烟气的蔓延。数值分析结果表明,综合考虑上述三种因素,就可以使用风幕有效地阻挡烟气在狭长通道内的蔓延。

关键词：消防工程狭长通道建筑火灾烟气控制风幕挡烟数值模拟

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不同顶棚高度下船舶狭长通道细水雾灭火研究

舰船科学技术 2020年第11期42卷 66-71页

作者：苏石川陈露王亮穆鑫耿珊珊曹佳斌江苏科技大学能源与动力工程学院江苏镇江212003

船舶内狭长通道及其不同顶棚高度可造成火灾过程中污染物的快速蔓延及顶棚射流现象的发生,对船舶火灾的发展及人员逃生具有重要的影响。本文针对船舶"T型"狭长通道,基于大涡模拟技术,分别对1.8 m,2.6 m,3.4 m及4.3 m顶棚高度下通道内火... 详细信息

船舶内狭长通道及其不同顶棚高度可造成火灾过程中污染物的快速蔓延及顶棚射流现象的发生,对船舶火灾的发展及人员逃生具有重要的影响。本文针对船舶"T型"狭长通道,基于大涡模拟技术,分别对1.8 m,2.6 m,3.4 m及4.3 m顶棚高度下通道内火灾演变特性进行数值模拟研究。通过对火焰热释放率,通道内氧气浓度、烟气层分区、温度分布的分析得到:细水雾能够有效抑制T型通道内火灾的蔓延;释放细水雾后,1.8 m和2.6 m狭长通道内热释放率衰减速度较快,氧气浓度快速降到了14%;3.4 m和4.3 m狭长通道,热释放率衰减速度相对较慢,氧气浓度较高;同时火场温度得到有效降低,烟气层高度也随着通道顶棚高度增加逐渐升高。

关键词：船舶火灾狭长通道顶棚高度细水雾