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[硕士论文] 耿建华
项目管理 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:在当前经济快速发展的形势下,电网建设的进度也在快速提升。随着电网建设的范围逐步扩大,电力输送的能力逐步增强,刺激了居民用电的增加,用电设备也迅速增多,电力事故发生的概率也在增加,随着企业和电网规模的扩张,事故没有明显减少,给社会经济和人民生活带来了损失。因此,如何能够推进电网安全风险防范工作,巩固电网安全运作基础,保障居民用电安全成为一项重要工作。
  防范电网安全风险,夯实电网建设基础,保证电网安全健康运行,建立完善的电网安全评价体系以及相应的预警方法,能够促进电网运转的安全性和经济性。随着社会的不断进步和环境恶化,仅通过传统的安全管理方法和多种安全技术措施的叠加,很难解决项目复杂系统中的安全问题。
  本文根据电网运行的特点,建立电网改造项目安全性评价指标体系,从多个方面对电网改造项目进行综合性的评价分析,通过安全性评价体系的建设,促进电网改造项目建设的顺利实施。以M市电网改造项目为研究对象,对其安全性进行实证分析。首先,对M市电网改造项目安全现状进行研究,分析电网改造项目安全性方面存在的电网线路负荷问题、设备运行问题、电力规范化操作方面的问题等其他问题。其次,分析影响电网改造项目安全性的主要因素,即人、设备、管理和环境,对这四个方面的原因进行综合分析。最后,建立安全评价指标体系。从输电网安全性、电网调度及二次系统安全性、电网电气一次设备安全性、电网供电安全性、电网应急管理安全性等方面建立指标体系,结合调查评价法、层次分析法等理论方法,对电网改造项目整体安全性进行综合评价。根据评价结果梳理出M市电网改造项目在安全性方面存在的问题,确定预警对策,提出对应的安全整改策略。
[博士论文] 宋超
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:当前,中国的城镇化建设处于高速发展的阶段,与此同时,城市火灾风险居高不下。我国城市的消防规划相对滞后于城镇化的快速发展,特别对于城市的未来发展以及对火灾风险的发展考虑得不够全面,同时,考虑时空动态分布的火灾风险影响下的消防资源布局方面的研究也较少。本文通过引入相关数学模型来综合考虑时空变化对城市火灾发生的影响,充分考虑火灾发生的时空变化特征,并在此基础上发展一种与城市发展相适应的、动态的消防站选址规划模型,可为提高城市消防规划的科学性提供理论支撑。主要工作如下:
  1.城市尺度火灾发生的空间分布研究
  通过使用机器学习算法和空间计量经济学模型对市域尺度的城市火灾的发生进行空间建模,从而预测或者解释火灾发生的空间分布。
  首先,我们使用机器学习算法进行分析。针对特征选择得到的重采样结果显示,在训练集中,四种机器学习算法中随机森林模型(RF)的预测精度最高。样本点距离消防站的距离、人口的分布、企业工厂的分布、道路密度、温度的分布以及海拔是选入RF中的自变量,说明这些变量对火灾风险的贡献度最大。同时随机森林算法在训练集和测试集上均预测效果较好,差别不大,说明其较为稳健。
  之后,通过对空间计量经济学模型进行分析,结果显示空间通用模型(SAC)的赤池信息准则(AIC)值最小,也即拟合效果最好。结果显示道路密度对火灾密度有正相关的关系,而温度、海拔以及距离消防站的距离这三个变量均与火灾密度呈负相关的关系。结果说明人类的活动对于火灾发生有着相当重要的作用,同时也对空间回归模型的贡献度相对较大。同时,SAC模型在训练集上均表现良好,但在测试集上均与训练集的预测效果相差较大。这说明空间通用模型更适合对火灾风险进行解释。
  总之,在模型的适用性方面,我们发现RF能够表现出更稳健的预测能力,鲁棒性较强。而对于空间计量经济学模型,它们则能够从特定数据集(训练集)中隐藏的空间分布规律和聚类特征入手,采用空间权重矩阵准确地刻画市域尺度下城市火灾发生的空间规律与影响较大的自变量,更适合于解释火灾的发生,但总体上要强于随机森林算法。同时,通过对最终得到的SAC与RF模型在整个数据集上进行预测,结果显示,SAC在总体上要优于RF。进一步通过对模型的残差进行分析和可视化,结果显示SAC比RF更能解释火灾发生的空间结构。
  2.城市尺度火灾发生的时间分布研究
  通过使用小波变换的方法对火灾与气象因素的时间序列进行分析,进而揭示时间序列中存在的潜在规律与变化共性,之后使用经典的自回归移动平均模型与MCMC对火灾频次的时间序列进行拟合,最终得到时间维上的城市火灾风险发展趋势。
  首先,通过小波变换来分析火灾频次的时间序列,结果显示存在四个特征时间尺度,分别为4,18,34,56个月,火灾频次的周期性波动在56个月(4-5年)这样的时间尺度上周期性最强,适合于在较大的年际尺度上进行火灾周期性的研究分析。可以从定性的结果中推测在2010-2011年火灾频次将呈现下降趋势,之后将继续上升。
  其次,气象因素的时间序列通过小波分析,发现不同的变量存在不同的特征时间尺度集合。它们均包含18个月的特征时间尺度,这说明气象因素也和火灾频次的时间序列拥有共同的平均变化周期为12个月。
  最后,通过使用经典的时间序列模型对火灾频次进行建模,通过比较,最终选用ARIMA(0,1,1)模型来进行建模。另一方面,我们选用MCMC模型来进行时间序列建模,结果显示日照时长的系数值最大,表示其对火灾发生的影响最大。同时,日照时长与相对湿度的系数值为正,表示与火灾发生的频次正相关;平均温度与降水量的系数值为负,表示与火灾发生的频次负相关。另外,去除气象变量后的MCMC模型与包含气象变量的MCMC模型进行了对比,结果表明加入气象因素的MCMC模型的拟合度更好,更能勾勒时间序列中的波动。
  3.城市尺度火灾发生的时空分布研究
  通过使用以最小二乘法(OLS)为基础的全局线性回归模型(LM)进行分析,对比了全局模型与局部模型在火灾风险预测方面的效果,最终可以得到火灾风险分布的时空模型。
  首先,我们使用空间交叉验证(SCV)对自变量进行选择。使用SCV进行线性回归训练的结果显示,道路密度与工厂企业的空间分布是火灾风险建模中最重要的变量,与火灾的发生密切相关,但是前者对于火灾风险正相关,而后者为负相关。
  之后,我们使用选择的自变量进行了地理加权回归(GWR)与时空加权回归(GTWR)两种局部拟合模型对火灾风险进行解释与预测。结果显示,拟合效果GTWR>GWR>LM。通过提取模型中的自变量的系数并进行可视化,结果显示,对于相同的自变量,其系数值与显著度水平在不同时间截面的相同位置处发生了一定程度的变化。
  最后,通过对不同区域显著变量的数目进行分析,结果显示参数的空间异质性分布规律主要集中在城市的非中心区,往往是一些人类局部活动性较为集中的次中心地带或者集镇、县城等地区。通过对三个模型产生的残差进行半异方差检测,结果显示GTWR对于火灾发生的空间结构的解释程度最强。同时,在模型的独立测试阶段,GTWR也显示出比GWR、OLS更为准确的预测能力。
  4.基于火灾发生时空动态模型的城市消防站选址规划模型
  首先,在前文工作的基础上,我们可以预测未来一段时间的火灾风险空间分布,进而建立改进的城市消防站选址规划模型。通过使用遗传算法进行选址模型的模拟仿真,结果显示使用基于匹配度与多重部分覆盖模型的选址模型更能体现出实际消防规划中的“等级对应”思想,也即不同等级的风险应和同等级的预防措施相对应。风险越高,消防站的出动时间应越小,救援路径应越短。因此,当目标函数为匹配度时,我们所建立的新模型与其他经典选址模型(P-中值,最大覆盖)相比,目标值最大且更加合理。
  另外,我们使用基于容量限制的路径寻优算法来模拟当发生并发火灾时,消防车对于火点进行扑救的路径选择问题。结果显示,基于容量限制的最短路径寻优算法CCRP可以解决消防车在基于城市道路网进行扑救时的最短路径选择问题。同时,这也可以模拟将空间节点上的人群进行群体疏散时来选择最短路径的情形。
[硕士论文] 张丽君
安全科学与工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:原油中的活性硫很容易腐蚀设备,腐蚀产物与空气接触发生氧化反应,进而引发火灾和爆炸事故,研究硫铁化合物低温氧化过程,具有重要意义。本文以铁锈模拟物为原材料研究硫铁化合物低温氧化过程,铁锈模拟物由 Fe2O3、Fe3O4和Fe(OH)3组成,质量分数分别为61.5%、27.8%和10.7%,硫化后生成不稳定的硫铁化合物,与空气接触后极易自燃。通过硫铁化合物样品的氧化升温曲线,研究不同干燥时间对氧化过程的影响,测定样品自燃点并研究含水率、粒度和通风条件对自燃点的影响;通过 S单质和硫酸根(SO42-)离子的含量变化研究固态S元素迁移过程,通过SO2气体浓度变化规律探究气态S元素迁移过程。主要研究内容如下:
  采用测温系统研究不同干燥时间对硫铁化合物样品氧化升温曲线的影响。结果表明:未干燥的样品1和干燥0.5 h的样品2温度明显升高,存在三个升温阶段,氧化速率较大,干燥1h的样品3和干燥2h的样品4没有明显升温趋势;样品1和样品2的最大升温速率分别为2.81℃/s和2.77℃/s,氧化倾向性分别为647.14℃2/s和870.36℃2/s,表明二者具有较高的氧化自热倾向性,样品3和样品4几乎没有氧化自热倾向性。
  干燥0.5 h的样品自燃点为77.2326℃,自燃点较低,表明样品自热倾向性较高;含水率为5%的样品自燃点最低,自燃危险性最大,含水率较高(10%)和较低(1%)的样品自燃点均较高,自燃危险性较小;样品粒度越小,自燃点越低,自燃危险性越大,反之,自燃危险性越小;打开通风橱后,空气流量增大,供氧条件得以改善,促进氧化反应进行,使硫铁化合物自燃点降低,样品自燃危险性更大。
  研究 S单质在氧化过程中含量变化。结果表明:第一升温阶段样品温度低于自燃点,发生不完全氧化反应,S单质质量迅速增加;第二升温阶段S单质的氧化反应和样品自燃进程相互促进,S单质质量比第一升温阶段少,比未氧化时多;第三升温阶段 S单质被氧化生成 SO2气体,质量迅速减少,甚至低于未氧化时的。
  研究硫酸根(SO42-)离子各阶段含量变化。结果表明:SO42-离子含量随氧化反应进行整体呈上升趋势,SO42-离子含量变化代表着样品中硫化铁被氧化的量,单位时间内硫酸根离子(SO42-)含量变化越大,样品氧化速率越大。
  运用ecom-D烟气分析仪研究SO2气体浓度变化规律及空气流量对气体浓度的影响。结果表明:空气流量为100ml/min时,样品温度没有达到自燃点,释放出极少量的SO2气体;空气流量为200ml/min时,样品温度超过自燃点,释放出大量的 SO2气体;在研究范围内,空气流量越大,开始释放出 SO2气体的时间越早,SO2气体的最大浓度值越大,在最大浓度值附近持续时间也越长;结合升温状况,SO2气体浓度变化可以表征硫铁化合物的氧化进程。
  结合实验结果,关于硫铁化合物自燃防治措施,可以采用控制温度、控制氧气浓度、控制水分、利用钝化法、添加缓蚀剂的预防措施;也可以采用设置SO2气体自动控制连锁装置,及时发出警报的治理措施。
[硕士论文] 郝劲
安全科学与工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:安全是人的基本需求之一。无论危险归属于何种类别,由何种因素激发,当危险被激活时,只有居于系统中心和支配地位的人才能主动采取规避或防御措施,排除危险或引导危险发展走向,从而达到阻止事故发生或降低事故损害的目的。从业人员安全可靠性是指在施工现场安全生产中,在规定条件下和规定时间内,从业人员正确认知规定任务和周围环境,输出有效行为,准确作用于规定部位,无差错地完成规定任务的能力。从业人员安全可靠性取决于人的感官能力、反应能力、认知能力、劳动能力、学习能力和心理等六个因素。
  采用问卷调查法,实地调查中小型建设工程生产的安全形势,统计事故发生的频次、从业人员的生物力学指标和组成结构等数据;通过灰色关联度分析法,计算各生物力学因素与生产安全事故的关联度;运用模型分析法和事故案例分析法,结合各生物力学因素与生产安全事故的关联度,计算各生物力学因素随年龄的变化趋势,发现从业人员老龄化对施工现场生产安全造成影响。
  根据分析结果,从主动防御的角度出发,提出相应对策,提高生物力学指标和从业人员安全可靠性,使从业人员在安全生产中发挥积极作用,以达到减少中小型建设工程生产安全事故、优化施工现场安全环境、改善社会生产安全形势的目的。
[硕士论文] 孟子龙
安全科学与工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:火灾烟气造成人员伤亡的主要原因是凝聚相产物烟颗粒(低能见度),及以CO为代表的有毒气相燃烧产物。水幕防火分隔系统,能分隔烟气抑制其蔓延,引入细水雾技术发挥其优势,可以提高水幕的适用性。现有细水雾喷头主要针对灭火,作为防烟分区使用的水雾幕喷头,其首要功能是挡烟。普通细水雾喷头,喷头间形成的锥形包络面之间存在空隙较大,烟气将通过通道,发展新型细水雾幕挡烟技术具有重要的理论意义及工程应用价值。
  本文通过全尺寸实验和数值模拟相结合的方法,研究了细水雾幕的挡烟性能。首先,分析细水雾幕的优化途径,设计加工出喷头,不同结构喷头雾场分布不同,优化后的喷头,压力增大,喷头雾化锥角增大。在喷头正下方2.2m处压力越大,雾通量越大;集水盘不同位置雾通量分布不同,正面雾通量增大幅度大于侧面。
  其次,运用FDS模拟软件对细水雾幕优化效果进行验证。增加侧向喷头细水雾幕加剧挡烟侧空气环流,压力增大环流效果增强。优化后对下游降温的速率快,降温幅度大,温度达到稳定后波动性小,对烟气的分层运动有利。优化后水雾幕对保护侧外造成的水蒸气向下游蔓延的量小于普通水雾幕。在长通道内优化前后细水雾幕同样无法隔断CO蔓延,优化后水雾幕阻挡CO效果优于普通细水雾幕。不同压力、粒径挡烟效果不同,在工程应用中应考虑压力及粒径等工况对挡烟效果的影响。
  最后通过实验发现烟气可以通过普通细水雾幕间隙向走廊下游扩散,优化后喷头形成连续、实密水幕,提高了下游能见度。水雾幕压力增加对烟颗粒的屏障作用大于其对烟气的洗刷作用。流量相同时,优化后细水雾幕对顶棚保护范围更大,在起火段能使热量集聚,降温幅度比优化前大,随着压力、孔径的增大这种优势更为明显。火源功率越大,CO穿透性越强,水幕能够有效地减小CO向下游扩散,但不能完全阻止隔断CO扩散;流量相同时,优化后水雾幕对CO的阻挡效果比优化前明显,普通水雾幕作用下走廊下游5m处CO不再分层分布,优化后CO仍呈现一定的分层。
[硕士论文] 王然
工商管理 广西师范大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国经济社会的发展,如何保持企业永续经营成为一个重要课题,而企业的管理,则包含了建立、运营、安全等各个方面,一个企业如果想基业长青就必须做好各方面的工作,往往我们看到,一个效益较好的企业,因为一个安全生产事故和衍生出来的后续善后问题,直接导致其破产的悲剧。在这种情况下,安全生产问题已经摆在一票否决的重要位置,不再是独立于经营和管理的话题,而是企业管理中绕不过去的管理问题。
  L钢铁公司是国内大型钢铁生产企业,产品和销量在国内钢铁行业处于领先地位。在安全管理上,L钢铁公司以“主管负责、条线管理、全员参与”的思路,按照“谁主管、谁负责”的责任体系系统化、规范化推进安全生产责任“五落实、五到位”,不断提升生产现场本质安全,强化专业服务督查,做好高风险作业管控,强化安全培训,组织员工进行安全承诺,以提升职业健康安全管理体系运行控制水平为重点,每季度进行全要素EHS审核,在推进安全生产自主管理的能力等方面做了大量的工作。但是近几年,L钢铁公司事故频发,给企业、职工都造成较大的负面影响。
  本文通过以L钢铁公司为案例,分析L钢铁公司安全生产现状,综合运用预防机制、预防原理和相关理论,研究往期事故的发生过程和原因,以企业日常事故隐患排查为基础,发现L钢铁公司近年来事故频发的主要原因包含以下几个方面:1、职工的安全教育缺失,违反安全操作规程。员工及管理人员安全管理和技能的培训针对性和有效性不够,员工违章还未有效控制;2、外协管理薄弱。外协人员存在“一体化”管理落实不到位,外协单位自身管理薄弱,人员流动性大,安全意识和劳动技能差;3、应急管理滞后。具体班组操作层面的应急管理较为缺失,演练流于形式,方案设计过于理想化,救援队伍建设严重滞后,不能满足紧急状态下的应急使用要求;4、安全人员配备不足。安全管理还没有做到全过程受控;5、企业内部的安全责任考核不到位。普遍存在重效益轻管理、重生产轻安全的现象,没有发挥考核的导向作用。
  针对以上问题,本文从以下几个方面入手,构建L钢铁公司安全生产预防机制:1、构建L钢铁公司的预防系统建设。包括:企业隐患排查治理体系、EHS体系运行和危险作业管控程序。通过“互联网+企业安全生产隐患排查”,及时发现安全管理的薄弱环节,做到事前预防;2、构建L钢铁公司的外协控制系统。强化外协“一体化”管理,逐步建立战略合格供应商机制,严把准入门槛,实行工亡事故的外协单位一票否决;同时加强与外协单位的合同管理,切实提高违约违规成本;3、构建L钢铁公司的应急救援系统。完善应急联动机制,编制完善企业预案,开展多种形式的预案演练,加强应急平台和资源数据库建设,加大物资储备和应急专项投入;4、构建L钢铁公司的效果评估系统,开展各类检查督查和年度安全绩效评价百分制考核,开展其他考核和奖励。
  同时,从五个方面阐述如何保障L钢铁公司安全生产预防机制有效实施:即“全面提升员工安全素养”、“完善新型管理技术体系”、“提升生产异常情况处置和非生产作业管控能力”、“提高重视,改变观念”和“加强消防交通安全管理”。
  通过研究可以发现,L钢铁公司通过建立安全生产预防机制,能够达到事故率下降、隐患整改率上升的目的;能够满足国家安监总局安全生产标准化一级达标企业验收标准;能够改善企业形象,提升管理水平,成为本市安全生产先进单位典型并推广先进经验。L钢铁公司建立的安全生产预防机制,对本公司是适用的,是实用性较强的、合理的、完整的管理标准,能够有效地改善L钢铁公司的安全管理水平,保障安全生产目标的实现。
[博士论文] 何豪
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会发展和时代进步,人们生活逐渐电气化和智能化。电子电气设备的广泛应用,带来电气火灾事故频繁发生,严重威胁着人们的生命财产安全,受到社会的普遍关注。导线是电气火灾最主要的起火源之一,其中聚乙烯导线因其无卤低烟特性,被广泛应用于人员较集中的场所。开展针对聚乙烯导线防火安全研究具有重要的现实意义。
  导线在通电情况下,由于线芯焦耳热效应,自身持续发热,对紧密包裹的绝缘层起到加热作用。在有火蔓延时,导线下方出现熔融可燃物积聚,并且随火焰传播而发生流动,体积逐渐增大,当积累量超出其表面张力所能维持的最大极限时,就会发生滴落。滴落可以有效扩大燃烧范围,造成火势的迅速发展以及十分严重的后果。本文旨在研究通电聚乙烯导线火蔓延伴随的熔融滴落行为,通过理论分析与实验研究相结合的方法,揭示其产生机理、形成及演变过程、临界条件等,从而深刻认识导线火灾发生发展的过程及规律,为导线火灾的有效防治提供理论依据和数据支撑。
  首先,根据导线燃烧特点,从燃烧学、火灾学、传热传质学等基础理论出发,建立相关理论模型,考察通电导线的温升情况以及达到稳态时的导线平衡温度;从燃烧的质量传递数出发,理论计算出通电导线火蔓延过程中绝缘层的质量燃烧速率;结合导线火蔓延过程,计算得到熔融绝缘物的积累速率;从液滴表面张力出发,推导出发生滴落时的液滴体积,进而得到导线滴落频率的理论表达式。
  其次,选取相同绝缘层厚度、不同线芯直径的铜芯聚乙烯导线作为实验材料,开展常压和低压环境下通电导线火蔓延伴随熔融滴落行为的实验研究。结果表明:熔融滴落的发生,是一种量变引发质变的过程。量变指的是电流增大带来熔融物积累速率加快,质变指的是液滴的形成。较大电流作用下,焦耳热效应使得热塑性绝缘材料处于轻度的热解状态,在火焰辐射作用下绝缘层可很快发生熔融及热解,从而加快了绝缘层的质量损失速率。而绝缘层损失的质量,一部分用于燃烧,一部分形成熔融物。随电流增大,熔融物燃烧速率的有限增幅比不上积累速率的增加,从而导致积累量持续增多。当积累量超出液滴表面张力所能承受的极限,滴落就成为一种必然发生的现象。
  对熔融液滴下落及燃烧过程进行分析,结果表明熔融液滴在下落过程中可以维持一个相对稳定的火焰状态。火焰呈细长的尖锥形,在经过一段距离的下落后,液滴仍然具有较高的温度,具备维持燃烧、甚至点燃其它可燃物的能力。分析液滴下落距离,得到液滴下落过程中的速度及加速度。滴落的发生呈现周期性,结合实验结果,得到不同电流下导线的滴落时间和滴落频率,并且与理论计算结果进行比较。对于线芯横截面较小的导线,其滴落频率与电流的平方呈线性正相关,而且滴落时间随导线平衡温度升高而呈指数递减。此外,滴落对导线火蔓延造成较为明显的影响作用,主要表现为火焰高度在滴落前后发生剧烈跳变,由最大值急速减小到最小值,此后随着熔融物的再次积累增多,火焰高度又重新开始缓慢增长,进入下一个滴落周期。而火焰宽度仅在滴落前后的短暂时间内发生轻微振荡,火蔓延速率几乎不受影响。
  最后,通过开展低压导线燃烧相关实验研究,分析得出火焰辐射减弱带来熔融物热解速率减小是造成低压下滴落速率加快的重要原因。低压下滴落的频繁发生,带来大量的热耗散,造成火焰短时消失、甚至完全熄灭的后果。而且,随着压力的降低,触发滴落所需的电流值减小,滴落更加容易发生。但是这种变化是非线性的,在1.0-0.8atm的阶段,临界滴落电流的变化较小,而在低于0.8atm的阶段,临界滴落电流迅速降低。此外,导线熔融滴落频率随环境压力的降低而增大,尤其是在较大的通电电流作用下,滴落频率随压力降低由线性增长逐渐发展为抛物线性增长。低压下导线熔融滴落与自身平衡温度具有更强的相关性。在较低的环境压力下,不论导线线径大小,其火蔓延时的导线温度越高,熔融物积累直至滴落所需要的时间就越短,滴落频率也越大。
[博士论文] 吴志博
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:燃烧是受流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程。燃烧过程会不同程度地受到外部环境条件的影响,尤其是外部环境压力和氧气浓度,对燃烧的影响极大。而在我国广阔的高原地区,特别是中印边界,其较高的海拔高度造成了低压、低氧(主要指氧气密度)、低温的独特环境条件。这种环境条件的差异将会导致燃料在这些地区独特的着火和燃烧特性。研究发现,随着海拔高度的增加,不断降低的环境压力会使燃料的火灾危险性显著提高,同时在燃烧时发生严重的燃烧衰减现象。一个典型实例是高原燃烧炉在实际应用过程中会出现诸如点火难、燃烧效率低、燃烧不充分、炭烟生成量高、燃烧不稳定等诸多问题。这些问题严重制约着高原能源利用效率,在军事和民用的众多方面造成了严重的资源浪费和技术难题。因此,研究高海拔低压低氧环境条件下燃料的着火和燃烧特性,不仅事关高原地区的火灾安全防控,而且对提高高原地区的能源利用效率具有重要意义。
  本文以高原常用的-35#柴油(多组分复杂燃料的代表)为研究对象,依托青藏高原天然的海拔高度差,优选包括合肥在内的6个不同海拔高度的地区(合肥(50m)、西宁(2270 m)、格尔木(2830m)、拉萨(3650m)、羊八井(4300m)、沱沱河(4780m))开展实地的着火和燃烧实验,采用实地实验、数值模拟及理论分析等研究手段,将燃料基础着火及燃烧特性研究,燃料的高原燃烧强化研究与燃烧器优化设计有机结合。具体内容概括如下:
  研究主要分别两部分:第一部分为燃料高原着火特性研究;第二部分是燃料的高原燃烧特性及燃烧强化研究。
  着火特性的研究方面分为两步,首先关注液态燃料的闪点随海拔高度(压力)的变化规律及其预测模型的建立。利用全自动闭口闪点测定仪,通过实地实验,揭示了液体燃料的闪点随海拔高度升高而呈现非线性降低的变化规律。进而以Clausius-Clapeyron方程和Le Chatelier's flammability rule为基础,建立了两种闪点预测模型,这两种模型能够准确预测单一组分燃料和复杂多组分燃料在不同海拔高度的闪点值。之后,我们利用FDS6.0对燃料的气相着火过程进行数值模拟研究,通过对PMMA热解着火过程中的对流热损失、气体扩散系数、热解气层厚度以及热解气层浓度梯度等通过实验难以测量的参数的研究,深入探究压力对燃料着火过程的影响机制。
  燃烧特性及燃烧强化方面,主要探究高海拔低压低氧环境对燃料燃烧的削弱作用,同时提出两种可能的燃烧强化方法:一是通过火旋风改变燃烧炉的燃烧形式的方法来进行燃烧强化。通过对比火旋风和池火的燃烧特性,如燃烧速率、热释放速率、燃烧效率以及火焰温度等,对火旋风的燃烧强化的效果进行量化。二是通过使用过氧化物添加剂改变燃料特性的方法进行燃料的着火和燃烧强化。通过对比实验研究添加剂含量对着火和燃烧强化效果的影响,并对其着火和燃烧强化效果进行量化。获得的实验数据为新型火旋风高原燃烧炉的设计和制造提供理论依据。
  最终,在燃料高原着火特性和燃烧特性的实验和理论研究基础上,结合高原燃烧强化方法的研究,设计新型火旋风高原燃烧器,通过实地测试和改进,针对性的解决现有高原炊事燃烧器实际应用中出现的点燃难、燃烧效率低、能源利用率低、炭烟生成量高、燃烧不稳定、设备故障率高等问题。
[硕士论文] 任星宇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:卤代烷抑制剂是一类有着广泛应用前景的哈龙替代灭火剂,但是,相关研究表明,一些卤代烷在贫燃条件下会产生促进燃烧的效果,造成燃烧温度和压力的异常升高。卤代烷抑制剂的灭火机理包括化学阻燃机理和物理阻燃机理,这两种机理的共同作用导致了促燃或阻燃的效果。实验中难以实现对物理化学作用的解耦,使用计算机数值模拟的方法,可以有效的将化学作用和物理作用进行分离,对卤代烷的异常促燃现象进行深入分析。
  本文对反应动力学机理进行改动,实现对全氟己酮(C6F12O)和五氟乙烷(C2HF5)化学反应活性的控制,通过人为开启或关闭相关反应,来区分这两种抑制剂对甲烷-空气层流火焰的物理和化学作用。研究表明,根据物理和化学作用之间的关系,可以将反应区域划分为协同效应区和非协同效应区。同时,数值模拟的结果也验证了C6F12O和C2HF5的燃料效应,在贫燃区域,这两种物质充当燃料,从而增加反应的化学当量比,导致层流火焰速度的增加;在当量比大于1.10(或1.20)时,这两种物质的添加导致富燃效应,从而在物理上和化学上均降低层流火焰速度。初始温度和压力的变化也会导致C6F12O和C2HF5化学效应的变化,温度的升高会导致化学促燃效应的降低,而压力的升高会大幅度增加其化学促燃效果。
  CF3I是一种可以媲美CF3Br的卤代烷阻燃剂,其优点在于对环境的影响小,不会破坏臭氧层。本文利用对冲火焰实验装置,测量了CF3I对甲烷-空气层流火焰速度的影响,获取了一系列详细的实验数据,并与模拟值进行了对比,实验值和模拟值吻合良好。和C6F12O和C2HF5不同,CF3I即使在贫燃条件下依然具有良好的阻燃效果,在当量比为0.6时,0.3%的CF3I添加就使得火焰速度降低为原来的52.4%。通过对CF3I的物理和化学效果进行分析发现,CF3I的化学效应在任何情况下均不会引起促燃效果,且随着当量比的增加呈现出先降低后增加的趋势。
[硕士论文] 赵思威
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:由于航天器内大量导线电缆的使用,使得导线短路过载时所引起的电气火灾,成为了航天器正常工作所必须考虑的重点问题。首先,电气火灾的发生不仅会影响到航天器的正常运行,同时也会影响到航天员所处的生存环境。其次,航天器的内部是一个微重力环境,自然对流减弱,这一条件下导线等材料的着火燃烧与常重力条件下有很大不同,不能简单地与地面所得的着火结论进行等同处理。最后,航天器在设计时,考虑到宇航员的生存,舱内的氧气浓度会高于21%,这一变化对于材料的燃烧也会产生重要影响。随着航天科学技术的不断发展和相关应用的不断深入,“太空经济”时代已经到来,在迎接这一时代的阶段,载人航天器的防火安全问题就变得十分关键的,它对于航天员的安全、航天任务的完成以及我国的航天战略的顺利进行都意义非凡,而其中火灾安全问题的关键之一就是导线的着火。在以往的实验研究中,学者们主要选取PE、PVC等普通导线进行研究,而很少对太空中广泛使用的FEP、ETFE等高温导线开展研究,因此也主要针对这一方面展开研究。
  实验中所用到的低压实验平台主要由四部分组成:(1) JRC-500低压舱系统,用于提供实验所需低压环境;(2)实验控制系统,包括压力、氧气浓度及电流控制装置等;(3)图像采集系统,记录整个实验过程;(4)实验导线搭载系统。文中所用的实验材料是以NiCr为线芯、聚全氟乙丙烯(FEP)为绝缘层的导线,同时也进行了NiCr线芯的聚乙烯(PE)绝缘层导线在部分工况下的实验,用于对比分析。低压舱内的温度(20℃),湿度(40%)等均保持不变,实验中设定9个环境压力工况(20 kPa-100 kPa,10kPa间隔)和3个氧气浓度(OC)工况(21%,30%,40%,体积浓度),共计27个工况,这些工况主要通过低压舱系统和控制系统实现。实验中控制过载电流为13A不变。整个实验过程都在暗室中进行,以避免外界光源对着火图像的影响。
  通过对实验现象和实验结果的分析,得出以下结果:FEP导线在电流过载时发生的热解可分为两部分,一是绝缘层外部热解,该过程中产生的热解气体,其形状会随着环境压力而变化,且热解气体上升速率随着环境压力的增加而降低,与氧气浓度的关系不大;二是绝缘层内部热解,该过程产生的热解气体会在导线内部积聚,形成热解气泡,热解气泡的宽度随着压力的增加而增加,而高度则随着压力的增加而降低。热解气泡达到最大尺寸后会发生破裂并喷出热解气体,随后发生着火现象。FEP导线喷射着火时,着火点在导线中间位置出现的概率最高,根据其着火特点,喷射着火可分为对称式喷射着火和非对称式喷射着火两种情况:非对称式喷射着火的火焰形状像“日珥”,一端先发生着火,然后引燃另一端的热解气体;对称式喷射着火从着火瞬间到达到最大火焰的过程中,火焰形状始终保持对称。对于着火时间的研究,主要把着火时间tig分为气泡形成时间tb和引导时间tin两部分,气泡生成时间tb定义为实验回路通电瞬间到热解气泡达到最大尺寸时的时间间隔,引导时间tin定义为气泡破裂瞬间到着火瞬间的时间间隔,通过对实验结果分析,得出tb随着环境压力的增加而降低,其与氧气浓度之间的关系不大;tig随着环境压力的增加而降低,且氧气浓度增加也会使tin降低。由于着火时间tig是上述两个时间之和,因此其会随着环境压力的增加而降低,随着氧气浓度的增加而降低。
[硕士论文] 黄晓哲
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高原、高空等低压低氧环境下的火灾防控一直以来是社会关注的热点问题。碳烟是含碳可燃物未完全燃烧的产物,是观察可燃物燃烧行为的重要参数。研究低压低氧条件下的碳烟分布规律,对进一步深入研究高原、高空环境下燃烧行为特征和火灾防控方法具有重大意义。
  本文主要研究了几种典型可燃液体在低压下的层流扩散火焰形态特征及碳烟浓度分布规律。利用内径为240 mm、高度为600 mm,可调压力范围为40~101kPa的低压燃烧实验舱及酒精灯式燃烧器,分别对8种可燃液体样品在7个低压工况下(40、50、60、70、80、90和101 kPa)进行了燃烧实验,样品包括3种纯净物(正己烷、正庚烷和正辛烷)、3种混合物(纯净物按质量配比)和2种商用燃料(汽油和航空煤油)。
  定量分析了三种可燃液体纯净物在40~101kPa压力范围内的火焰高度、宽度及其与压力的关系,发现其火焰高度均随压力升高而增加,火焰宽度随压力增加而减小,含碳量越高,火焰宽度随压力的变化越慢。
  利用激光诱导炽光法研究了8种实验样品在低压条件下火焰碳烟浓度分布规律与压力变化的关系,结果表明对同一可燃液体,压力越高,碳烟浓度越大;在同一压力下,可燃物含碳量越高,碳烟浓度越大。从火焰根部到顶部,碳烟浓度的集中分布位置分为两个阶段:从火焰根部到某一临界高度,碳烟集中分布在以火焰中轴线为中心的环形区域内;从临界高度到火焰顶部,碳烟集中分布在火焰中轴线上。
  通过对本实验中整个火焰的碳烟浓度峰值进行半定量分析,并与其他学者的实验结论进行比较,得到规律:该峰值与压力成指数关系,可燃物含碳量越高,指数越小。
[硕士论文] 刘琪
安全科学与工程 武汉科技大学 2017(学位年度)
摘要:为了避免泄爆引发的有毒介质排放和泄爆火焰危害等二次灾害,基于多孔介质阻火能力和衰减压力波的作用,对泄爆过程的安全可靠性展开了研究。
  采用流体动力学软件,对不同参数多孔介质条件下球形容器泄爆收容过程进行了数值模拟,研究多孔介质对泄爆火焰传播的影响。结果表明:导管内衬多孔介质时,火焰温度明显下降,泄爆容器和收容容器内的压力值都降低,多孔介质的存在能有效降低泄爆收容过程的爆炸强度;距泄爆容器250mm导管内衬多孔介质相比距收容容容器200mm时,泄爆容器压力峰值降低4.1%,收容容器压力峰值降低24.7%;多孔介质越厚,其保护效果越好,当厚度增加到20mm时,泄爆容器压力峰值下降7.2%,收容容器压力峰值降低41.2%;在一定范围内增加多孔介质长度时,收容容器内压力峰值降低,达到900mm后,继续增加多孔介质长度,收容容器内压力峰值下降不明显,说明存在一个最佳的长度值;多孔介质分段分布时,收容容器中的压力峰值相比连续分布时下降了12.1%,可作为泄爆收容优化设计的参考。
  根据多孔介质对泄爆火焰传播的影响以及多孑孔介质淬熄火焰热理论,试验研究了针对不同爆炸强度的两种泄爆火焰抑制结构。在2.7m3爆炸容器中进行粉尘泄爆试验,首先探究安装泄爆火焰抑制结构带来的阻塞影响,发现安装泄爆火焰抑制结构泄爆最大压力Pred会增加10%左右。然后进行不同粉尘爆炸指数和剩余压力下泄爆火焰抑制效果研究,并探究实际应用中容积大小与泄爆火焰抑制结构填充量的关系,得到:粉尘爆炸指数越大,泄爆火焰抑制结构金属丝屑和惰性矿物质的填充量越大;泄爆最大压力Pred增加到0.07MPa时,只有Ⅱ型泄爆火焰抑制结构才能熄灭其泄爆火焰;对Ⅱ型泄爆火焰抑制结构在泄爆最大压力Pred取0.07MPa~0.25MPa时进行泄爆火焰抑制试验,得到了惰性矿物质与泄爆最大压力Pred的关系;由立方根定律推算得到了实际应用中不同容器大小下泄爆火焰抑制结构金属丝屑和惰性矿物质填充量的确定方法。
[博士论文] 姜林
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:可燃物的热解与火蔓延过程是火灾中初始阶段和发展阶段的两个分过程。热解是火蔓延的基础,决定着材料后续火灾的发展,火焰的热反馈辐射到材料表面又加剧了热解,因此材料的热解与火蔓延特性研究一直是国内外火灾科学工作者重点研究的对象。聚合物材料作为建筑中常用的功能及装饰材料,广泛应用于外墙保温及室内装修领域,其在火灾中的诸多特殊的燃烧行为使得聚合物成为火灾科学领域研究最为深入的材料。当聚合物材料表面存在外加热流时,暴露于热流的材料开始发生热解并产生大量可燃气,可燃气在材料表面以析出气泡的形式从材料的内部传输到材料的表面,与材料表面的空气预混形成预混可燃气,遇到明火后便会在热解区上方形成火焰。同时,热解区的火焰会以热传导、热对流及热辐射三种传热方式对四周未燃区的材料实施热量传递,未燃区的材料受热后会继续分解产生可燃气,当未燃区的可燃气达到一定浓度时,则会被热解区的火焰点燃,如此往复循环使得材料的表面形成持续的火蔓延现象。与其他的木材、棉、麻等可燃物相比,聚合物材料属于化学合成,更容易被点燃,同时燃烧热解过程中会产生大量的有毒有害气体,此外热塑性材料在燃烧及火蔓延过程中还容易发生熔融滴落的现象。
  热解是燃烧的第一步,而反应动力学的研究又是研究热解的基础,通过热解反应动力学可以探索聚合物热解反应速率及反应机理。热解方面,本文选取了Extruded polystyrene(XPS)和Polyurethane(PU)分别作为聚合物一步反应和多步反应的代表,对两种材料的热解动力学进行了深入的研究。通过遗传算法对XPS及PU各步反应进行分离,并分别计算每一步反应的动力学参数,然后将计算结果与传统的动力学方法Kissinger-Akahira-Sounose(KAS)法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法及Friedman法进行比较。遗传算法对反应物、中间产物及最终产物的计算完全是以理论计算为基准的,为了验证其有效性,我们采用TG-MS和FTIR技术对热解过程中的产物进行监测,并与遗传算法的计算结果进行对比,从而验证了遗传算法在聚合物热解动力学中应用的准确性。
  在火蔓延方面,本文在热解研究的基础上对聚合物材料的水平及竖直火蔓延进行了实验及理论研究。首先,选取了Polymethylmethacrylate(PMMA)、XPS和Expandable polystyrene(EPS)三种典型的聚合物作为水平火蔓延的研究材料,并将材料的几何尺寸设定成不同的宽度和厚度。试验发现随着材料宽度的变化,聚合物的水平火蔓延速度在某一宽度范围内会出现最小值。基于这一特殊的实验现象,本文建立了火蔓延过程中的热输运模型,从传热的角度指出了最小火蔓延速度的产生机制。该模型指出水平火蔓延过程是受火焰的对流及辐射两种竞争机制所控制的,而且热解区的总热流随材料的火蔓延速度出现了相同的变化规律。
  最后,本文以不同尺寸的PMMA材料为研究对象,探究了材料宽度及厚度对竖直火蔓延的影响,并将研究结果与前人所研究的大尺度PMMA竖直火蔓延研究结果进行对比。由于聚合物材料的竖直火蔓延主要受控于浮力驱动的对流传热,因此本文以对流传热分析而基础,建立了基于Emmons假设的质量损失速率模型,并得到了较为理想的预测结果。该模型拥有较广的预测范围,可适用于浮力驱动的竖直火蔓延及水平外加风作用下强迫对流。该模型中的质量损失速率为材料尺寸及热物理参数的函数。最后,本文对水平和竖直火蔓延过程中的火焰高度进行无量纲分析,建立了适用于聚合物竖直火蔓延的火焰高度无量纲预测模型。
[博士论文] 王静舞
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:外界流场作用下射流火的动力学行为特征,一直是燃烧学及火灾学基础研究的重要对象。空气流动风场会对射流扩散火焰形态、燃烧特征等产生重要影响,其研究结果对于提高工业锅炉的燃烧效率、减少油田或化工厂废气燃烧污染物的排放、降低早期火灾探测的误报与漏报率等有重要意义。
  本文首先从唯象学角度,针对横向风条件下射流火,综合考虑浮力、剪切力、惯性力对湍流射流扩散火焰的耦合作用,建立横向和垂直方向的动量方程并求解得到火焰倾角公式,进一步利用火焰理查德森数对公式进行简化,建立了包含浮力-过渡-动量三种不同主控模式的全局火焰倾角模型。
  其次,自主研制了小尺寸风洞平台,以丙烷为燃料,针对横向风条件下3 mm(动量主控)与8 mm(浮力主控-过渡)两种不同喷嘴直径的射流扩散火焰形态与燃烧特性,开展了实验研究。燃料射流出口雷诺数(Re)310~3305,弗洛德数(Fr)0.351~756,风速范围0.5~4.0 m/s,射流-横向风动量通量比(RM)0.077~13.188,热释放速率范围0.698~2.790 kW。实验利用图像分析确定火焰长度、倾角等形态参量,基于比色测温法反演计算火焰温度及碳黑体积分数分布,利用可见火焰长度与化学当量比火焰长度的关系确定火焰烟点状态。
  研究结果表明,随着RM值逐渐增大,火焰依次呈现三种典型形态。当RM值较小时,火焰主要存在于喷嘴出口平面以下,且集中于喷嘴背风侧的负压区,称为下洗现象;随着RM值的增大,火焰呈现出三区域结构,第一个区域指下洗区域,第三个区域指对称分布的狭长、亮黄色火焰。这两个区域中间的连接区为第二个区域;RM值继续增大,下洗区域逐渐减小并消失,呈现两区域结构。
  火焰长度随着横向风速的增大或者RM值的减小,先稍微增大后减小。无量纲火焰长度与射流Fr的关系为LF=18.8Fr0.239。基于本文中的实验结果,给出了火焰长度转捩点的临界风速与RM值。对于给定喷嘴直径,临界RM值趋向于定值。
  根据火焰倾角实验结果及理论分析,基于RM与Fr,提出了三种不同的倾角主控模式,确定了全局火焰倾角理论公式的适用范围:横向风/浮力主控模式(RM<0.01,Fr<0.1),过渡模式(0.01<RM<10,0.1<Fr<103),和射流/动量主控模式(RM>10,103<Fr<105)。
  火焰温度和碳黑体积分数总体随着横向风速的增大或者RM值的减小逐渐降低。火焰辐射分数随横向风速的增大,8mm直径工况先稍微增大后降低;3mm直径工况则是逐渐减小。
  最后,给出了横向风条件下,火焰达到烟点状态的临界风速与RM值。随着燃料流量的增大(射流Fr增大),临界风速与RM值都有增大的趋势。临界RM值与射流Fr的关系为RM=0.170Fr0.345。烟点火焰长度与Fr的关系为LF,sp=13.8Fr0.279。烟点条件下,8 mm直径工况火焰为典型的三区域结构,而3mm工况火焰为典型的两区域结构。在实验范围内,当燃料流量大于某临界值后,无量纲火焰长度的烟点值与最大值之比趋于定值,且3 mm直径比值大于8mm直径。
  烟点火焰辐射分数随着燃料流量的增大(射流Fr增大),8mm直径逐渐上升,而3mm先升后降;并且8mm工况远大于3mm。两种喷嘴直径之所以出现不同的趋势,主要是因为不同RM值造成了不同的火焰流场和火焰碳黑运动轨迹。烟点火焰辐射分数与无量纲火焰长度之比与RM值的拟合结果为8 mm工况:xR,sp/LF,sp=0.047RM-5.56×10-4,3mm工况:xR,sp/LF,sp=-3.034RM+5.42×10-4。
[博士论文] 原向勇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:近些年,随着经济的发展,越来越多的高层建筑已经被建立。与此同时,灾难性建筑火灾事故时有发生,尤其是高层建筑火灾,引起了越来越多的关注。研究表明,在建筑火灾中85%的受害者是由于吸入了有毒有害的烟气,例如一氧化碳。在建筑中,有许多竖向通道,像楼梯井、电梯井和通风管道。发生火灾后,当烟气进入了这些竖向通道,烟囱效应这种特殊的现象将会发生。一旦形成烟囱效应,烟气的传播速度非常快,竖向通道很快将会充满烟气,这将给人员疏散和救援带来很大困难,并且威胁着火楼层之上居民的安全。同时,在烟囱效应的作用下,大量的新鲜空气流进建筑内部,可以使小火迅速扩大,可能引燃周围的可燃物,扩大燃烧面积。建筑通常是在有风的环境中的,外界风作用在建筑外立面将会形成风压,外界风和烟囱效应的耦合作用将对建筑内火灾的发展和烟气的流动特性产生影响。
  本文利用1/3尺寸楼梯井实验台和1/6尺寸竖井实验台,综合采用文献调研、理论分析、实验研究等方法,研究了外界风作用下建筑竖向通道及相连空间内火灾发展特性。
  研究了烟囱效应强度对火焰形态和热反馈的影响。研究结果显示,楼梯间内的热压随着热释放速率和楼梯间开口高度的增大而增加。无量纲补风速度与热释放速率和开口高度乘积的1/3次方成正比,并且建立了它们之间的关系。对于相同的热释放速率,着火房间和前室上部的平均烟气温度随着开口高度的增大而降低;对于相同的开口高度,着火房间和前室上部的平均烟气温度随着热释放速率的增大而升高;对于较小的火源功率,着火房间上部的平均烟气温度要比前室的高;随着热释放速率的增加,房间上部的平均烟气温度要低于前室的温度。无量纲平均火焰长度与无量纲热释放速率的2/5次方成正比,但是比Heskestad提出的方程的计算值要小。对于丙烷气体燃烧器,热释放速率与燃烧器表面接收到的热反馈无关,平均火焰倾斜角度随着热释放速率的增大而增加,但是对于较大的热释放速率,增量变得相对较小。随着楼梯间开口高度的增加,油池接收到的传导和辐射热反馈增加,但是当开口楼层较高时,传导热反馈保持几乎不变;随着开口高度的增加,门口的补风速度增加,燃料的燃烧速率增加,但是对流热反馈分数保持基本不变,说明它是影响燃烧过程的主要因素,这与前人在开放空间的研究结果一致,当弗罗德数Fr大于1.0的时候,随着风速的增加,其保持基本不变;而油池接收到的传导热反馈分数轻微的降低,辐射热反馈分数增加。
  研究了竖井顶部开口正向风对竖井与走廊相连结构内火灾发展特性的影响。研究结果显示,对于一定尺寸的油池,存在一个临界风速;当正向风速小于临界值时,会发生火焰朝向转捩行为;否则,火焰的倾斜方向不会发生变化。稳定状态,当正向风速小于临界值时,火焰向竖井方向倾斜,正庚烷池火的平均火焰倾斜角度大约是71度,与油池尺寸和正向风速无关,预示着在稳定燃烧阶段,烟囱效应引起的补风产生的水平惯性力和燃烧产生的热浮力建立了动态平衡关系;而甲醇池火的平均火焰倾斜角度随着正向风速的增大而减小。当正向风速大于临界值时,火焰向室外方向倾斜,正庚烷和甲醇池火的平均火焰倾斜角度的绝对值都随着正向风速的增大而增加。当正向风速小于临界值时,正庚烷池火的平均火焰长度随着风速的增加而减小;当风速接近临界值时,达到了最小值;当风速大于临界值时,平均火焰长度随着风速的增加而增大。提出了一个判断火焰倾斜方向的无量纲数R,对于正庚烷池火,R的临界值为0.041;对于甲醇池火,R的临界值为0.085。当正向风速小于临界风速时,稳定阶段,随着正向风速的增加,正庚烷池火的燃烧速率没有明显的变化;当接近临界风速时,正庚烷和甲醇池火的燃烧速率都降低;一旦超过了临界风速,正庚烷和甲醇池火的燃烧速率随着风速的增大而增加,并且正庚烷池火的燃烧速率是开放空间中相同风速下的2倍左右。此外,当烟囱效应发生时,竖井内的平均温升和燃烧速率呈幂指数关系,否则,将保持环境温度。
  研究了竖井顶部开口侧向风对竖井与走廊相连结构内火灾发展特性的影响。研究结果显示,当竖井顶部开口存在侧向风时,在火灾发生之前,竖井内部就存在着由下而上的气体流动,即由于竖井项部开口侧向风引起的压力差形成的气体流动现象;一旦发生火灾,这种由于竖井项部开口侧向风的作用引起的竖井内由下而上的气体流动和烟囱效应的耦合作用将对烟气流动和燃烧产生影响。侧向风对正庚烷池火的影响,主要体现在燃烧开始到稳定燃烧之前,对于相同尺寸的油池,随着竖井顶部开口侧向风速的增大,门口补风速度增大,走廊内正庚烷池火燃烧速度加快,燃烧达到稳定阶段的时间提前,燃烧的总时间缩短。在稳定燃烧阶段,随着侧向风速的增大,门口的补风速度增大,而正庚烷池火的燃烧速率并没有明显的变化,说明补风速度的增加对燃烧的促进和抑制作用相互抵消;甲醇池火燃烧速率先是保持基本不变而后增加,说明当风速较小的时候,其对燃烧的促进和抑制作用相互抵消,当风速较大的时候,其对燃烧的促进作用占主导。在稳定燃烧阶段,随着侧向风速的增加,正庚烷池火的平均火焰长度减小,但是其平均火焰倾角保持基本不变,说明燃烧产生的热浮力和补风形成的水平惯性力达到了动态平衡;甲醇池火的平均火焰长度变短,平均火焰倾斜角度变小。
[硕士论文] 何选泽
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高原和航天飞行器等低压环境中的火灾安全受到越来越多学者的关注,低压固体火蔓延是火灾安全中的重要基础课题,火蔓延决定了火灾初始速率和火灾规模,研究低压环境下固体火蔓延特性,对于低压环境的火灾防控有重要的指导意义。通过对研究现状进行总结,发现低压下近熄灭极限区的火蔓延研究较为缺乏,低压下火蔓延近熄灭极限区向幂指数区转捩机理更亟待进一步研究。
  本文选用热薄纸张作为研究对象,自主设计并搭建了低压实验舱和火蔓延实验系统,通过有规律的改变环境压力和氧气浓度,开展了一系列的低压水平火蔓延实验研究。通过火蔓延特征参数(火蔓延速度、火焰图像、火焰辐射和火焰温度)的实验测量,结合燃烧学和传热学对实验现象进行了深入的理论分析。
  首先实验研究了压力和氧气浓度耦合的火蔓延熄灭极限,发现极限氧气浓度下的火蔓延速度,火焰宽度和火焰厚度变化规律一致,均随着压力的升高而逐渐降低,但在30 kPa时均出现了突然增大的现象。
  其次研究了压力和氧气浓度单一变量下的火蔓延规律,发现压力25 kPa时,火蔓延速度开始线性增长,火焰图像的内部蓝色火焰逐渐变黄,火焰亮度增大,形状也由椭圆形逐渐变成三角形,火焰辐射也突然增大。
  最后结合实验结果与文献数据,研究了低压火蔓延近熄灭极限区转捩幂指数区机理,通过深入分析热边界层厚度和热反馈能量,提出25 kPa为火蔓延近熄灭极限区与幂指数区分界压力,揭示了火蔓延分区转捩机理,并建立了纸火蔓延在压力和氧气浓度耦合作用下的全局模型。
[硕士论文] 薛岩
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:导线的绝缘层往往是聚合物材料,着火后容易发生持续的火蔓延现象。导线的火蔓延过程中间伴随着绝缘层的熔融滴落现象,这是一个复杂、多相、物理与化学反应的过程,并且给航空航天飞行带来了非常大的火灾安全隐患。此外,由于航空航天器自身环境特殊性,飞机所处的环境压力大约为80千帕,而空间站所处的又是微重力环境,氧浓度一般控制在30%左右,与地面环境有很大的不同。如果仅仅依靠地面常规的实验来判断导线火蔓延的危险性,往往不能准确预测航空航天器实际应用中的环境情况。因此,在地面环境下,建立适宜的实验设备模拟低压条件和高氧浓度空间,意义显得非常重要。
  本文在总结调研前人对导线火蔓延研究的基础上,选取镍铬合金线芯聚乙烯绝缘层(NiCr-PE)导线,铜芯聚乙烯绝缘层(Cu-PE)导线和镍铬合金乙烯四氟乙烯绝缘层(NiCr-ETFE)导线为研究对象,自主设计了低压实验舱设备和导线火蔓延实验平台,研究了不同压力,不同氧浓度下三种导线的火蔓延速度和火焰形态特点,重点分析了NiCr-PE导线与Cu-PE导线熔融的熔融滴落过程,揭示了导线火蔓延过程中熔融滴落现象的机制。
  在理论研究方面,本文参照液滴蒸发燃烧模型,分析了PE导线熔融滴落的物理过程和传热传质特点,建立了熔融滴落的质量守恒方程,得出了液滴直径(D(t))的增长公式。通过对熔融液滴的受力分析,得出了熔融液滴的理论滴落周期(t0)和临界滴落直径(Dcr)值。
  在实验研究方面,首先根据不同压力下的PE实验结果,验证了理论t0与Dcr的正确性。然后对比分析了NiCr-PE导线与Cu-PE导线的火蔓延速度随氧浓度和压力的变化关系的区别,定义了PE导线熔融滴落上限和滴落下限的概念,得出了不同氧浓度下,两种导线滴落上限和滴落下限的变化规律。最后分析NiCr-PE导线与NiCr-ETFE导线的实验结果,对比了两种绝缘层材料对火蔓延速度与火焰形态的影响。
[硕士论文] 陶奇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:森林地表火蔓延是森林火灾最主要的形式。本文主要研究点火源引燃条件下坡度和燃料载荷对火蔓延过程的影响。在变坡度火蔓延实验台上,用刨花丝为燃料,分别开展变化7个坡度角和3种燃料载荷的点火源引燃火蔓延实验研究。重点分析火焰几何参数(火线夹角,火焰倾斜角,火焰长度)、火线形状、全局火蔓延速率、局部火蔓延速率以及火前锋阻滞时间的变化规律。
  上坡火线夹角、火焰倾斜角随坡度角的增大而减小,火焰长度随坡度角的增大而增大。平坡条件下,火线呈规则的圆形,阻滞时间高于上坡火前锋的阻滞时间。坡度条件下,火线形状会呈泪滴状,当坡度角低于20°时,上坡火蔓延速率随坡度角缓慢增大;当坡度角高于20°时,上坡火蔓延速率随坡度角迅速增大。上坡火蔓延表现出整体稳定和局部波动的特征。自引燃点向下、左、右的火蔓延速率随坡度角的增大震荡变化。
  上坡火焰长度随着载荷的增大而增大,引燃点位置向上、下、左、右的火蔓延速率均随载荷的增大而增大。高坡度条件下(22.5~30°)上坡火蔓延速率随着载荷增大的速率,高于低坡度条件(0~20°)。除平坡外,任意坡度下4个方向上的火前锋平均阻滞时间均随载荷的增大而增大。
  上坡火蔓延过程中,随坡度角增加,火焰长度增长且火焰倾斜角增大,火焰对燃料的辐射传热增强,引发了火蔓延速率的增大。
[硕士论文] 崔杰
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:汽车作为代步工具慢慢进入我们的平日出行,提供便捷的同时也带来一系列安全问题。汽车油品是一类热值高、危险性强的材料,是车辆火灾主要危险源之一。汽车在运行过程中发动机舱积聚着大量热量,各类油品暴露于热辐射下,且行车过程中由于颠簸、碰撞导致的燃油泄漏、滴落而引发的火灾举不胜数。因此,研究汽车油品在外部辐射条件下的燃烧特性和火灾危险性对汽车油池火蔓延的预防和控制,降低火灾危害程度具有重要意义。
  目前国内外关于汽车油品在外部辐射条件下的研究较少,本文在对汽车油品火灾现状调研的基础上总结出油品燃烧的原因主要有两个,一个是外部火源引燃,即油品遇到电火花或其他火源引起火灾;另一个是油品自燃,即油品在车内热辐射条件下自身发生物理化学反应达到自燃点引发火灾。本文在辐射条件下对两种情况都进行了研究,所选取的油品样品均为目前市场上通用的油品,由江淮汽车提供。
  本文在锥形量热仪上对汽车上典型非动力油即变速器油(ATF和CVTF)、防冻液(JHOA)和润滑油(PAG)在不同辐射条件下的燃烧危险性进行研究,测得点燃时间、热释放速率、放热总量等一系列参数来表征其着火危险性。可以发现ATF和CVTF-EXI着火时燃烧时间较长,而JHOA和PAG着火时火势增长较快。基于实验结果,从火灾增长指数、火灾性能指数、热危险性评价等多方面分析讨论了四种油品的火灾危险性。综合考虑可得ATF危险性高于CVTF,JHOA危险性最低。同时研究了变速器油ATF和CVTF在外部辐射强度下的自燃情况,通过对点燃时间和辐射强度的拟合得到了ATF和CVTF的临界辐射强度,并同电火花点燃进行了对比,由于点燃主要为热解控制,而自燃属于热解同自身反应等共同控制的,故自燃所需临界辐射强度高于电火花点燃所需辐射强度。利用Petrella评价体系对油品自燃和点燃时的危险性进行判定,发现相同辐射强度下明火引燃时油品危险性远大于自燃危险。最后在自制测试台上分析了不同辐射强度下油池稳定燃烧阶段燃烧速率和火焰高度的变化特征,通过理论分析,得到了无量纲火焰高度同外部辐射强度成2/3的幂指数关系。根据实验数据,确定模型中所需参量,得到不同外部辐射强度下火焰高度的预测公式。
  本文的实验数据可丰富汽车可燃材料燃烧特性参数数据库,也可为汽车火蔓延的数值模拟提供基础数据。
[硕士论文] 刘义
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:船舶火灾是船舶海难事故中危害性较大的一种事故,是船舶安全研究的重大课题。船舶火灾可发生在机舱、货舱、客舱和甲板等含可燃物的位置,其中机舱、货舱和客舱属于封闭腔室火灾,火灾烟气的危险性较大,疏散困难。而机舱内的可燃物的危险性远大于货舱和客舱,是船舶火灾的最常见也是研究最多的火灾模式。由于机舱火灾的复杂性和特殊性,研究者们对机舱火灾发展过程认识不足,机舱火灾烟气控制技术发展缓慢。因此对船舶机舱内火灾烟气运动和控制技术进行研究具有重要意义。
  本论文在22m(长)×12m(宽)×14m(高)的实验舱内开展了烟气自然填充实验和烟气控制实验,烟气自然填充实验研究不同火灾规模和不同火源位置的烟气运动规律,机械排烟控制实验研究了送风口位置、排烟风机启动时间以及排烟风机排烟量大小对烟气控制效果的影响。本论文测量的参数有燃料的质量损失速率、舱室内烟气温度以及舱室内烟气的沉降时间,得出以下几点结论:
  通过分析不同火灾规模、不同火源位置的对烟气沉降和舱室烟气温度的影响,发现舱室内烟气温度随着火源功率的增大而增大,烟气沉降速率随着火源功率的增大而加快,当火源功率较小时,顶棚温度较低,喷淋的喷头无法启动。当火源被移至墙边时舱室内的温度和烟气沉降的速率都降低;火源被抬升4m后,顶棚温度较高,消防喷头能启动,烟气的卷吸高度降低,烟气产生减少,烟气沉降速率变慢,烟气稳定在8m高度,火源抬升后对地面的工作人员疏散有利。实验舱室内设置有不同尺寸的填充物,发展了有填充物舱室的烟气沉降时间的预测模型,与前人推导的烟气沉降模型对比,发现本文推导的模型能更准确的预测烟气沉降的时间。
  通过分析送风口位置、风机启动时间和排烟量对烟气控制的影响,发现送风口在1.5m高度时烟气控制效果较差,送风促进燃料燃烧,加速烟气的沉降;送风口在5m高度时,火焰发生倾斜,送风对燃烧有冷却作用,控烟效果较好;送风口在9.5m高度时,对烟气层有冷却效果。对比点火后立即开启风机和点火90s之后开启风机,风机立即开启,烟气沉降较慢,火灾发生后,应尽早开启风机。通过对排烟量的大小对控烟效果的分析,可知排烟效果并不是一直随着风量的增加而变好,当排烟量从34.57m3/s增至47.11m3/s,温度降低的幅度不大,部分测点温度没有变化,烟气沉降的变化也不大,最佳排烟量是34.57m3/s。
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