（安全技術及工程專業(yè)論文）高原環(huán)境對火災早期燃燒特性及火災探測影響的研究.pdf

a b s t r a c t 中國科學技術大學碩士學位論文 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i r ec o m b u s t i o na n ds m o k em o v e m e n ta f f e c t e db yt 1 1 ei o w a t m o s p h e r ep r e s s u r ea th i g ha l t i t u d ea r ed i f f e r e n tf r o mw h i c ha tn o r m a la t m o s p h e r e p r e s s u r e t h i st h e s i sa i m sa tr e s e a r c h i n gt h ed i f f e r e n ts e n s i t i v i t ya n da p p l i c a b i l i t y b e t w e e nt h ef i r ed e t e c t o r sa tl o wa t m o s p h e r ea n da tn o r m a la t m o s p h e r ep r e s s u r ef o r h e l p i n gf i r ed e t e c t i o ns y s t e md e s i g na th i g ha l t i t u d e t h ed i f f e r e n c eo fb u r n i n gr a t ea tl o wa t m o s p h e r ep r e s s u r ea n da tn o r m a l a t m o s p h e r ep r e s s u r ei st h eb a s i so fr e s e a r c h i n gf i r ed e t e c t i o na th i g ha l t i t u d e t h e r e s u l t so fs t a n d a r dt e s tf i r es h 4w h i c he x p e r i m e n t e da tt w oa t m o s p h e r ep r e s s u r e s s h o wt h a t ：1 、t h er a t i oo fb u r n i n gr a t ea tt w oa t m o s p h e r ep r e s s u r e si se q u a lt ot h e r a t i oo ft h et w oa t m o s p h e r ep r e s s u r e s ；2 ) w h i l et h eb u r n i n gr a t ed e c r e a s e sa tl o w a t m o s p h e r ep r e s s u r e ，t h ec oc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n ga n di sb i g g e rt h a ni ta tn o r m a l a t m o s p h e r ep r e s s u r e s ot os e l e c tc oa sd i s t i n g u i s h a b l ef i r ec h a r a c t e r i s t i ci sm o r e s e n s i t i v ea n de f f e c t i v ea th i 曲a l t i t u d e t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es m o k ef l o wt h r o u g ht h ea s p i r a t i n gl i n e sd e c i d et h e s a m p l ee f f i c i e n c ya n dp r o t e c t i n gs p a c eo fh s a s d ( h i g hs e n s i t i v i t ya s p i r a t i n g s m o k ed e t e c t o r ) a n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r so ff l o wi na s p i r a t i n gl i n e so fh s a s d b a s e do nb e r n o u l l ie q u a t i o n ，t h em o d e lt oc a l c u l a t et h ep i p ef l o wv e l o c i t ya n dt h e a s p i r a t i n gv e l o c i t ya tt h eh o l ei sd e r i v e d ，a n a l y z ea n de x p e r i m e n tr e s u l t st e s t i f yt h a t t h ee f f e c to fl o wa t m o s p h e r ep r e s s u r et ot h ef l o wv e l o c i t yi na s p i r a t i n gl i n e sa n d s a m p l ev e l o c i t yi ss m a l li nh i g ha l t i t u d e t h es e n s i t i v i t yo fp o i n t - t y p ef i r ed e t e c t o ra tl o wa t m o s p h e r ep r e s s u r ew a s r e s e a r c h e dt h r o u g hs i m u l a t i n ga n dm e a s u r i n gt h es m o k ec o n c e n t r a t i o na ts t a n d a r d b u r n i n gr o o ma n da th i g ha l t i t u d e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s ，1 ) s m o k ec o n c e n t r a t i o ni so n l yr e l a t i v et o f i r ec o m b u s t i o np o w e r s m o k ec o n c e n t r a t i o ni se q u a lw h e nt h ef i r ec o m b u s t i o np o w e ri ss a m ea tt w o a t m o s p h e r ep r e s s u r e 2 ) t h eb u r n i n gr a t e a tl o wa t m o s p h e r ep r e s s u r ei sl o w e rt h a ni t a b s t m c t 中國科學技術大學碩士學位論文 a tn o r m a la t m o s p h e r ep r e s s u r ea l t h o u g ht h eb u r n i n ga r e ai se q u a l 3 ) t h es e n s i t i v i t y o fs c a t t e r e dp h o t o e l e c t r i cp o i n t - t y p ed e t e c t o r sa tl o wa t m o s p h e r ep r e s s u r ei sl o w e r t h a ni ta tn o r m a la t m o s p h e r ep r e s s u r e ，b u tt h es e n s i t i v i t yo fi o n i z a t i o np o i n t t y p e d e t e c t o r sa r es a m ea tt w oa t m o s p h e r ep r e s s u r e r e l i a b l ea n dr e a s o n a b l er e s u l t sa r ec o n c l u d e dt h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ec h a n g eo f b u r n i n gr a t e ，c h a r a c t e r i s t i co ff l o wv e l o c i t yi na s p i r a t i n gl i n e so fh a s a d a n ds m o k e c o n c e n t r a t i o na th i 啦a l t i t u d e t h er e s u l t sa f f o r dg i s ta n dt e c h n o l o g ys u p p o r tf o rf i r e d e t e c t i o na th i l 2 ha l t i t u d e k e y w o r d ：h i g ha l t i t u d e ，f i r ed e t e c t i o n ，b u m i n gr a t e ，a i ra s p i r a t i n g ，p i p ef l o w , h e a t r e l e a s er a t e ，p o i n t t y p ef i r ed e t e c t o r s l l i 第一章緒論中國科學技術大學碩士學位論文 1 1 引言 第一章緒論 火是人類生產(chǎn)和生活中必不可少的工具，人類使用火的歷史可以追溯到石 器時代。火的使用給人類社會帶來了翻天覆地的變化，人類利用火燒熟食物、 耕種以及驅(qū)除野獸等等。火的使用是人類從動物界跨入文明世界的重要標志。 火并不是完全馴服于人類，它常常會咀另一種和人類作對的面貌出現(xiàn)一火 災?；馂氖且环N失去控制的燃燒所造成的災害【“。它可以無情地奪去許多人的 寶貴生命，可以在頃刻之間將人類多年創(chuàng)造的財富化為灰燼。 火災是發(fā)生最為頻繁且極具毀滅性的災害之一，其直接損失約為地震的五 倍，僅次于干旱和洪澇災害，而其發(fā)生的頻度則居各種災害之首。同時，火災 還具有“自然”和“人為”的雙重性。 火災對人們的生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟都有著嚴重危害。近年來，全球每年發(fā) 生的火災就有6 0 0 萬7 0 0 萬起，每年有6 5 0 0 0 7 5 0 0 0 人死于火災。根據(jù)世界 火災統(tǒng)計中心以及歐洲共同體研究的結果表明【2 。3 l ，許多發(fā)達國家每年火災直接 損失占g d p 的o 2 左右( 圖1 1 1 ) ，而整個火災代價( 直接、間接經(jīng)濟損失、 人員傷亡損失、撲救消防費用、保險管理費用以及投入的火災防護工程費) 約 占g d p 的1 。 同時，火災還對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成不同程度的影響。一方面，燃燒產(chǎn)物 產(chǎn)生的大量煙霧和c 0 2 、c o 、碳氫化合物、氮氧化物等有害氣體造成環(huán)境污染， 影響地面光照質(zhì)量和數(shù)量，從而影響農(nóng)作物的生長；高強度火影響土壤結構和 微生物生存，燒死大量植物，使生態(tài)系統(tǒng)失去自我調(diào)節(jié)能力。另一方面，森林 火災又可以清除病樹、肥沃土壤、清除地面可燃物，以及促進某些較輕的樹種 萌發(fā)，林火的自組織臨界性研究表明小火( 包括計劃火燒) 可以減小大火災的 發(fā)生頻率。 在我國，重大惡性火災事故頻繁發(fā)生，比如，1 9 8 7 年5 月大興安嶺火災過 火林地1 3 3 萬公頃，損失幾十億元；1 9 9 4 年1 2 月克拉瑪依友誼宮火災一次死 亡3 2 3 人：2 0 0 0 年1 2 月，洛陽市東都商廈因違章電焊發(fā)生火災，造成3 0 9 人 第一章緒論 中國科學技術大學碩士學位論文 死亡，直接財產(chǎn)損失2 7 5 - 3 萬元。根據(jù)火災發(fā)生的場所不同，火災分成建筑火 災、森林火災、隧道火災、交通工具火災( 包括車輛火災、船舶火災、飛機火 災等) 。在這些火災中發(fā)生次數(shù)最多、造成損失最大、與人民生命財產(chǎn)關系最密 切、危害最廣泛的是建筑火災。據(jù)統(tǒng)計，八五期間，我國各類建筑火災的次數(shù)、 死傷人數(shù)、直接經(jīng)濟損失分別占總數(shù)的7 4 5 、8 7 8 、8 2 1 和8 5 7 。因此， 與建筑火災相關的研究是火災研究中的重點。圖1 1 2 是我國近年的火災損失統(tǒng) 計 。 uj 02 5 隧藿l l 黧 02 豳l繅震1蓁 01 5 0 1 00 5 n 日斯捷美匈西波英芬德澳加新法荷意丹瑞瑞比奧挪 本洛克國牙班蘭國蘭國大拿西國蘭大麥典士利地威 文利牙利大蘭利時利 尼亞 亞 圖1 _ 1 1 世界多個國家火災直接損失所占g d p 的百分比 圖1 12 我國1 9 9 8 年- - 2 0 0 5 年火災統(tǒng)計 可以看出，近年來我國火災發(fā)生次數(shù)逐年增加，火災財產(chǎn)損失均超過1 3 億 拍 加 侶 佃 5 o 第一章緒論 中國科學技術大學碩士學位論文 元，形式十分嚴峻。隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，物 質(zhì)財富和人口的相對集中，新能源、新材料、新設備的廣泛開發(fā)利用，火災的 不確定性和發(fā)生概率將不斷增加。因此如何防止火災發(fā)生、及時探測火災、控 制火災蔓延和發(fā)展、避免和減少人員傷亡，降低火災損失等是防治火災的主要 內(nèi)容。 1 2 火災探測技術發(fā)展現(xiàn)狀 人類和火災的斗爭中，慘痛的教訓促使人類反思如何去防治火災，在中國 的古代，打更人每晚喊著“小心火燭”來提醒人們用火小心慎重。在1 7 世紀的 英國，工廠主們組織起來建立了聯(lián)合防火和救火組織，進行各工廠之間協(xié)作防 火和組織撲救火災。1 6 6 6 年，英國倫敦發(fā)生了一場大火，幾乎燒掉整個城市， 在殘酷的火災面前人類意識到應當通過制訂防火技術法規(guī)來規(guī)范防火用火行 為。當年，英國就制定了一部較完整的建筑法規(guī)，其中編入了防火設計要求， 人類進入了主動防治火災的歷史。 雖然人類可以通過法規(guī)來規(guī)范防火用火行為，并設立專門的救火隊來防止 火災蔓延和撲救火災，但是火災發(fā)現(xiàn)和報警卻一直停滯在人員被動發(fā)現(xiàn)的基礎 上。火災大部分發(fā)生在夜晚，人們一般處于熟睡狀態(tài)，給發(fā)現(xiàn)火災帶來了極大 的不確定性，這種不確定性給阻斷火災蔓延和撲救火災帶來一定困難，因此人 們需要一種穩(wěn)定得實現(xiàn)火災探測報警的裝置，火災探測技術和火災探測器應運 而生。 火災探測技術是指人們通過各種參量的傳感器將火災燃燒產(chǎn)生的氣體、氣 溶膠、煙霧、火焰、熱量以及燃燒音等參量從環(huán)境中判別出來，并通過設計識 別算法，判斷火災是否發(fā)生的技術。針對火災各種參量識別的火災探測技術就 誕生了各種各樣的火災探測器【5 j ?；馂奶綔y技術和火災探測器力圖實現(xiàn)早期火 災探測報警，從而為及時的撲救火災和為人員疏散爭取充裕的時間，最大限度 的保護人民的生命和財產(chǎn)安全。 從1 8 4 7 年美國牙科醫(yī)生c h a n n i n g 和緬因大學教授f a r m e r 研究出了世界上 第一臺用于城鎮(zhèn)火災報警的發(fā)送裝置，1 8 9 0 年英國研制成功了第一個感溫式火 災探測器，一百五十多年來，人類開創(chuàng)了火災自動探測報警技術的新紀元。在 第一章緒論中國科學技術大學碩士學位論文 世界科學技術迅猛發(fā)展的浪潮中，火災探測技術也相應的迅猛發(fā)展，基于各種 火災識別模式的火災探測器相繼問世，并日臻完善。圖1 2 1 說明了當前火災探 測器的分類。 從1 9 世紀4 0 年代至2 0 世紀4 0 年代，漫長的一百年中，感溫探測器一直 處于主導地位，其靈敏度比較低，探測火災的速度比較慢，尤其是對陰燃火不 響應。最初，這樣的感溫火災探測系統(tǒng)主要被應用于軍事用途。之后，離子探 測室的發(fā)展、電子技術的發(fā)展、探測技術從軍用轉(zhuǎn)向民用和保險業(yè)降低風險的 要求使得火災探測技術開始了更深遠的發(fā)展。到2 0 世紀5 0 年代，瑞士物理學 家e r n s tm e i l i 6 1 制造出了現(xiàn)代離子感煙探測器的雛形，感煙探測技術使人類早期 火災探測技術向前邁進了一大步。 圖1 2 1 火災探測器的分類 離子探測器的出現(xiàn)之后，感溫探測器被排擠到了次要地位，到1 9 7 0 年，離 子探測器已經(jīng)在歐洲安裝了近百萬只。離子探測器以絕對的優(yōu)勢統(tǒng)治了3 0 年之 久。2 0 世紀7 0 年代末，高壽命的光電元件技術取得突破，光電感煙探測器應 運而生。盡管離子感煙和光電感煙各有千秋，且有定的互補性( 如離子感煙 對陰燃響應較慢，光電感煙卻對粒徑小于o 4 u m 的不可見煙不響應) ，但國外卻 一直致力于研究發(fā)展光電感煙探測器，并取得長足進展。在瑞士和日本，它的 銷售量已經(jīng)占到9 0 ，離子感煙探測器則因為存在放射污染危險在歐洲國家已 第一章緒論 中國科學技術大學碩士學位論文 經(jīng)限制使用 7 1 ，在我國，也呈現(xiàn)著這種趨勢。 2 0 世紀8 0 年代后，火災探測技術與其他技術開始了更廣泛的交叉和結合， 探測智能、監(jiān)控智能和抗干擾算法在火災探測技術中的應用，使火災探測技術 進入了一個全新的發(fā)展時期，與信號處理技術、人工智能技術和自動控制技術 更緊密的聯(lián)系在一起，火災探測算法在改進探測系統(tǒng)性能上的作用日益突出。 當前，作為已經(jīng)普遍應用的常規(guī)的感溫、感煙火災探測技術，仍處于不斷 發(fā)展完善中：新的點型激光感煙探測器比光電感煙探測器靈敏度高得多；空氣 采樣感煙探測技術使得探測方式突破了被動式感知火災煙氣參數(shù)特性的局面 【8 ：適用于大空間場所的光截面圖像感煙系統(tǒng)【9 】和可以抗粉塵干擾的基于片光源 的激光圖像感煙技術10 】：圖像方式的雙波段火焰探測技術【1 1 】解決了大空間火災 探測中普遍存在的技術難題；文獻1 2 。1 3 1 根據(jù)溫度并利用火焰的閃爍特性來識別 火災；文獻【1 4 1 5 l 利用近紅外的兩個波段，接受來自墻、天花板的反射，探測不 在可見區(qū)域內(nèi)的火災。 2 0 世紀9 0 年代開始，隨著科學技術發(fā)展和進步，發(fā)展新的火災判據(jù)、新 的火災識別模式，利用新的傳感技術提取火災特征信號成為火災探測技術發(fā)展 的重點。w i l l i a mg r o s s h a n d l e r 等f l6 】于1 9 9 3 年開始對火災的聲學特性進行研究， 到1 9 9 4 1 9 9 7 年日本己做出多次改進的燃燒音探測器的樣機?；馂臍怏w探測技 術在2 0 世紀9 0 年代晚期也逐漸開始發(fā)展，蘇國鋒【1 7 j 通過光聲原理探測c o 和 c 0 2 氣體來實現(xiàn)早期火災探測；陳濤【l8 】利用兩個串連光聲腔實現(xiàn)c o 和煙霧粒 子復合探測。火災探測技術的發(fā)展并不停留在實現(xiàn)探測以往未使用的火災參量 的程度上，利用新技術實現(xiàn)現(xiàn)有火災探測器利用的火災參量探測來達到更優(yōu)越 性能也是火災探測技術發(fā)展的一個方面。k e l l e r a ，r i i e g gm 等 1 9 1 利用光聲原理 實現(xiàn)對煙霧粒子的探測。 如今，火災探測技術得到了前所未有的廣泛應用。在發(fā)達國家，火災探測 器幾乎無處不在，從民居、寫字樓到工業(yè)設施、政府機構和運輸系統(tǒng)隨處可見 火災探測器的身影。同時人們對火災防治研究也越來越重視，為了實現(xiàn)更早期 的火災報警，人們也提出了新的課題：如何進一步提前火災探測報警時間，為 及時采取有效措施，減少人員傷亡提供寶貴時間：如何進一步提高火災探測報 警的可靠性，為實現(xiàn)火災探測與撲救的自動化和無人值守創(chuàng)造有利條件。 第一章緒論中國科學技術大學碩士學位論文 1 3 火災早期煙氣特征對火災探測的重要l 生 火災探測技術通過各種傳感器將火災參量從環(huán)境中分離出來進行識別來達 到火災探測的目的，對哪種火災參量進行分離和識別決定著火災探測器的適用 性。對于火災探測器而言，在較早的時間內(nèi)捕捉到火災發(fā)生的信息非常重要， 大多數(shù)場合下各種參量的火災探測器在火災發(fā)生的哪個階段發(fā)出報警信號如圖 1 3 1 所示， 圖1 3 1大多數(shù)場合下火災探測與火災早期發(fā)展的對應關系 在多數(shù)場合下，氣體火災探測器和煙霧火災探測器能更早實現(xiàn)報警，這是 符合燃燒機理的。從燃燒的機理來說，早期火災( 燃燒的初期) 通常不會產(chǎn)生 明顯的溫升、較強輻射的火焰以及濃密的煙霧，而是熱解產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物和少 量不可見煙霧。因此火災早期探測主要關注于氣體探測和煙霧探測。 火災早期煙氣特征主要是指火災早期煙霧的屬性和氣體的組成?；馂脑缙?煙霧屬性是指煙霧粒徑分布和散射吸收特性；火災早期氣體組成是指火災早期 產(chǎn)生的火災標識性氣體的濃度和組成。 火災早期煙氣特征對火災探測的重要性主要體現(xiàn)在它是火災探測采用何種 方法和手段的主要因素。火災煙霧屬性對火災探測的影響不言而喻：煙霧粒徑 第一章緒論中國科學技術大學碩士學位論文 分布影響著煙霧探測的方式方法，對于陰燃產(chǎn)生的大顆粒煙霧粒子而言，光電 式煙霧探測方法比離子式煙霧探測方法更能靈敏地探測到；對于明火產(chǎn)生小顆 粒煙霧粒子而言，離子式煙霧探測方法比光電式煙霧探測方法更能靈敏地探測 到。火災煙霧散射吸收特性同樣影響煙霧探測的方式方法，對于對光線吸收較 強的煙霧粒子，減光式煙霧探測方法遠比散射式煙霧探測方法靈敏度高：對于 對光線散射較強的煙霧粒子，散射式煙霧探測方法遠比減光式煙霧探測方法靈 敏度高。因此針對不同屬性的煙霧粒子，應該采用不同的探測方法。 火災早期燃燒過程中產(chǎn)生的氣體是復雜多樣的【20 1 ，包含完全燃燒產(chǎn)物，如 c 0 2 和水，以及不完全燃燒產(chǎn)物，如c o 、氣態(tài)碳氫化合物及醇類、醛類、酮類、 酸類、酯類，如果可燃物中還含有其他元素例如s 和鹵素( f 、c 1 、b r ) ，則產(chǎn) 物中就會包含硫的氧化物以及鹵素的化合物。對于除含有或生產(chǎn)特殊物質(zhì)的絕 大多數(shù)場所中的可燃物，最基本的均含有c 、h 元素，其在空氣中陰燃熱解或 明火燃燒的主要產(chǎn)物是h 2 0 、c o 和c 0 2 。為了避免環(huán)境濕度的干擾，通常選 擇c o 和c 0 2 為火災的標識性氣體。火災情況下探測哪一種標識性氣體作為火 災發(fā)生判據(jù)是根據(jù)火災產(chǎn)生標識性氣體的濃度更加容易排除環(huán)境干擾而確定火 災發(fā)生來決定的。不同環(huán)境下火災早期燃燒產(chǎn)生氣體成分和濃度是決定探測何 種氣體是作為火災發(fā)生判據(jù)的重點。 總而言之，火災早期煙氣特征是決定火災早期探測有效性的主要參量，根 據(jù)火災早期煙氣特征選擇正確的火災探測方式方法是決定更早探測到火災發(fā)生 的關鍵。對各種情況下早期火災煙氣特征的研究將更加有利于實現(xiàn)較早期的火 災探測。 1 4 高原環(huán)境對火災探測的影響 高原環(huán)境指高原低大氣壓強的環(huán)境。大氣壓強隨著海拔高度的上升而降低， 大氣壓強隨海拔高度的變化如圖1 4 1 所示，在海拔高度在3 0 0 0 m 以上，大氣 壓強將降到標準大氣壓強的o 7 倍以下。高海拔的環(huán)境變化給火災防治帶來了 新課題。高海拔富氧環(huán)境( 增加房間內(nèi)部氧氣濃度) 或者缺氧環(huán)境下火災特點 與火災探測報警與撲救開始被關注2 2 2 3 2 4 塒2 6 2 7 1 。 由于海拔高度增加造成的高原特殊的低壓缺氧環(huán)境會間接影響火災探測的 第一章緒論 中國科學技術大學碩士學位論文 方式方法和靈敏度?；馂奶綔y是通過傳感器將火災產(chǎn)生的氣體、氣溶膠、煙霧、 火焰、熱量等參量從環(huán)境中分離出來進行識別來達到火災探測的目的。大氣壓 強的降低通過影響火災產(chǎn)生的氣體、氣溶膠、煙霧、火焰、熱量等參量既而影 響火災探測。 c 。 曼 一 鼎 出 曠 _ 【 海拔高度( k m ) 圖1 4 1 大氣壓強隨海拔高度變化圖 5 高原環(huán)境首先會影響物質(zhì)燃燒速率，隨著海拔的升高和大氣壓強的降低， 物質(zhì)燃燒速率將會降低，相同條件下燃燒時間會增加，d w i e s e r ，pj a u c h 和 u w i l l i 2 8 l 的研究表明了這一點。燃燒速率的降低將影響燃燒產(chǎn)物，如氣體濃度， 煙霧粒子屬性，煙氣羽流運動，同時燃燒速率降低造成熱釋放速率降低從而影 響溫升，火焰面積、火焰輻射以及燃燒音等火災參量?；诨馂膮⒘康母鞣N火 災探測技術和火災探測器均將受到火災參量變化的影響，既而影響其適用性和 靈敏度。 對感煙火災探測器而言，高原環(huán)境通過影響火災煙霧屬性來影響其靈敏度。 在高原環(huán)境下，火災燃燒產(chǎn)生煙霧的光學濃度和粒子濃度會發(fā)生改變，這使感 煙火災探測器在不同海拔高度的靈敏度不相同。隨著海拔高度升高，煙霧的光 學濃度和粒子濃度將降低，無論采用光學探測煙霧方式還是離子探測煙霧方式， 對其靈敏度都提出更高的要求。 第一章緒論 中國科學技術大學碩士學位論文 對氣體火災探測器而言，高原環(huán)境通過影響火災標識性氣體濃度來影響其 靈敏度?；馂臉俗R性氣體c o 和c o z 濃度在燃燒條件變化的情況下，其濃度和 產(chǎn)生速率均將受到影響，所以在高原環(huán)境下，無論采用何種氣體探測方法來探 測火災標識性氣體均會受到燃燒條件變化帶來的氣體濃度和產(chǎn)生速率變化的影 響。 對感火焰火災探測器而言，高原環(huán)境下燃燒產(chǎn)生的火焰輻射強度和火焰面 積是影響其靈敏度的主要因素。高海拔缺氧條件下燃燒速率的變化會使火焰輻 射強度和火焰面積發(fā)生改變?；鹧婷娣e隨著海拔的升高而增加，研究表明這一 點 2 9 1 ，對圖像式火焰探測方法，火焰面積增加可以增加其靈敏度，同時火焰面 積增加會造成火焰輻射強度變化，會影響響應輻射強度的感火焰火災探測器。 對感溫火災探測器而言，高原環(huán)境下燃燒產(chǎn)生的溫升是其工作的中心點。 燃燒速率降低意味著單位時間內(nèi)燃燒釋放出熱量減少，溫升速率將減慢，溫升 能達到的最高溫度值將降低，無論是采用定溫、差溫或者差定溫的方式來探測 火災其靈敏度均會下降。 高原環(huán)境不僅僅通過影響火災參量來影響火災探測方式方法，而且對于吸 氣采樣方式進行火災探測的設備，大氣壓強的降低對其采樣也有較大的影響， 采樣管道流動和輸運能力變化直接影響吸氣采樣效率，既而影響火災探測的靈 敏度。 整體而言，高原環(huán)境下火災探測受到低大氣壓強的影響而在探測方式方法 和效率上有較大的改變，研究高原環(huán)境對火災探測影響對于高原上火災探測與 防治具有重要的意義。 1 5 本文的研究目的和研究內(nèi)容 針對高原低壓缺氧環(huán)境下各種火災探測方法適用性的研究將有利于高原火 災探測方法的選型和火災探測器的設計。通過實驗研究高原低壓缺氧環(huán)境下燃 燒速率、火災標識性氣體c o 濃度、煙霧濃度變化規(guī)律，試圖找到更加適合高 原低壓缺氧環(huán)境的早期火災探測方式方法；通過研究空氣采樣式火災探測器采 樣管道內(nèi)部流動，為其采樣管道在高原低壓缺氧環(huán)境下設計提供依據(jù)：通過實 驗研究常規(guī)點式感煙火災探測器在高原低壓缺氧環(huán)境下對煙霧濃度的響應，為 第一章緒論 中國科學技術大學碩士學位論文 高原低壓缺氧環(huán)境下設計常規(guī)點式感煙火災探測器提供依據(jù)。 通過位于海拔高度3 6 0 0 m 的高海拔實驗間內(nèi)進行燃燒實驗，測量不同油盤 面積下燃料的燃燒速率以及產(chǎn)物中火災標識性氣體c o 濃度和產(chǎn)生速率，并在 海拔高度4 0 m 的低海拔實驗問內(nèi)重復上述實驗，通過兩者實驗結果對比，比較 高原低壓缺氧條件下燃料的燃燒速率、c o 濃度和產(chǎn)生速率和常壓環(huán)境的不同 之處，分析其對高原低壓缺氧環(huán)境下火災氣體探測的影響。 通過理論分析和現(xiàn)場實驗比較空氣采樣式火災探測器在海拔高度3 6 0 0 m 的 高海拔情況下其采樣管道內(nèi)部流動特征和海拔高度4 0 m 的低海拔情況下其采樣 管道內(nèi)部流動特征的不同點，得到高原低壓缺氧環(huán)境下空氣采樣式火災探測器 采樣管道內(nèi)部流動流速、流量，以及采樣孔采樣速率等參數(shù)，通過參數(shù)對比得 到高原低壓缺氧環(huán)境對空氣采樣式火災探測器采樣的影響。 通過實驗測量位于海拔3 6 0 0 m 的標準實驗間內(nèi)不同油盤面積燃燒情況下煙 霧的光學密度和離子密度，并在位于海拔4 0 m 的標準實驗間內(nèi)重復此實驗，得 到高原低壓缺氧環(huán)境下煙霧光學濃度和離子濃度與常壓環(huán)境的不同點，分析高 原低壓缺氧環(huán)境對常規(guī)點式光電感煙火災探測器和離子感煙探測器的影響。 1 6 小結 本節(jié)從火災危害和火災探測技術發(fā)展入手，論述了火災早期煙氣特征對火 災探測的影響，分析了高原環(huán)境對火災探測的影響，并對全文的研究目的和研 究內(nèi)容進行了明確闡述。 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 2 1 引言 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性 燃燒速率是重要的火災參量，是衡量火災危害程度的主要參數(shù) 如l ，火災過 程參量計算和模擬都建立在燃燒速率曲線已知的情況下，例如計算煙氣產(chǎn)生速 率、煙氣沉降、煙氣填充、火災探測器響應時間、水噴淋啟動時間等。燃燒速 率通常用失重速率( k g s ，g s ) 或者熱釋放速率( k w ) 來表示。失重速率是指 單位時間內(nèi)燃燒的材料質(zhì)量；熱釋放速率是指單位時間內(nèi)材料燃燒時所釋放出 的熱量。國際上通過燃燒速率來定義早期火災，一般認為熱釋放速率在1 0 0 k w 以下的失控燃燒為早期火災。 早期火災是火災探測關注的焦點，在早期火災下實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的火災探測 報警是火災主動預防的基本要求。早期火災燃燒具有燃燒速率低、煙霧濃度低、 氣體成分更多以高價態(tài)存在等特點。早期火災燃燒特點決定了火災探測器適用 性和靈敏度要求。 隨著海拔高度的增加，大氣壓強不斷下降，形成高原環(huán)境。早期火災燃燒 特點將受到高原環(huán)境而改變。首先高原環(huán)境對燃燒速率有直接影響，隨著海拔 高度增加空氣密度下降，氧氣含量降低，燃燒速率將受到影響而降低。其次燃 燒速率降低和氧氣濃度降低可能使燃燒產(chǎn)生的火災標識性氣體c o 濃度發(fā)生變 化。 高原環(huán)境下燃燒速率變化規(guī)律是高原環(huán)境下火災動力學演化的基礎。高原 環(huán)境下早期火災燃燒速率是計算高原環(huán)境下火災探測器響應時間、評價火災探 測器適用性和火災探測器靈敏度基本參數(shù)，對于火災探測方式方法以及適用性 研究具有重要意義。 燃燒速率是隨著大氣壓強的降低而降低，對于燃燒速率隨大氣壓強的變化 規(guī)律一直是高原火災防治研究的重點。先前的研究表明，具有小輻射反饋的擴 散火焰燃燒速率正比于大氣壓強的三分之二次方 3 1 】：k a n u r y l 3 2 1 和a l p e r t 3 3 1 測量 了不同大氣壓下聚合物燃燒，數(shù)據(jù)顯示燃燒速率也正比于大氣壓強的三分之二 次方；l o c k w o o d 和c o r l e t t 3 4 1 測量是直徑為3 0 c m 具有對流和輻射反饋的甲醛和 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學拄術大學碩士學位論文 煤油火，對于對流反饋而言，燃燒速率正比的大氣壓強指數(shù)略大于三分之二， 對于輻射反饋而言，甲醛燃燒速率正比于大氣壓強的o 6 4 ，煤油正比于大氣壓 強的o 9 2 ；s h i n o t h a k e m 】發(fā)現(xiàn)對于煙霧反饋占據(jù)主導地位的煤油燃燒，燃燒速率 與大氣壓強成線性變化。w i e s e l 2 8 1 對于t f 5 規(guī)定的材料進行實驗，得到在大氣 壓強7 1 5 m b a r 到9 7 6 m b a r 范圍內(nèi)，燃燒速率正比于大氣壓強的1 - 3 次方。對于 更高海拔高度更低大氣壓強下燃燒速率的研究將會對此環(huán)境下早期火災防治奠 定基礎。 高原環(huán)境下火災燃燒產(chǎn)物中c o 濃度變化是對于火災探測具有雙重意義： 首先根據(jù)氧耗法原理p 刮c o 濃度的增加意味著燃燒效率的降低，熱釋放速率將 隨之下降，對火災探測靈敏度要求更高；其次c o 濃度增加同樣意味著通過探 測c o 濃度來探測火災發(fā)生將更具有優(yōu)勢，能更早實現(xiàn)早期火災探測報警。 因此，研究高原環(huán)境下早期火災燃燒速率和c o 濃度等特點，可以為火災 探測方式方法以及靈敏度研究奠定基礎。 2 2 油池火燃燒速率計算 油池火燃燒速率要根據(jù)燃燒過程中占據(jù)主導地位的熱傳遞機理來計算，油 池火的熱傳遞機理跟油池火燃燒面積的等效直徑相關，可以利用油池火的等效 直徑和熱傳遞機理給油池火分類，如表2 2 1 所示1 3 7 】。等效直徑是指燃燒面積按 照圓面積計算得到的直徑，這種標定燃燒尺寸的方式對特別狹長的燃燒區(qū)域是 無效的【3 8 j 。 表2 2 1 油池火等效直徑和主導的熱傳遞機理對應表 等效直徑( m )燃燒方式 0 0 5對流，層流 o ，0 5 一o 2對流，湍流 對于等效直徑在o 2 m 以上油池火，可以根據(jù)2 _ 2 1 式來計算其在開放環(huán)境 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 下的失重速率3 9 1 r h ”= t h e ( 1 一e - k f l d ) 2 2 i 其中，d 表示油池火的等效直徑，廊二是一個實驗常量，無限直徑的油池火的失 重速率，k 表示火焰的消光吸收系數(shù)，盧表示輻射氣體有效厚度校正。在油池 火計算過程中沒有比較將k 和盧分開考慮，只需要考慮它們兩者的乘積即可。 油池火常用材料的計算常數(shù)在表2 2 2 中列出。對于醇類燃料而言，甚至在極大 燃燒面積的情況下也不會出現(xiàn)輻射作為主導熱傳遞機理的情況，所以，醇類燃 料失重速率和有效直徑無關，可以直接用2 2 2 式計算。對于等效直徑在o 2 m 以下的油池火，其主導熱傳遞機理是對流形式，所以其失重速率使用2 2 2 式計 算。 n” 2m 。 2 2 2 失重速率計算出來后，可以根據(jù)2 2 3 式計算出熱釋放速率。 口= 吃廊a 2 2 3 式2 2 1 一式2 - 2 3 均是理想狀態(tài)下油池火燃燒速率的計算，實際上油池火 的燃燒速率還要受到很多因素的影響，例如，沸騰溢出、氣流影響以及油盤高 度影響等等。 表2 2 2 油池火常用材料的燃燒速率計算常數(shù) 槲恤 劃 密度 a h 廊： k , 0 燃燒材料 。 (kgm一3)(mjlkg) ( k m 2 s )( m 1 ) 液態(tài)氫( h 2 ) 7 01 2 0 0o 0 1 76 1 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 2 3 實驗設計和實驗設備介紹 2 3 1 實驗設計 實驗主要目的是測量高原環(huán)境對燃燒速率和產(chǎn)物中c o 濃度相對于常壓環(huán) 境的變化，為高原環(huán)境下早期火災探測選型提供數(shù)據(jù)支持。 實驗分別在海拔高度為4 0 m 的合肥和海拔高度為3 6 0 0 m 拉薩進行，合肥和 拉薩的大氣壓強分別為1 0 0 8 m b a r 和6 5 0 m b a r ，實驗相同尺度的實驗間內(nèi)進行， 實驗間的尺寸為2 m x 4 m 3 3 5 m ，實驗間設置有一個門和一個觀察窗，并在其 中一面墻的最上方安裝一個排煙扇，門、觀察窗以及排煙扇位置如圖2 | 3 1 所示。 在實驗問地面中心位置放置電子天平，在電子天平正上方安裝有兩個c o 采樣管，兩個采樣管的距離地面高度分別為2 2 3 m 和3 2 7 m 。兩個采樣管連接 在實驗問外面的t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀上，t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀利用自 帶的風機產(chǎn)生負壓采樣。在電子天平上放置油盤，油盤內(nèi)添加燃料，整體設備 布置如圖2 3 _ 2 所示。實驗中所用燃料選擇國家標準g b 4 7 1 5 - 9 3 1 4 0 】點型感煙火災 探測器技術要求及實驗方法中s h 4 實驗火規(guī)定的燃燒材料，體積比9 7 正庚烷 混合3 甲苯( 本節(jié)中統(tǒng)稱為正庚烷) 。為保證不同燃燒面積燃燒速率具有對比 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 性，需要對燃料的質(zhì)量進行控制，以保證在油盤內(nèi)油層的厚度一致。 3 3 5 m 2 m 圖2 3 1實驗間立體結構圖 圖2 3 2 實驗臺整體結構圖 實驗步驟如下： 1 檢查實驗間是否密閉， 2 啟動電子天平和t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀，進行歸零 3 在油盤內(nèi)部倒入規(guī)定質(zhì)量的正庚烷； 4 用電火花點燃正庚烷； 5 記錄點火時間； 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性 中國科學技術大學碩士學位論文 6 記錄熄滅時間： 7 記錄電子天平儲存數(shù)據(jù)文件名稱； 8 記錄t e s t 0 3 5 0 煙氣分析儀儲存數(shù)據(jù)文件名稱 9 打開排風扇； l o 開門。 為了更好對比高原環(huán)境和常壓環(huán)境早期火災的差別，對正庚烷進行多組實 驗，進行不同燃燒面積下實驗，實驗組數(shù)和燃燒面積如表2 3 1 所示。 表2 3 1 早期火災燃燒特點實驗分組表 驗。 在大氣壓強為1 0 0 8 m b a r 的合肥和大氣壓強為6 5 0 m b a r 的拉薩重復上述實 2 3 2 實驗設備介紹 本次實驗設備主要了電子天平和t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀，用電子天平測 量失重速率，用t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀測量油盤正上方兩個點的燃燒產(chǎn)物氣 體成分，主要關注火災標識性氣體c o 。本章這里將介紹所采用的電子天平和 t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀的主要參數(shù)。 電子天平采用s l l 0 0 0 0 型電子天平，如圖2 - 3 3 所示 s l l 0 0 0 0 型電子天平主要性能參數(shù)如下： 1 ) 最夫量程：1 0 0 0 0 9 ； 2 ) 精度：l g ； 3 ) 自動校正、計數(shù)： 1 6 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 4 ) r s 一2 3 2 c 輸出接口； t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀如圖2 3 4 所示。 圖2 3 3s l l 0 0 0 0 型電子天平圖2 3 4t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀 圖2 3 5t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀采集軟件界面圖 1 7 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性 中國科學技術大學碩士學位論文 t e s t 0 3 5 0 型煙氣分析儀主要性能參數(shù)如下： 1 ) c o 測量量程：o + 1 0 0 0 0 p p m ； 2 ) c o 測量精度：5 測量精度( + 1 0 0 2 0 0 0 p p m ) ； l o 測量精度( + 2 0 0 0 1 + 1 0 0 0 0 p p m ) l o p p m ( o + 9 9 p p m ) ： 3 ) c o 分辨率：i p p m ； 4 ) c o 響應時間：4 0 s 。 2 4 實驗結果與分析 在合肥大氣壓強為1 0 0 8 m b a r 情況下，不同燃燒面積失重速率隨時問變化關 系如圖2 4 1 所示，在拉薩大氣壓強為6 5 0 m b a r 情況下，不同燃燒面積失重隨時 間變化關系如圖2 42 所示，對比海拔高度4 0 m 實驗和海拔高度3 6 0 0 m 實驗的 失重速率，如圖2 4 - 3 2 4 6 。 0 3 瓣 刪 1 田 水 時間( s ) 圖2 4 1 1 0 0 8 m b a r 大氣壓下不同燃燒面積失重速率隨時間變化圖 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 時間( s ) 圖2 4 26 5 0 m b a r 大氣壓下不同燃燒面積失重速率隨時間變化圖 時間( s ) 圖2 4 - 35 7 6 c m 2 燃燒面積在不同大氣壓下失重速率對比圖 1 9 暑u瓣喇嗍妖 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性 中國科學技術大學碩士學位論文 0 、 ? 斟 制 母1 | 水 時間( s ) 圖2 4 43 2 5 5 c m 2 燃燒面積在不同大氣壓下失重速率對比圖 時間( s ) 圖2 4 52 0 0 c m 2 燃燒面積在不同大氣壓下失重速率對比圖 3v褂刪惻水 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 0 3 僻 幽 刪 士k 圖2 4 61 3 3 c m 2 燃燒面積在不同大氣壓下失重速率對比圖 從圖2 4 1 和圖2 4 2 可以看出，在常壓環(huán)境下和高原環(huán)境下，燃燒速率隨 著油盤面積增加而增加，這符合油池火的特征，燃燒面積決定其燃燒速率和火 焰功率，因為燃燒面積的增加將使燃料蒸發(fā)的速度加快，燃燒更加迅速。圖2 4 1 中出現(xiàn)了例外情況，即3 2 5 5 c m 2 燃燒面積情況下，燃燒速率在1 5 0 秒附近超過 5 7 6 c m 2 燃燒面積的燃燒速率，這彷佛并不符合油池火燃燒速率和燃燒面積成正 比的規(guī)律，但是實際上應該是符合的。對此現(xiàn)象解釋如下，在考慮油池火燃燒 過程中，是以油層無限厚度為假設的，燃燒過程中油層溫度成一個穩(wěn)定的梯度， 在距燃燒面一定距離的位置，油層的溫度始終是室溫，所以蒸發(fā)速率和燃燒速 率均應該非常穩(wěn)定：但是在實驗過程中，永遠無法做到油層厚度無限大，所以 實驗的燃燒過程中，當燃燒到靠近燃燒器皿底面的油溫度開始高于室溫時，穩(wěn) 定的梯度將不復存在，蒸發(fā)速率和燃燒速率將不會穩(wěn)定，而是開始逐漸增長， 增長到最大值時，迅速燃燒殆盡。在相同室溫條件下，油池火燃燒速率是跟燃 燒面積成正比，因此不同燃燒面積相同油層厚度情況下，燃燒的時間應該近似 相等。從圖2 4 1 可以看出，3 2 5 5 c m 2 油盤燃燒時問較短，比5 7 6 c m 2 、2 0 0 c m 2 和1 3 3 c m 2 油盤燃燒時間短幾十秒，這說明其油層厚度比其余三者的小，燃燒穩(wěn) 第二章高原環(huán)境下早期火災燃燒特性中國科學技術大學碩士學位論文 定階段持續(xù)時間短，因此更快進入燃燒速率增長階段，燃燒速率穩(wěn)步增加，而 5 7 6 c m 2 油盤此時還在穩(wěn)定燃燒階段，在燃燒速率接近最大速率的情況超過 5 7 6 c m 2 油盤穩(wěn)定燃燒速率是正常的，因為最大燃燒速率是有可能大于更大燃燒 面積的穩(wěn)定燃燒速率。圖2 4 1 中5 7 6 c m 2 最大燃燒速率大于3 2 5 5 c m 2 最大燃燒 速率也證明了這一點。 圖2 4 3 一圖2 4 6 對比了不同燃燒面積下高原環(huán)境和常壓環(huán)境燃燒速率， 從圖上看出在相同燃燒條件下，高原環(huán)境下的燃燒速率均低于常壓環(huán)境下的燃 燒速率，高原環(huán)境下在相同質(zhì)量的燃料燃燒的情況下，燃燒時間