低压低氧环境下纸箱堆垛火的实验和数值模拟研究火灾是人类社会中发生最频繁其极具毁灭性的灾害之一,而低压环境下的火灾研究是我国火灾研究领域的一个较新的方向。
一方面,西藏地处高原,是我国藏传佛教的圣地,古建筑众多,这些古建筑在西藏文化中占有极其重要的地位,也是我国珍贵的历史文化遗产。
但这些古建筑,年代久远并且多为木质结构,其内部更是存在着大量的可燃物以及点火源,火灾风险大,而且近年来随着西藏经济的发展,用火、用电量的增加,导致每年发生的火灾事故也呈现出上升趋势。
另一方面,高空飞行器在巡航状态时也是处于一种低压低氧状态,一旦发生火灾,将损失巨大。
因此,研究低气压环境下火灾的燃烧特性和发展规律,对各种低气压特殊环境下火灾安全防治的研究具有重要的现实意义。
环境压力的降低不仅影响着气相空间的化学反应速率,同时也能够影响气相空间、气—固相之间的热量传递,这些变化必然将对燃料的点火过程、火焰的蔓延传播过程、烟气的运动蔓延过程等产生影响。
大量的实验研究表明,低气压环境将会降低小尺寸油池火和木材堆垛火的燃烧速率,也会对火焰温度场分布、辐射强度造成影响,但低气压环境下大尺寸固体火灾的基础实验数据相对匮乏,而热释放速率的实验数据则更少。
因此,根据氧耗法原理在拉萨搭建全尺寸热释放速率平台,可使我们能够直接燃烧的热释放速率。
本文选用了火灾中常用的等效火灾载荷纸箱作为实验燃料,分别在合肥和拉萨的全尺寸热释放速率平台下进行燃烧实验,以揭示低压环境对固体火灾燃烧速率、燃烧效率等燃烧特性的影响。
为了研究低压环境对不同尺寸和形状的火灾载荷的影响,本文对12中不同纸箱个数和不同摆放方式的纸箱堆垛火进行了测量,特征尺寸范围约为0.5-1.5m,每个工况至少重复3次实验。
本文分别直接测量了合肥和拉萨纸箱堆垛火的热释放速率,其燃烧释放的热量均集中在峰值附近,因此可采用三角形特征化模型对其进行特征化处理,以方便火灾建模人员的使用。
通过对测量所得热释放速率、燃烧速率、火焰温度以及火焰辐射等参数的对比分析,我们发现：(1)低压环境的燃烧更不充分,表现在固体可燃物的不完全热解以及可燃热解气的不完全燃烧,拉萨的有效燃烧热值约为合肥的71%；(2)低压环境对火灾发展的影响集中表现在燃烧特征时间的增加,无量纲燃烧速率与无量纲时间的曲线基本不随压力变化；(3)在本文的火灾规模范围内,对流热传导在热量传递中起主导地位,其燃烧速率或热释放速率峰值与火灾压力模型一致,即无量纲的燃烧速率正比与格拉晓夫数的1／3次方；不同位置温升上升的时间差间接证明了低压环境下的火焰传播速度正比于压力的2／3次方,也与火灾压力模型一致；(4)拉萨的火焰羽流温度分布并不完全符合经典的火羽流模型,表现为靠近火源时温度偏低,而远离火源时偏高,低压环境下的经典羽流模型可能需要通过更为细致的实验来验证和修正；(5)合肥和拉萨所测量的辐射热通量基本相等,说明拉萨的辐射分数要大于合肥,可能由于低压环境的不完全燃烧导致火焰发射率增加。
