離散分布多火源耦合燃燒動力學特性與規律研究

《離散分布多火源耦合燃燒動力學特性與規律研究》是依託中南大學，由劉瓊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：離散分布多火源耦合燃燒動力學特性與規律研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉瓊
• 依託單位：中南大學

項目摘要

群發性火災，是離散分布的可燃性材料同時燃燒而形成的火災場景，此類火災的發展過程中，易發生多火源耦合燃燒現象，引起火災強度的劇烈變化，形成城市或森林區域大火，造成重大火災損失。因此，針對群發性火災的發展與突變問題，以散布火源為研究對象，開展火陣列自由燃燒模擬實驗。對於既定的火源，獲取不同燃料種類和離散分布特徵（火源數目和火源間距）條件下燃燒域內各火源燃燒速率、溫度場、輻射熱流和火焰高度等燃燒特性表征量，並以此分析各特徵量隨燃燒時間的變化趨勢和在燃燒空間上的分布特徵，揭示燃燒區域輻射熱流、火焰形態、燃燒速率間耦合作用機制，並基於池火燃燒模型構建多火源燃燒總熱輻射經驗模型，開展數值模擬並結合實驗和輻射模型探討多火源燃燒時空演化過程關鍵影響因素，從而提出火焰融合現象和熱輻射導致燃燒蔓延的臨界條件。本項目對於深入理解多點火源耦合燃燒動力學演化規律有重要意義，可為群發性火災的預防與控制提供科學指導。

結題摘要

群發性火災，是當空間多處區域離散分布可燃性材料由其他類型的災害或火災蔓延誘發而發生燃燒的火災場景，此類火災發展過程中，易發生多火源耦合燃燒現象，引起火災強度劇烈變化，形成城市或森林區域大火，造成嚴重的損失。離散多火源燃燒描述的是群發性火災基本燃燒過程，考察的重要問題是群發性火災如何向城市和森林區域大火突變。 因此，針對群發性火災的發展與突變問題，本項目以離散分布火源為對象，主要採用小尺度離散火陣列自由燃燒實驗模擬方法對其燃燒特性進行研究，分析不同火源中心距離和陣列大小條件下火源燃燒速率、溫度和輻射熱流隨燃燒時間變化趨勢及在空間域上的分布特徵，探索火焰融合現象誘發臨界判別方法和條件，並基於單一池火燃燒理論發展離散火源總輻射熱和各火源燃燒速率計算方法，重要研究結果如下。 本研究首先對離散多火源燃燒特徵量變化規律進行了定性分析。對火源燃燒速率、溫度和輻射熱流密度隨燃燒時間變化趨勢的分析結果表明，燃燒速率存在近似平穩段，而受燃燒環境變化影響，燃燒區域溫度和對外輻射熱流密度隨燃燒發展達到峰值後逐漸衰減。對火源燃燒速率隨離燃燒中心距離及不同大小陣列內中心火源燃燒速率隨燃料面比率變化規律的分析結果表明，受所處陣列空間方位影響，中心火源燃燒速率遠大於邊緣火源；受火焰融合程度和燃燒耦合作用機制競爭影響，燃燒速率隨空間位置變化幅度存在突變點。研究還發現對於給定大小火陣列，燃燒周圍任意點所受輻射熱與燃料面比率成正比。 本研究提出了基於無量綱火源間距和燃燒區域溫度場分布特徵的兩種火焰融合現象判別方法，離散火源中心間距是火焰融合誘發及融合程度主要影響因素，D*=4是等距多火陣列火焰融合臨界點，但該條件與火源數目有關，火源越多，其值越大。 本研究發展了基於池火熱輻射理論的離散火源總輻射熱計算方法並通過實驗和數值模擬進行了驗證。研究認為離散多火源周圍任意點所受輻射熱流密度qm=Qtotal(4πlm-2)，燃燒總輻射熱Qtotal=0.279HcBRtotal。該研究還基於燃燒傳熱阻礙理論，將多火源耦合燃燒分解成外加輻射熱流使各自由燃燒火源燃燒速率增大過程，並推導出離散分布各火源燃燒速率定量計算方法，該方法目前正在通過實驗結果總結驗證中。 本研究定性和定量描述了離散分布多火源燃燒特性，豐富了燃燒基礎理論，進一步理解了群發性火災基礎燃燒過程和發展突變規律，對這類火災預防、控制與撲救有重要意義。