（安全技术及工程专业论文）典型喷淋条件下火灾烟气运动的动力学特性研究.pdf

中国科学技术大学博= l 学位论文火空间建筑内水喷淋和烟气运动相互作用的动力学特性研究 定量关系。 本文的第三部分讨论水喷淋和自然排烟作用后烟气的运动特性问题，提出 了水喷淋与自然排烟作用时烟气层失去稳定性的临界条件。结果表明：设置了 自然排烟时烟气的温度要比未采用自然排烟时高很多，自然排烟使得烟气具有 一定的向上运动速度，烟气层失去稳定性的难度大大增加。只有当烟气受到的 拖曳力和烟气浮力满足下式时，烟气才有可能失去稳定性： 矗 ( a 川 最后，本文对水喷淋与烟气相互作用的数值模拟进行了初步探讨。通过几 个具体的算例，演示了数值模拟如何应用于实际的火灾场景中。 中罔科学技术人学博卜学位论义 人字问建筑内水喷淋和烟气运动相互作用的动学特悱础究 a b s t r a c t t h e r ea r eo f t e ns p r i n k l e rs y s t e m si nm o d e r nb u i l d i n g s t h ew a t e rd r o p l e t s s p r a yo u tf r o ms p r i n k l e rn o z z l e sw h e nt h e r ei saf i r e d u et ot h ec o o l i n ge f f e c t o fw a t e rs p r a y , t h es m o k et e m p e r a t u r ew i l ld e c r e a s ea n dt h e nt h es m o k e b u o y a n c y w i l lb er e d u c e d t h e p e r f o r m a n c e o fo t h e rf i r e p r o t e c t i o n s u b 。s y s t e m sw i l lb ea f f e c t e dg r e a t l y t h i ss i t u a t i o nb e c o m e sv er ys i g n i f i c a n t i ns o m eh i g hc e i l i n gc l e a r a n c eb u i l d i n g t os t u d yt h ei n t e r a c t i o no fw a t e rs p a y w i t hs m o k ei st h ek e yi s s u et os o l v et h ep r o b l e m t h ea i mo ft h i st h e s i si st oa n s w e rt h et h r e eq u e s t i o n st h ef o l l o w i n g a s p e c t s w i l lb ei n c l u d e d ：t h ep e r f o r m a n c eo f s p r i n k l e r i n h i g hc e i l i n g c l e a r a n c eb u i l d i n g s ，t h ei n t e r a c t i o no fw a t e rs p r i n k l e ra n ds m o k e ，t h es m o k e m o v e m e n tu n d e rs p r i n k l e ra n dv e n t i n g i nt h ef i r s tp a r t t h ep e r f o r m a n c eo fs p r i n k l e ri nh i g h c e i l i n gc l e a r a n c e b u i l d i n g s ，t h ea c t i v a t i o nt i m eo fs p r i n k l e ru n d e rf i r ei sd i s c u s s e d a ne q u a t i o n o fs p r i n k l e ra c t i v a t i o nt i m ei s p r e s e n t t h e nt h e p o s s i b i l i t yo fs p r i n k l e r a c t i v a t i o n ，c r i t i c a l h e a tr e l e a s er a t e t oa c t i v a t et h e s p r i n k l e rh e a d ，i s d i s c u s s e d i th a sb e e ns h o w ni h a tt h ea c t i v a t i o nl i m ea n dc r i t i c a lh e a tr e l e a s e r a t ea r ea f f e c t e db ym a n yp a r a m e t e r ss u c ha si n s t a l l i n gh e i g h to fs p r i n k l e r h e a d ，e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，t h ef i r ei n c r e a s er a t e ，r t i ，t h eh o r i z o n t a l d i s t a n c eb e t w e e ns p r i n k l e rh e a da n df i r ec e n t e r , e t c i nt h es e c o n dp ar t ，t h ei n t e r a c t i o no fw a t e rs p r i n k l e ra n ds m o k eh a s b e e n a n a l y z e d at h e o r yb a s e do nd i m e n s i o n l e s sa n a l y s i sh a sb e e nd e v e l o p e dt o d e d u c eac o r r e l a t i o no nt h es m o k et e m p e r a t u r ei n c r e a s eu n d e rw a t e r s p r i n k l e rs p r a y i th a sb e e nf o u n dt h ef o l l o w i n gp a r a m e t e r sw i l la f f e c tt h e v a l u eo fs m o k et e m p e r a t u r e ：i n i t i a ls m o k el a y e r h e i g h t s p r i n k l e rh e a d 中田科学技术火学博卜学位论文人卒问建筑内水喷淋和烟气运动相互作用的动力学特性研究 w o r k i n gp r e s s u r ea n dt h es t r u c t u r eo fs p r i n k l e rh e a dt h ec o r r e l a t i o no nt h e s m o k et e m p e r a t u r ei n c r e a s ea n dt h es p r i n k l e rw o r k i n gp r e s s u r ec a nb e d e s c r i b e db yap o w e rf u n c t i o n ：童： = a 毪f o rt h ew o r k i n gp r e s s u r eh i g h e r t h a n00 5 m p a 。t h ep r e c o e f f i c i e n t a i so n l ya f f e c t e db yt h es p r i n k l e r f r a m e w o r k h o w e v e r ，t h ee x p o n e n t i a li n d e x ，b i sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h e s p r i n k l e ro r i f i c es i z e b a s eo nt h em o d e lo fb u l l e n ，an e wc r i t e r i o no nt h es m o k el a y e rs t a b i l i t y i sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h er a t i o no ft h ed r a g 珥 t os m o k eb u o y a n c y ，p e ru n i t v o l u m ei nt h es m o k e a i ri n t er f a c ei su s e dt h er e l a t i o ns h i p b e t w e e n 磷? f j b ：1 a n dt h ew o r k i n gp r e s s u r eo fw a t e rs p r i n k l e r i sd e d u c e d a c c o r d i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i nt h et h i r dp a r t ，t h es m o k em o v e m e n tu n d e rs p r i n k l e ra n dv e n t i n gi s d i s c u s s e dac r i t e r i o nh a sb e e np r e s e n t e dt os t u d yt h es m o k el a y e rs t a b i l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a st h es m o k em o v e so u to ft h er o o mr a p i d l yd u et o n a t u r a lv e n t i n g t h et e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a nt h ec a s ej u s to n l yu n d e rt h e s p r i n k l e r d u et ot h en a t u r a lv e n t i n ge f f e c t ，t h es m o k e w o u l dm o v eu p w a r d t h es m o k el a y e rs t a b i l i t yb e c a m em o r ed i f f i c u l t l yt ob ed i s t u r b e d t h e c r i t e r i o nw h e nt h es m o k el a y e rl o s tt h es t a b i l i t yc a nb ee x p r e s s e da st h e f o i l o w i n g ： 贯u 董2 ，( 4 帅。) f i n a l l y ，t h e t h e s i sd i s c u s s e st h en u m e r i c a lm e t h o dt om o d e lt h e i n t e r a c t i o no fs p r i n k l e ra n ds p r a y s o m en u m e r i c a lc a s e sa r ep r e s e n t e dt o s h o wh o wt h ec f dm e t h o di su s e di nr e a lf i r es i m u l a t i o n v 中国科学技术大学博二i ：学位论文 火空问建筑内水喷淋和烟气运动相互作用的动力学特怿研究 图例表格目录 图1 1 典型喷头示意图 图1 2 喷头喷射曲线 图21 m o r g a n 实验示意图 图2 2c h o w 的实验示意 图23 实验台示意图 一 图24 实验台实物图 图25 铁皮连接处结构断面示意图 图2 6 石膏板连接 图27 框架示意图 图2 8 实验中使用的喷头 图2 9 喷头供水系统一 图21 0 油盘和称重系统 图2 1 l 热电偶树一 图2 1 2 微压差变器 一 图2 1 3 燃料随时问变化曲线一 图21 4 热释放速率 图3l 热烟气中的喷头一 图32 不同火灾增长系数时喷头的响应时间曲线 图33 不同r t i 时喷头的响应时间曲线 图34 不同环境温度时喷头的响应时间曲线 图3 5 喷头离火源中心的距离r 对喷头的响应时间曲线的影响 图36 喷头启动的临界热释放速率 图3 7 不同火源条件下喷头启动的热释放速率 图4 1 烟气层和水喷淋相互作用 图4 2 液滴与热烟气传热传质示意图 图43 无水喷淋时的烟气温度分布 图4 4 实验a 1 2 烟气温度分布 图4 5 清晰的烟气一空气分层 图4 6 烟气下降 图47 平均温度计算 图48 单个o 5 m x 0 5 m 油盘系列实验的温升 图4 9 单个0 6m 0 6m 油盘系列实验的温升 图4 1 0 单个o8m x 0 8m 油盘系列实验的温升 x 3 4 u h m体m拇加殂殂亚丝斟弭如弘”甜铊钙鹕如叭酡舵鲋舛砸 中周料学技术人掌博卜学位论文 人卒问建筑内水口贲淋和娴气运动丰曰互作用的动力学特性研究 图41 1 两个o7m o7m 油盘系列实验的温升 图41 2 无量纲温升v s 压力曲线 图4 1 3 喷头c 新的无量纲温升v s 压力曲线 图51b u l l e n 的模型 图52 新的模型示意图 图53 喷头a 作用时烟气的平均温度和交界面处烟气温度 图5 4 喷头b 作用时烟气的平均温度和交界面处烟气温度 图5 5 喷头c 作用时烟气的平均温度和交界面处烟气温度 图5 6 实验a 2 l 结果 图5 7 实验a 2 3 结果 图5 盘实验a 2 2 结果 图5 9 烟气层厚度随珥或，的变化 图5 1 0 不同喷头的彤。瓯。随压力的变化情况 图5l l 喷头a 和b 的珥，。随压力的变化情况 图6 1 顶部开口时的烟气流动一 图62 水喷淋与排烟实验设置 图63 各次实验的烟气温度分布 图6 4 实验v c o 测得的压差 图65 各次实验的薄层温度 图71 网格单元 图7 2 计算场景 图73 场景m o 结果 图7 4 场景m 1 结果 图75 场景m 2 结果 图7 6 场景m 3 结果 图77 场景a 2 1 图7 8 场景a 2 2 图7 9 场景a 2 3 x 舒凹加盯跎昭踮踮卯眄 蛇 粥叭m憾加舢趋巧拍” ! 里型兰塾查生兰堡一! ：兰垡堡兰一 人问建筑内水喷、淋和炳气运动相互作用的动力学特性j 洲究 表21 实验采用的喷头参数 表31 采用闭式系统场所的最大净空高度 一 表32 环境温度为2 0 0 c 时喷头响应时间 表3 3r t i 为2 5 的喷头在不同环境温度的响应时剧 表3 4 不同高度喷头的响应时问曲斜率与火灾增长系数关系 表41 内禀参考变量 表4 2 系数 表43 各次实验基本情况 表4 4 拟合曲线的相关参数 表5 1 各实验基本情况 表6 1 各次实验基本情况。 表6 2 各次实验的无量纲量 表71 简单模型的计算场景 表7 2 模拟结果与计算结果比较 x 加 凹 弱 ” n 趵 盯 鲫 舛 m 中国科学技术火学博士学位论文典型喷淋条件下火灾烟气运动的动力学特性研究 第一章绪论 建筑技术的不断发展，促使新型建筑大量涌现，使得土地的利用效率大大提 高，也改善了建筑外观的视觉效耙但是也给传统的消i r h - i 2 计提出了许多新挑战。 水喷淋的设计问题正是消防设计的经常遇到的问题之一。 由于新型建筑一般都具有内部净空较大的公共空间，在这类建筑中是否应该 安装喷淋系统，人们缺乏相关的规范参考和实验依据。由于这类建筑高度较高， 烟气温度低，喷头不易启动；喷头启动后，烟气也极易被液滴拖曳而发生烟气层 降；通常，这类建筑中安装有排烟设施，那么喷淋系统安装后是否会对排烟系统 的效率产生影响? 本章首先阐述研究背号，介绍在净空高度较大的建筑幸设计喷淋系统曲须考 虑的问题，而后介绍研究现状，最后介绍本文的主要研究内容和章节安排。 1 1 研究背景 1 7 2 3 年，自动响应喷头开始在建筑消防设计中出现。自此以后，喷淋系统 被广泛应用于各种建筑中以保护生命和财产安全 。与其它灭火剂如哈龙、 氧化碳等相比，它有如下优点：经济、方便和高效；不产生有毒物质。因此，水 灭火被认为是最有效的灭火设施，成为哈龙的首选替代物4 ，6 ，”。 伴随着经济的快速发展，大型购物超市、会展中心、候机楼等新型建筑应运 而生【g - t o l 。基于通风和建筑美学上的考虑，这类建筑的净空高度一般都比较大， 有的甚至达到十几米。火灾发生时，从喷头喷出的大量液滴通过对流作用不断 冷却烟气，烟气的浮力大大降低，使得其它消防子系统特别是排烟系统的性能受 到很大影响。在一些内部净空高度很大的建筑中，这一现象尤其突出。研究水喷 淋与烟气的相互作用，分析水喷淋作用时烟气层的流动状态，正是解决上述问题 的关键所在。在水喷淋系统的设计过程中，至少必须考虑下述三个问题： 首先是喷头的启动问题 1 3 l 。火灾发生后，热烟气很快上升，并在上升过程 中卷吸空气。在净空较小的建筑中，烟气很快到达顶部。由于建筑空间小，被卷 吸到烟气中的空气较少，到达顶部的烟气具有较高的温度，安装在顶部的喷头能 第一章绪论 很快启动。随着净空高度增大，大量的空气将被卷吸进入羽流，使得羽流温度大 大降低，此时热烟气的温度能否启动常规喷头就成了一个很重要的问题。同时， 由于净空高度的增加，烟气到达顶部的时间也大大增加，喷头响应时间延长。由 于喷淋的作用是在火灾发生初期控制火灾蔓延，喷头响应时间的延长将使得喷头 启动时火源的热释放速率变得很大。因此，学术界对于此类净空高度较大的建筑 是否可以采用闭式喷头存在不少争论。对于采用闭式喷头的建筑，如何选取合适 的安装高度也是一个很关键的问题。 第二是烟气层的稳定性问题【1 4 , ”f 。喷头启动以后，大量液滴从喷头喷出。液 滴在烟气中运动，并与烟气发生剧烈的传热和传质作用，烟气的温度迅速下降。 在常规的建筑中，由于喷头启动前烟气的温度较高，经水喷淋冷却后烟气仍具有 较高的温度。当建筑内部净空高度很大时，烟气到达顶部的温度较低，经水喷淋 冷却后烟气与周围环境的温差很小，使得烟气的浮力大大降低。另一方面，液滴 还与烟气发生动量传递，对烟气施加向下的作用力，该作用力的大小与喷头的类 型和喷头的工作压力等因素有关。当喷头的工作压力超过某个临界值时，烟气很 难在顶棚附近停留。受水喷淋液滴的拖曳作用，在喷淋作用区域内，烟气开始向 下运动+ 穿过烟气与空气交界面进入空气区域，烟气层失去稳定性。在通常情况 下，冷却后烟气的温度仍高于周围空气的温度，下降到交界面以下的烟气在浮力 作用下溢出水喷淋的覆盖区域，而后烟气将回流到烟气层中。在这一过程中，烟 气将卷吸其周围的空气进入烟气层，使得烟气层高度迅速下降，甚至有可能迅速 充满整个建筑空间，这就是所谓的“烟气拥塞”。这一现象将对建筑内人员的安 全疏散造成很大威胁。 第三是与排烟系统的协同作用问题”。传统的消防设计中，各个消防子系统 是独立设计的，很少考虑它们之间是否存在相互作用。然而，新型建筑大都超出 了现行防火设计规范的要求，防火防烟分隔受到了很大的限制，传统的消防设计 已经不能满足此类建筑的需求。解决此类建筑消防设计问题的一个有效途径就是 采用性能化防火分析方法，综合考虑各种消防措施的作用来决定建筑是否达到了 火灾安全的要求。水喷淋和排烟系统的协同作用问题f 是一个典型的例子。自然 排烟是通过建筑物内外的压差柬驱动的，机械排烟则通过排烟风机将火灾烟气排 出室外，同时从进风口补充新鲜空气，以达到烟气与新鲜空气的置换。烟气控制 中固科学投术人学博卜学位论文：典型喷淋条件下火灾炯气运动的动力学特性究 系统的性能在很大程度上受到烟气的温度和流动状况的影响。在受到水喷淋的作 用时，烟气的流动特性和温度场将发生很大改变，烟气的温度降低，速度减慢， 浮力变小，如果排烟口与喷淋头位置较近，则会造成烟气难以从排烟口排出，从 而影响整个建筑内的烟气排放效果。在安装喷淋的建筑中是否应该设置排烟系 统，学术界存在很大的争议”。研究水喷淋系统和排烟系统的协同作用问题，有 助于此类问题的解决，从而为消防设计提供理论和实验支持。 在我国的消防设计规范中，没有专门针对内部净空较大的空间内如何设置喷 淋系统的规定，通常的水喷淋系统设计一般都是根据规范的要求进行，很少考虑 水喷淋作用后烟气的运动情况；对于喷淋作用和排烟系统的相互影响问题，在设 计中则基本不进行考虑。因此，研究大空问建筑内水喷淋系统与烟气运动的相互 作用，提高对该复杂过程的理解，从而为火灾防护提供有效的设计参数是非常重 要的。有必要详细研究水喷淋液滴对烟气性质及运动特性的影响，促进建筑消防 设计技术的发展，从而为建筑防火设计提供依据。 1 2 有关喷头的一些基础知识 图1l 给出了一个典型的喷 头示意图。玻璃泡是喷头的感温元 件，当玻璃泡在周围热烟气的加热 作用下温度升高到其响应温度时破 裂，水柱从喷头喷嘴流出射到溅水 盘上。受溅水盘的阻挡，水柱破裂 成大量液滴成伞状下落。一般而言， 喷头的流量在l8 7 6f _ s ，空气 中液滴的总数量约在1 0 8 个5 1 。 1 2 1 喷头分类 幽l1 典型喷头示意幽 溅水鼎 支撑臂 玻璃泡 喷嘴 根掘安装的方式不同，喷头分为普通型、直立型和下垂型三种。图1 2 给出 了直立型喷头和下垂型喷头安装时液滴的喷射曲线示意图。直立型喷头必须装在 水管的上方，溅水盘在喷头喷嘴之上，液滴首先向斜上方喷出，射向顶部而后落 第一幸绪论 下，其喷射曲线将受到水管的影响。而下垂型喷头必须安装在水管的下方，溅水 盘在喷嘴面下，液滴直接向下喷出，其喷射曲线基本不受到水路的阻挡。普通型 喷头既可直立安装，又可下垂安装。 a ) 直立型喷头 1 2 2 喷头流量 剀12 喷头喷射曲线 b ) 乖型喷头 对于某一特定喷头，其流量基本上由工作压力确定。根据伯努力定律，通过 喷头喷嘴的流体流动速度与喷头工作压力p “m p a ) 的平方根成正比。在工程实际 - 中，通常采用体积流量v ( l r n i n ) 来描述喷头的流量。根据伯努力定律t v 可由下 式表示： v = 1 ( 4 1 0 只 ( 11 ) 式中，目上m i n b a r 。詹) 是喷头的流量系数，它出喷头的几何结构决定，在不同 的工作压力下几乎不变。 1 2 3 液滴粒径分布 液滴从喷头喷出后其初始的液滴粒径分布一般采用积分体积分数 c u m u l a t i v ev o l u m ef r a c t i o n ( c v f ) 赫。c v f 定义为小于某一直径的液滴的体 积之和与液滴总体积的比。f m 的研究表明，对于一般常用的喷头而言，其c v f 可由l o g - n o r m a l 分布和r o s i n r a m m l e r 分布分段表示： 中国科学技术大学博士学位论文：典型喷淋条件下火灾烟气运动的动力学特性研究 f ( d ) = ( ds d m ) ( 1 2 ) ( d 。， d ) 式中，6 和y 是经验常数，分别约为0 6 和2 4 。d 。：是液滴的平均直径，其值由 下式确定【1 9 】： 。一兰生 “一w e r n 阢：生! ! i ! ! 盯d ( 13 ) ( 1 4 ) 磊是喷头的喷嘴直径，。是喷头出口处水的流速，田是液滴的表面张力，c 是 由喷头结构决定的一个常数。 1 3 研究现状 自动响应喷头出现以来，人们就玎始了对喷头晌应特性的研究。h e s k e s t a d 2 0 1 等人提出了完整的喷头响应方程。由于喷头启动后，大量液滴悬浮在空气中，对 周围还未启动的喷头将产生一定的冷却作用，h e s k e s t a d 通过引入“c f a c t o r ”考虑 了这一影响。c o o p e r 2 1 1 建立了一个区域模型l a v e n t ，将h e s k e s t a d 的方程应用到 这一模型中，用以计算室内火灾时喷头的响应特性。c o o p e r 引入顶棚射流厚度6 概念，假定在靠近顶棚处的某个厚度区域内，烟气温度从顶部向下成线性衰减， 其余区域烟气温度则相同。但是，由于这个模型比较复杂，很难和其它模型一起 使用【2 2 】，g u p t a f 2 2 】提出了一个简化模型。该简化模型采用a l p e r t 2 3 1 的羽流公式， 忽略了悬浮液滴对未启动喷头的影响。c h o w l 2 4 _ 2 5 1 首先关注在中庭建筑内使用水 喷淋系统的问题。他探讨了在中庭建筑使用闭式水喷淋系统的可行性，研究了喷 头响应时间与喷头响应时间常数r t i 等参数的关系。s o o n i l n a m 2 6 1 也对内部净空 较高的建筑的喷头响应进行了研究。 b u l l e n 于1 9 7 4 年首先探讨了水喷淋与烟气层的相互作用问题。他假定烟 气层的厚度是不变的，水喷淋液滴具有相同直径，并采用液滴拖曳力d r 与烟气 浮力b t 之比( d b ，) 作为烟气层稳定性的判据。m o r g a n 1 5 1 将这一概念进行了推广 耐 扩一 生h b矿一： 卫 r 上硝吒 。一劢 卜 第一章绪论 并提出了一个新的模型。在该模型中，液滴具有一定的粒径分布，液滴与热烟气 之问的对流传热在该模型中也进t s t 分析。此后，人们对水喷淋与烟气层的相互 作用问题进行数值模拟。最早的工作是由a l p e r t 2 7 - 2 9 】进行的。而后，g a r d i n e r 3 q 、 c o o p e r 3 1 l 、m c g r m t a n 3 2 】、s o o n i ln a m 强jsh u a 理y i nr u m i n 4 、w k c h o w 3 5 。3 7 和n kf o n g 3 7 1 等人进行了大量的数值模拟工作。在这些c f d 模拟中，一般采 用的是p a r t i c l e - s o u r c e i n c e l l 口8 j 的方法。液滴和烟气层分别由单独的控制方程来 描述，它们之削的相互作用只是通过各自方程中的源项来反映。与此相反，文献 中专门针对水喷淋与烟气相互作用进行的实验研究则少之又少。m o r g a n l 3 9 1 等人 丌始了水喷淋与烟气层相互作用的实验研究，并将实验结果用以验证其计算模 型。而后，w kc h o wa n da n d e r s o nc t a n g 【4 0 通过实验发现，采用b u l l e n 的方 法判断烟气层稳定性存在一定的问题。m c b r a t t e na n dh a m i n s 3 2 在针对喷淋与排 烟相互作用的实验中，也涉及到了水喷淋与烟气层相互作用的问题。 人们对在建筑内同时使用水喷淋系统与排烟系统的研究始于2 0 世纪5 0 年 代。这方面的研究主要以实验为主。f m r c 4 q 于1 9 5 6 年丌始进行这方面的研究。 他们在一个截面为3 6 6 m 18 3 m 的建筑内进行实验，通过实验研究了水喷淋、排 烟和挡烟垂壁等消防措施之问的相互影响。而后，f m r c l 4 2 - 4 9 1 、f r s l 5 0 - 5 4 、u l 55 , 5 6 、 i i t r i ”j 等研究机构在这方面继续进行实验研究。瑞典国家测试和研究所( s p ) 【5 9 】 在1 9 9 2 年进行了大量的全尺度实验，通过改变火灾增长方式、排烟方式，研究 不同火灾环境条件下水喷淋与排烟系统的相互作用。最近的实验是由n i s t 弛】于 1 9 9 8 进行的。n i s t 一共进行了3 9 次全尺寸实验，探讨在类似大型仓库、厂房 发生大火时水喷淋、排烟和挡烟垂壁等措施的相互作用，并根据实验结果完善了 其数值计算软件f d s 。在研究水喷淋与烟气层相互作用的文献中 2 7 - 3 7 】，也有部分 涉及了排烟的问题。而在另一方面，h i n k l e y 6 0 , 6 1 1 和c o o p e r 2 1 1 等人通过区域模拟 方法，预测了在排烟条件下水喷淋的响应特性。 在我国国内，这方面的研究很少，目前还没有针对内部净空较大的建筑内如 何进行喷淋系统设计的规范或指南，只是在某些规范中【叫对闭式系统的安装高度 有所规定，而这一规定却缺少相关的理论和实验支持。 中国科学技术人学博卜学位论文：典型喷淋条件下火灾阚气运动的动力学特性研究 1 4 本文的研究内容和章节安排 本文针剥内部净空较大的这类特殊建筑中使用水喷淋这个特殊问题展开讨 论，分析在常规喷头作用时烟气运动的动力学过程。讨论主要包括三个方面：热 烟气环境中喷头的响应特性研究、水喷淋作用后烟气的动力学特性变化和水喷淋 与自然排烟共同作用时烟气的运动特性。全文章节安排如下： 第一章是绪论。介绍本文的研究背景、前人的工作、研究意义以及有关喷头 的基础知识。 第二章介绍水喷淋与烟气相互作用实验台，并对本文的实验方法做了介绍。 第三章探讨热烟气环境中水喷淋的响应特性问题。包括水喷淋的启动时间和 水喷淋启动的可能性两个方面。 第四章给出了水喷淋作用后烟气运动特性的无量纲方程，通过实验，给出了 烟气温度与水喷淋工作压力之问的无量刚关系式。 在第四章的基础上，第五章进一步探讨了水喷淋作用后烟气层的稳定性问 题。提出了一种新的判断烟气层稳定性的方法，并通过实验进行验证。 第六章分析水喷淋与自然排烟共同作用时烟气的运动特性，并给出了此种情 况下烟气层失去稳定性的f 临界条件。 第七章详细讨论了水喷淋和烟气相互作用的数值模拟方法。通过几个具体的 算例，演示了数值模拟如何应用于实际的火灾场景中 第八章是全文的总结及下一步工作展望。 第一章绪论 足流量系数，l m i n b a r ” n 压力，m p a v 喷头流量，u m i n 。 以液滴平均直径，m 本章符号 磊喷头的喷嘴直径，m “喷头出口处水的流速，ms 国液滴的表面张力，n m 。 中国科学技术人学博 ：学位论文：典型喷淋条件下火灾烟气运动的动力学特性研究 参考文献 1 】a ec o t e f i r ep r o t e c t i o nh a n d b o o k1 6 ”e d i t i o n ，n f p a6 6 1p p ，1 9 8 6 2 1res o l o m o n a u t o m a t i cs p r i n k l e rs y s t e mh a n d b o o k ，s i x t he d i t i o nn a t i o n a l f i r ep r o t e c t i o na s s o c i a t i o nn f p a1 3 ，q u i n c y ，m a7 9 0p p ，1 9 9 4 3 gg r a n t ，j ，b r e n t o na n ddd r y s d a l e f i r es u p p r e s s i o nb yw a t e rs p r a y s p r o g r e s s i ne n e r g ya n dc o m b u s t i o ns c i e n c e ，v 0 1 2 6 ：p p 7 3 13 0 ，2 0 0 0 f 4 1y i nr u i n i n g n u m e r i c a ls t u d i e so ff i r ea n ds p r i n k l e ti n d u c e da i rf l o w si na t r i a p h d t h e 5 i s ，h o n gk o n gp o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ，s e p t e m b e r ，2 0 0 0 【5 】d ts h e p p a r d s p r a y c h a r a c t e r i s t i c so ff i r e s p r i n k l e r s p h d t h e s i s ， n o r t h w e s t e r nu n i v e r s i t y ，j u n e2 0 0 2 6 f i r ep r e v e n t i o n a d v a n c e si ns p r i n k l e r st e c h n o l o g y f i v ep r e v e n t i o n ，1 9 8 4 7 f i r ep r e v e n t i o ns p r i n k l e r s ，t h er e a ls t o r y f i v ep r e v e n t i o n ，19 8 4 8 李元洲中庭式大空间建筑内火灾烟气流动与控制研究中国科学技术大学 博士学位论文，2 0 0 1 9 刘方中庭火灾烟气流动与烟气控制技术研究重庆大学博士学位论文 2 0 0 2 1 0 】易亮中庭式建筑中火灾烟气的流动与管理研究中国科学技术大学博士学 位论文，2 0 0 5 1l l j l m o r e h a r ts p r i n k l e r si nt h ea t r i u m 一旭s a f e t y j o u r n a l ，p p 5 6 ，j a n f e b 1 9 8 9 1 2 w k c h o w f i r ea s p e c tf o ra t r i u mb u i l d i n g si nh o n gk o n g p r o c e e d i n g so f f 船 “”i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ha n dt r a i n i n gs e m i n a ro nr e g o i n a ld e v e l o p m e n t p l a n n i n g f o rd i s a s t e rp r e v e n t i o ni m p r o v e df i r es a f e t ys y s t e m si nd e v e l o p m e n t c o u n t r i e s ，u n i t e dn a t i o n sc e n t r e f o r r e g i o n a l d e v e l o p m e n t ，u n c r d p r o c e e d i n g ss e r i e sn o 7 ，t o k y o ，j a p a n ，o c t 17 ，19 9 4 13 w k c h o w p e r f o m l a n c eo fs p r i n k l e ri na t r i aj o u r n a lo f f i r es c i e n c e ，v 0 1 1 4 ， p p4 6 6 4 8 9 ，19 9 6 1 4 m l b u l l e n t h ee f f e c to fas p r i n k l e ro nt h es t a b i l i t yo f as m o k e l a y e rb e n e a t h ac e i l i n g f i r er e s e a r c h n o t e1 0 1 6 , f i r er e s e a r c hs t a t i o n ，b o r e h a m w o o d ，u n i t e d k i n g d o m ，1 9 7 4 15 hpm o r g a n h e a tt r a n s f e rf r o mab u o y a n ts m o k el a y e rb e n e a t hac e i l i n gt oa s p r i n k l e rs p r a y1 - at e n t a t i v et h e o r y 凡ma n dm a t e r i a l s ，v o l3 ( 1 ) ，p p2 7 3 3 ， 1 9 7 9 f16 c l b e y l e ra n dlyc o o p e r i n t e r a c t i o no fs p r i n k l e r sw i t hs m o k ea n dh e a t v e n t s 几mt e c h n o l o g y ，v 0 1 3 7 ，p p 9 - 35 ，2 0 01 1 7 n f p a1 3 ，s t a n d a r d f o rt h ei n s t a l l a t i o no fs p r i n k l e rs y s t e m s n a t i o n a lf i r e p r o t e c t i o na s s o c i a t i o n ，q u i n c y ，m a ，19 9 9 1 8 1 t s c h a n m e a s u r e m e n t so fw a t e rd e n s i t ya n dd r o p l e ts i z ed i s t r i b u t i o n so f s e l e c t e de s f rs p r i n k l e r sj o u r n a lo ff i r ep r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g ，v 0 1 6 ( 2 ) ， p p7 9 2 8 7 ，1 9 9 4 9 兰二主堕堡 1 9 hzy u i n v e s t i g a t i o no fs p r a yp a t t e r n so fs e l e c t e ds p r i n k l e r sw i t ht h ef m r c d r o ps i z em e a s u r i n gs y s t e mi nf i r es a f e 砂s c i e n c e p r o c e e d i n g so ft h ef i r s t i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m ，p p 11 6 5 11 7 6 ，i n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o nf o rf i r e s a f e t ys c i e n c e ，19 8 6 2 0 g h e s k e s t a da n dr gb i l l q u a n t i f i c a t i o no ft h e r m a lr e s p o n s i v e n e s so f a u t o m a t i cs p r i n k l e r si n c l u d i