低壓條件下正庚烷油池火產(chǎn)煙特性與煙粒子散射特性研究

低壓條件下正庚烷油池火產(chǎn)煙特性與煙粒子散射特性研究火災(zāi)的安全與防范是關(guān)系社稷民生與工業(yè)生產(chǎn)安全的重要事項(xiàng)。在高原、飛機(jī)機(jī)艙等低壓環(huán)境發(fā)生的火災(zāi),由于其燃燒行為具有特殊性,給火災(zāi)探測與預(yù)防造成困難。本文通過在低壓低氧艙以及飛機(jī)貨艙環(huán)境模擬艙中開展實(shí)驗(yàn),詳細(xì)研究了低氣壓對于正庚烷油池火燃燒特性的影響,著重分析了低壓環(huán)境中正庚烷油池火的產(chǎn)煙特性,并利用離散偶極子方法計(jì)算粒子的散射特性,提出了針對低壓環(huán)境煙霧探測技術(shù)的改進(jìn)方案。本文的研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從科學(xué)的角度揭示了低壓環(huán)境對于正庚烷油池火煙粒子的產(chǎn)煙規(guī)律,并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用為煙霧探測技術(shù)的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)和理論支持。低壓環(huán)境明顯影響正庚烷油池火的燃燒特性,包括燃燒速率、火焰高度、火焰中心線溫度、火焰輻射以及CO生成量。隨著氣壓的降低,燃料的燃燒速率下降明顯,有-·m"∝P0.63±0.03關(guān)系?；鹧娓叨入S氣壓的降低而升高,且隨著氣壓的降低,火焰高度增高的趨勢愈加明顯。隨著氣壓的降低,火焰中心線最高溫度出現(xiàn)的位置提升,這表明低氣壓火災(zāi)容易造成更高的頂棚溫度；低氣壓下,火焰底部更加“纖細(xì)”,燃燒更集中,溫度更高,燃燒效率更高。低壓火焰更加暗淡,對外熱輻射作用更弱,火焰中明亮的煙顆粒較少。當(dāng)氣壓等于或高于80.8kPa,正庚烷燃燒產(chǎn)生的CO和氣壓的關(guān)系非常不明顯；而當(dāng)氣壓等于或低于70.7kPa時(shí),CO產(chǎn)量迅速增加。本文首次發(fā)現(xiàn)了低氣壓對煙顆粒微觀形貌特征的影響規(guī)律。驗(yàn)證了陰燃火煙顆粒是由分解的有機(jī)物液滴構(gòu)成,而明火煙顆粒主要由碳粒子構(gòu)成的分形凝聚體。明火煙粒子的主粒子粒徑、每個(gè)凝聚體含有的主粒子個(gè)數(shù)、回轉(zhuǎn)半徑都隨著氣壓的降低而減小。分形維數(shù)和分形前置因子和氣壓沒有明顯關(guān)系。陰燃火煙粒子的直徑和氣壓沒有明顯關(guān)系,粒徑主要取決于燃燒物的種類。本文通過電鏡掃描結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法,以及電遷移率掃描粒子群方法研究了粒子的粒徑分布,發(fā)現(xiàn)正庚烷明火煙顆粒的幾何平均粒徑和中位數(shù)粒徑隨著氣壓的升高而明顯增大,推導(dǎo)出幾何平均粒徑和氣壓之間的二階多項(xiàng)式關(guān)系。揭示了低氣壓對煙霧總體質(zhì)量濃度、數(shù)目濃度、消光系數(shù)等宏觀特性的影響機(jī)制。當(dāng)氣壓降低,正庚烷明火煙顆粒的粒子數(shù)目濃度隨之降低。粒子數(shù)目濃度和氣壓之間存在線性關(guān)系。無論明火還是陰燃火,煙氣生成率隨著氣壓的升高而增大。煙霧的消光系數(shù)都隨氣壓具有線性關(guān)系且隨著氣壓的升高而增大。比消光系數(shù)的大小主要由可燃物的種類決定。建立了典型明火和陰燃火的煙粒子模型,并利用此模型和DDA方法計(jì)算并揭示低壓環(huán)境對于煙粒子散射特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,散射相函數(shù)隨著氣壓的降低、波長的增大和散射角度的增大而減小。無論明火和陰燃火顆粒,前向散射強(qiáng)度都要明顯比后向散射強(qiáng)度大。在入射光波長300到2000nm范圍內(nèi),煙粒子分形凝聚體的散射更符合Mie散射理論。隨著氣壓的升高,明火煙粒子更加的不規(guī)則,更接近分形凝聚體;并且隨著入射光波長的減小,粒子偏離球體的特性更加的明顯。S12/S11、S33/S11、S44/S11與壓力和波長沒有明顯的關(guān)系。散射不對稱因子g(1)揭示了對于明火和陰燃火的煙粒子,前向散射都占據(jù)主導(dǎo)地位。煙粒子吸收效率因子、散射效率因子和散射率隨著氣壓的升高和波長的降低而增加,且與氣壓的關(guān)系可以用線性擬合。煙粒子對光的吸收作用在總消光效果中占主導(dǎo)地位。闡釋了低壓環(huán)境影響光電感煙探測器性能的因素,并針對低壓環(huán)境煙粒子提出了改進(jìn)感煙探測器性能的設(shè)計(jì)方案?；馂?zāi)煙顆粒的散射光強(qiáng)正比1/λ4,且和粒子尺度、散射角具有密切聯(lián)系。低氣壓環(huán)境中,常規(guī)的感煙火災(zāi)探測器應(yīng)該加以改進(jìn),具體包括以下幾個(gè)方面：感煙探測器的靈敏度應(yīng)該提高：激光可以用于增強(qiáng)對較小煙顆粒的探測能力；散射入射光波長應(yīng)該采用較短波長,如近紫外光或者藍(lán)紫光；前向散射比后向