庚烷池火羽流热反馈效应理论分析和仿真研究

火焰羽流热反馈是火灾发生过程中能量传递的一种重要形式,是火势发展和蔓延的重要影响因素,具有重要的理论研究和工程应用价值。本文以开放空间庚烷油池火燃烧为例,在池火燃烧热平衡方程分析的基础上建立了火焰羽流热反馈简化模型,并提出了火羽流热反馈效应的计算公式;建立庚烷油池火CFD模型,对油池火的火灾特性参数以及火焰羽流热反馈效应进行仿真分析,对理论分析结果进行仿真验证。研究结果表明:1m2庚烷油池火燃烧过程中,由火羽流热辐射和热对流效应引起的油池质量损失率的变化约占总的质量损失率的53%和37%,是影响液体火灾发生发展的重要因素。     

气体FPSO上部模块火灾场景数值分析

针对火灾情况下的温度变化问题，以气体FPSO平台为例，选取该海域常见海况，研究不同风速、风向下的喷射火模拟。采用基于流体动力学（CFD）的火灾动态模拟（FDS）软件进行喷射火模拟，研究喷射火场景下平台上部模块的火场及温度场分布规律，并探寻不同风速、风向对火场的分布规律影响。对火焰形态进行研究发现，火焰沿风向飘移，当喷射火为垂直喷射火时，火焰作用于甲板上的面积与风速大小成反比。对温度场进行研究发现，温度场的分布与火焰的分布规则基本一致，甲板上的高温区域位于泄漏口上方甲板顺风向的位置，且风速越大，高温区域距离泄漏口在甲板投影的位置越远。由于风速大会加快结构与外界的热交换，因此，风速越大，甲板上的温度场面积越小，最高温度越低。模拟结果对于气体FPSO上部模块发生喷射火灾时的消防与救灾抢险具有指导意义。     

基于水面边界的小尺度柴油池火焰高度及其周期振荡频率特性研究

以水面为边界的燃油燃烧常出现于海洋表面浮油的就地燃烧及各类工业生产过程中由于燃油泄漏而导致的火灾安全事故中.以柴油为燃料,针对直径为D=9.5 cm小尺度的圆形油池,分别以水层厚度1、2、3 cm为边界,对0.5～1.7 cm不同油层厚度的燃油火焰特性进行实验研究,从火焰形态学角度对火焰高度及其振荡频率进行分析,研究结果表明:火焰高度与水层厚度L_w和油池厚度L_0有较强的耦合关系,并基于经典的Thomas模型,建立适用于不同水层厚度边界的油池火焰高度预测模型.同时,以不同水面为边界的油池火焰振荡均呈现了周期性的收缩和膨胀特性,但其振荡频率却与L_0D/L_w之间存在反比例关系.     

机械排烟控制航母机库火灾烟气运动大涡模拟

航母机库火灾是影响航母安全的重要因素。为研究航母机库火灾防护与控制技术,采用低速气流运动控制方程组和湍流燃烧大涡模拟方法仿真分析机械排烟条件下航母机库油料火灾的蔓延与烟气运动规律。结果表明:针对本算例机库几何尺寸和油池火规模,机械排烟量介于300~600 m3/s,不仅会增高热烟气层高度、降低下层烟气温度,还会降低火源附近的热流密度;当机械排烟量不超过600 m3/s时,采用机械排烟对油池火蔓延的强化影响不显著;机械排烟使热烟气排出温度明显增加,选择风机需要考虑耐温要求。     

机械排烟控制航母机库火灾烟气运动大涡模拟

航母机库火灾是影响航母安全的重要因素。为研究航母机库火灾防护与控制技术,采用低速气流运动控制方程组和湍流燃烧大涡模拟方法仿真分析机械排烟条件下航母机库油料火灾的蔓延与烟气运动规律。结果表明：针对本算例机库几何尺寸和油池火规模,机械排烟量介于300~600 m3/s,不仅会增高热烟气层高度、降低下层烟气温度,还会降低火源附近的热流密度;当机械排烟量不超过600 m3/s时,采用机械排烟对油池火蔓延的强化影响不显著;机械排烟使热烟气排出温度明显增加,选择风机需要考虑耐温要求。     

水平开口有限空间油池火燃烧特性分析

[目的]船舶机舱等有限空间通常具有顶部水平开口,开口位置和形状的特殊性导致其火灾燃烧特性与建筑火灾有着明显的区别。为了解和认识船舶机舱等顶部水平开口的火灾特性,[方法]通过改变开口面积和庚烷油池的尺寸,开展顶部开口有限空间火焰熄灭模式、火焰形态与燃烧速率等燃烧特性的实验研究。[结果]根据火灾熄灭原因,有限空间火灾发展过程分为O_2浓度不足导致的"缺氧熄灭"模式和可燃物耗尽导致的"燃料耗尽熄灭"模式。在"缺氧熄灭"模式中,烟气混合物被卷吸进入火焰参与燃烧过程,火焰自熄灭临界O_2浓度处于13%～16.5%,且火焰形态由稳定燃烧的形状变成在脱离油池并不断游走的状态。在"燃料耗尽熄灭"模式下,火焰形态较为稳定,并且由于沸腾燃烧导致燃烧后期燃烧速率有较为明显的增大。[结论]研究结果展示了顶部开口有限空间火灾的燃烧特性,对了解船舶舱室火灾的发展过程具有重要意义,并为船舱火灾扑救提供了理论支持。     

横向扰流条件下的喷射火脱火高度计算

通过对Thornton模型的深入分析,以其风力影响下的火焰抬升高度计算公式为基础,得出了横向风力条件下的喷射火脱火高度计算模型,进而根据扰流和风力产生脱火的本质相同,利用火焰倾角这一关键参数将扰流速度转化为同等条件下的风速,最终建立了横向扰流条件下的脱火高度计算模型,并设计了同步数据采集实验平台对该模型进行检验及修正,结果表明：模型仿真结果与实验结果变化趋势相同,但在数值上存在一定差别;根据实验数据添加修正系数后,计算模型与实验结果符合良好;脱火发生后,随着横向扰流速度的增大,脱火高度逐渐增大并趋于平缓;相同条件下,扰流喷口半径越大,形成的脱火高度越大。另外实验发现,达到脱火条件时,火焰存在“腾跃”现象,即火焰瞬间脱离燃气喷口上升到一定高度。     

开口舱室内细水雾与油池火相互作用的数值模拟

基于火灾动力模拟软件(Fire Dynamics Simulation,FDS)对开口舱室内细水雾与油池火的相互作用进行数值模拟,探讨当开口无气流流入和流入气流速度为2m/s时细水雾的灭火机理。研究结果表明,细水雾的灭火过程可以分为3个阶段:火焰温度快速下降阶段、火焰温度稳定阶段和火焰温度缓慢下降阶段。当开口无气流流入时,火焰熄灭是由细水雾蒸发冷却和隔氧窒息共同作用的结果;当开口流入气流速度为2m/s时,细水雾的蒸发冷却是致使火焰熄灭的主要原因。当开口无气流流入时,较小粒径的细水雾具有较好的灭火效果;当开口有气流流入时,较大粒径的细水雾具有较好的灭火效果。     

风荷载效应作用下大矢跨比钢箱拱肋吊装过程稳定性分析

以伊克昭大桥大矢跨比钢箱拱肋吊装为工程背景,对1/2拱肋单吊点起吊方案吊点位置选取进行了对比分析,提出了较合理的单吊点位置方案;同时,针对不同的风荷载工况,对1/2拱肋起吊过程中拱肋的整体稳定性进行了有限元分析,结论表明：风速越大,拱肋整体稳定安全系数越小;随着风速增加,拱肋非线性特征逐渐明显,当风速达到一定数值时,拱肋将发生不同形式的失稳破坏。横向风荷载作用时,拱肋失稳以弯剪耦合为主;纵向风荷载作用下,拱肋失稳以弯扭耦合为主。     

生物柴油对柴油火焰碳黑生成特性影响的试验研究

为寻找低排放的经济型船用柴油机燃料,在一套能够产生稳定层流火焰的燃烧系统上,采用二维消光法,对不同掺混比例的生物柴油-柴油混合燃料B0,B10,B20和B50火焰中的碳黑生成特性进行试验研究。试验利用反演法对测得的火焰透射率进行数据分析和处理,获取了不同混合燃料火焰中的定量碳黑浓度,意在研究生物柴油对普通柴油火焰碳黑生成特性的影响。试验结果表明,在相同的火焰高度下,随着混合燃料中不断增加生物柴油,各种混合燃料均能形成稳定燃烧火焰,且在不同高度上碳黑浓度出现不同程度的降低趋势,显示了生物柴油清洁环保的特性。     

重力相似体系下串列双圆柱风速比尺修正系数的试验研究

在模拟风荷载的试验过程中,风速比尺的确定是一项必不可少的工作。串列圆柱群在现实的海洋建筑物中属于比较常见的构件群。所以本试验对不同工况下的串列等直径双圆柱进行了试验,研究了间距比和模型风速对受扰圆柱阻力系数干扰因子的影响。基于干扰下原型的理论阻力,分析了间距比、原型风速和几何比尺对风速比尺修正系数k的影响。试验结果表明:风速比尺修正系数与间距比、原型速度和几何比尺三个因素联合相关;受扰圆柱作为后柱时,干扰下的k值比单圆柱时大,间距比对k的影响没有明显规律,但干扰效应对k值的影响不可忽略。当λ_L=20~100时,不同的间距比下,风速比尺可不修正的原型风速和几何比尺取值有所不同。     

舰船机舱火灾烟气自然充填特性模拟实验

在舰船机舱缩尺模型中开展一系列油池火实验,对3种尺寸柴油池火产生的烟气自然充填特性进行研究。为了解无通风条件下舰船机舱内的烟气运动过程,实验中对舱室内的温度分布、气体浓度以及能见度等关键参数进行测量。实验结果表明:舱室内的温度较低,且在竖直方向上不存在分层现象;舱室顶部区域烟气中的氧气浓度很低;舱室内能见度随着火源直径的增大而降低,当油池直径为0.3 m时,能见度迅速下降至2 m左右。     

船舶大舱室油料火灾温度场特性及冷却压制研究

以仿真和试验为研究手段,对船舶超大空间内油池火的燃烧特性进行系统研究,结果显示,火灾发生时烟气沉降速度、温度上升速度非常快,灭火行动最好在2min内展开。同时,利用试验方法分别对多功能水枪和泡沫灭火系统的灭火效果展开研究。研究发现,使用多功能消防水枪对10m^2以内的油火进行控制时,灭火进攻的角度和开花水枪的使用对灭火效果有着直接影响,其中以同侧对角进攻的效果最佳,仅仅用时20 s就扑灭了10 m^2柴油火;而泡沫系统的灭火效率非常高,约20 s就很好地压制了14.6 m^2的油火灾,在30 s时彻底扑灭。这些研究结论可直接用来指导船舶大空间火灾的扑救工作。     

机械排烟时补风口高度对竖直单开口舱室火灾烟气特性的影响

[目的]为合理制定舰船竖直单开口舱室火灾的排烟战术,提高排烟效率,[方法]通过搭建全尺寸火灾实验平台,对竖直单开口舱室的火灾烟气特性进行研究。通过设置不同的开口高度,对负压排烟时的火源燃烧速率、舱室能见度及温度进行测量与计算。根据实验测得的火源热释放速率,使用火灾动力学模拟软件(FDS)对实验及仿真舱室温度峰值进行对比分析。[结果]结果显示,机械排烟时补风口高度应设置在总高度约1/2处,在此高度下舱室能见度及温度下降速度更为迅速。[结论]所做研究对于竖直单开口舱室火灾的机械排烟战术制定具有一定指导意义,同时也证明了在此种火灾条件下采用FDS进行模拟的可信性。     

船舶大舱室油料火灾温度场特性及冷却压制研究

以仿真和试验为研究手段,对船舶超大空间内油池火的燃烧特性进行系统研究,结果显示,火灾发生时烟气沉降速度、温度上升速度非常快,灭火行动最好在2min内展开。同时,利用试验方法分别对多功能水枪和泡沫灭火系统的灭火效果展开研究。研究发现,使用多功能消防水枪对10m~2以内的油火进行控制时,灭火进攻的角度和开花水枪的使用对灭火效果有着直接影响,其中以同侧对角进攻的效果最佳,仅仅用时20 s就扑灭了10 m~2柴油火;而泡沫系统的灭火效率非常高,约20 s就很好地压制了14.6 m~2的油火灾,在30 s时彻底扑灭。这些研究结论可直接用来指导船舶大空间火灾的扑救工作。     

燃烧条件下线路跳闸试验平台设计与实现

文中探讨了燃烧条件下线路跳闸试验平台的设计及搭建方法,介绍了本平台的组成和试验方式.开展了燃烧条件关系研究及烟尘条件下放电击穿特性研究,得到了火势强度与火焰荷载、火焰高度均呈正相关关系,以及高温及烟尘条件增加了线板之间的可导电性,显著降低了击穿电压的结论,为全面研究山火跳闸放电特性打下了基础.     

FPSO上部模块火灾场景结构响应分析

为保证FPSO上部油气处理模块的使用安全,使用FDS软件对FPSO的油气处理模块进行无风和斜风情况下的垂直喷射火模拟,并将温度数据导入ABAQUS软件中进行火灾情况下的结构响应分析,以探究环境风对于FPSO上部模块发生火灾的影响。研究表明：风会改变火焰作用于甲板上的位置及甲板上的温度分布,且当风为垂向结构外侧时,火焰会破坏上部模块的支撑柱,致使更危险的情况发生。     

斯特林发动机燃烧室氧-柴油无焰燃烧的数值研究

对斯特林发动机燃烧室氧-柴油无焰燃烧进行数值模拟。研究表明:氧-柴油无焰燃烧相比于传统氧-燃料燃烧需要卷吸更多的烟气来对纯氧进行稀释。直流燃烧室和旋流燃烧室内实现无焰燃烧的引射比分别为32和11.5,旋流燃烧室有助于无焰燃烧的实现。氧-柴油无焰燃烧的火焰峰值温度比传统燃烧模式低600 K左右,火焰峰值温度大幅下降。氧-燃料模式下燃烧室温度变化在20%以上,而氧-柴油无焰燃烧模式下温度变化小于15%,燃烧室温度均匀性显著提高。     

斯特林发动机燃烧室氧-柴油无焰燃烧的数值研究

对斯特林发动机燃烧室氧-柴油无焰燃烧进行数值模拟。研究表明：氧-柴油无焰燃烧相比于传统氧-燃料燃烧需要卷吸更多的烟气来对纯氧进行稀释。直流燃烧室和旋流燃烧室内实现无焰燃烧的引射比分别为32和11.5,旋流燃烧室有助于无焰燃烧的实现。氧-柴油无焰燃烧的火焰峰值温度比传统燃烧模式低600 K左右,火焰峰值温度大幅下降。氧-燃料模式下燃烧室温度变化在20%以上,而氧-柴油无焰燃烧模式下温度变化小于15%,燃烧室温度均匀性显著提高。     

船舶甲板流淌火蔓延仿真

文章给出一种数值模拟方法对船舶流淌火的蔓延规律进行研究。建立浅水方程模型并引入燃烧速率、泄漏速率、摩擦力作为浅水方程的源项，完整描述了流淌火蔓延的全过程。采用多物理仿真软件COMSOL对流淌火进行模拟仿真，通过添加“水源”和“域源”修正了COMSOL浅水流动模块内部的控制方程。建立液池-流淌槽的几何模型，并设计不同的边界条件和参数，模拟不同泄漏速率正庚烷流淌火蔓延过程。并将所获得的仿真结果与正庚烷流淌火实验结果相对比分析，研究结果表明：CFD模拟计算与流淌火实体试验的流淌火蔓延距离、稳定燃烧面积等误差均处于接受范围，流淌火的稳定燃烧面积与泄漏速率呈线性正相关。