高原低壓低氧特殊環境下火災防治的熱物理問題

《高原低壓低氧特殊環境下火災防治的熱物理問題》是依託中國科學技術大學，由楊立中擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：高原低壓低氧特殊環境下火災防治的熱物理問題
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：楊立中
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

本項目面向高原低壓低氧特殊環境條件下的火災防治需求，通過建立不同海拔高度下的火災燃燒實驗平台,對可燃物熱解與著火、火蔓延、火羽流卷吸與煙氣蔓延以及火災熱物理信號識別方法進行研究。揭示大氣壓力和氧氣濃度對可燃物熱解行為的影響規律，建立高原特殊低壓低氧環境下可燃物燃燒速率模型及火焰高度無量綱模型，揭示高原低壓低氧環境條件對水平和垂直固體表面火蔓延的影響機制；建立高原低壓低環境密度條件下的火羽流卷吸模型及羽流中心線溫度隨高度變化的理論模型，發展高原低壓低氧條件下火災煙氣充填的數學模型；揭示低壓低氧燃燒與流動耦合作用下火災探測熱物理參量的變化機制，發展低壓低氧環境下火災信號識別方法。研究成果有望揭示壓力和絕對氧濃度同時降低情況下的燃燒行為特性以及高原低氧濃度條件下火蔓延的科學本質，建立具有我國地理特性的高原低壓低氧特殊條件下的火災動力學演化理論，豐富世界火災科學研究範疇。

結題摘要

我國擁有廣袤的高原面積，高原上古建築眾多，大多採用木結構，一旦發生火災將會造成無法估量的損失。高原火災動力學有獨特的規律，對其開展研究具有重要的科學意義和實用價值。本項目主要研究低壓低氧環境對火災基本分過程的影響規律，包括4個方面的研究內容：低壓低氧條件下固體可燃物熱解著火規律、低壓低氧條件下材料燃燒特徵及火蔓延行為、低壓低氣體密度條件下火羽流卷吸及煙氣蔓延動力學特徵、低壓低氧環境對火災熱物理信號的影響作用機制與火災識別方法。四年來，本項目通過自行研製的模擬尺度實驗、高原地區全尺寸實驗、理論分析和數值模擬等手段，在高原火災動力學研究方面取得了國際領先水平的成果。在可燃物熱解著火規律研究方面，發現隨海拔高度的增加，可燃液體閃點下降的幅度將越來越快，可燃固體著火時間也會變短，而用所建立的新點燃模型可計算獲得環境壓力對固體材料著火特性影響的“U”型變化規律。在材料燃燒特徵及火蔓延行為方面，我們開展了不同種類可燃材料和不同蔓延方式的大量火蔓延實驗，發現隨環境壓力的下降，火蔓延速率下降；通過相關的理論分析，建立了能解釋實驗所獲得規律的理論模型。在火羽流卷吸及煙氣蔓延動力學方面，以油池火和氣體射流火作為研究對象，發現氣體射流火火焰中心軸線溫度在不同區域隨環境壓力變化的不同規律，而油池火最大火焰溫度則在低氣壓環境下更高，即使是火旋風，其在高原地區的燃燒速率也會降低；對隧道煙氣分布而言，不同環境壓力下的濃度縱向分布類似，但煙氣溫度衰減在低壓時更快，同樣對此建立了理論模型進行解釋。在低壓低氧環境對火災熱物理信號的影響作用機制與火災識別方法方面，發現環境壓力對油池火燃燒速率、火焰高度的影響與油池直徑密切相關，主要因為油池尺寸決定了傳導、對流和輻射傳熱的不同熱反饋機制，由於低壓下火焰浮力增強，火焰輻射分數隨環境壓力下降而下降，而火焰脈動頻率則隨環境壓力下降而上升。 通過研究，我們發現了大量高原環境條件下特有的火災現象，建立了低壓低氧環境下可燃物熱解著火的物理模型，發展了低壓低氧燃燒與流動耦合作用下煙氣與表面火蔓延理論模型，揭示了低壓低氧環境條件下火焰高度、振盪頻率等火災探測熱物理參量的變化機制，為我國高原火災的防治提供了強有力的科學支撐。到目前為止，本項目已經發表論文75篇，其中SCI收錄57篇，EI收錄12篇（不重複統計）。授權發明專利1項、實用新型專利5項、外觀設計專利1項。