（安全技术及工程专业论文）高原环境对火灾早期燃烧特性及火灾探测影响的研究.pdf

a b s t r a c t 中国科学技术大学硕士学位论文 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 中国科学技术大学硕士学位论文 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 第一章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 火是人类生产和生活中必不可少的工具，人类使用火的历史可以追溯到石 器时代。火的使用给人类社会带来了翻天覆地的变化，人类利用火烧熟食物、 耕种以及驱除野兽等等。火的使用是人类从动物界跨入文明世界的重要标志。 火并不是完全驯服于人类，它常常会咀另一种和人类作对的面貌出现一火 灾。火灾是一种失去控制的燃烧所造成的灾害【“。它可以无情地夺去许多人的 宝贵生命，可以在顷刻之间将人类多年创造的财富化为灰烬。 火灾是发生最为频繁且极具毁灭性的灾害之一，其直接损失约为地震的五 倍，仅次于干旱和洪涝灾害，而其发生的频度则居各种灾害之首。同时，火灾 还具有“自然”和“人为”的双重性。 火灾对人们的生命财产和国民经济都有着严重危害。近年来，全球每年发 生的火灾就有6 0 0 万7 0 0 万起，每年有6 5 0 0 0 7 5 0 0 0 人死于火灾。根据世界 火灾统计中心以及欧洲共同体研究的结果表明【2 。3 l ，许多发达国家每年火灾直接 损失占g d p 的o 2 左右( 图1 1 1 ) ，而整个火灾代价( 直接、间接经济损失、 人员伤亡损失、扑救消防费用、保险管理费用以及投入的火灾防护工程费) 约 占g d p 的1 。 同时，火灾还对环境和生态系统造成不同程度的影响。一方面，燃烧产物 产生的大量烟雾和c 0 2 、c o 、碳氢化合物、氮氧化物等有害气体造成环境污染， 影响地面光照质量和数量，从而影响农作物的生长；高强度火影响土壤结构和 微生物生存，烧死大量植物，使生态系统失去自我调节能力。另一方面，森林 火灾又可以清除病树、肥沃土壤、清除地面可燃物，以及促进某些较轻的树种 萌发，林火的自组织临界性研究表明小火( 包括计划火烧) 可以减小大火灾的 发生频率。 在我国，重大恶性火灾事故频繁发生，比如，1 9 8 7 年5 月大兴安岭火灾过 火林地1 3 3 万公顷，损失几十亿元；1 9 9 4 年1 2 月克拉玛依友谊宫火灾一次死 亡3 2 3 人：2 0 0 0 年1 2 月，洛阳市东都商厦因违章电焊发生火灾，造成3 0 9 人 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 死亡，直接财产损失2 7 5 - 3 万元。根据火灾发生的场所不同，火灾分成建筑火 灾、森林火灾、隧道火灾、交通工具火灾( 包括车辆火灾、船舶火灾、飞机火 灾等) 。在这些火灾中发生次数最多、造成损失最大、与人民生命财产关系最密 切、危害最广泛的是建筑火灾。据统计，八五期间，我国各类建筑火灾的次数、 死伤人数、直接经济损失分别占总数的7 4 5 、8 7 8 、8 2 1 和8 5 7 。因此， 与建筑火灾相关的研究是火灾研究中的重点。图1 1 2 是我国近年的火灾损失统 计 。 uj 02 5 隧藿l l 黧 02 豳l缫震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奥挪 本洛克国牙班兰国兰国大拿西国兰大麦典士利地威 文利牙利大兰利时利 尼亚 亚 图1 _ 1 1 世界多个国家火灾直接损失所占g d p 的百分比 图1 12 我国1 9 9 8 年- - 2 0 0 5 年火灾统计 可以看出，近年来我国火灾发生次数逐年增加，火灾财产损失均超过1 3 亿 拍 加 侣 佃 5 o 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 元，形式十分严峻。随着我国经济建设的快速发展，城市规模的不断扩大，物 质财富和人口的相对集中，新能源、新材料、新设备的广泛开发利用，火灾的 不确定性和发生概率将不断增加。因此如何防止火灾发生、及时探测火灾、控 制火灾蔓延和发展、避免和减少人员伤亡，降低火灾损失等是防治火灾的主要 内容。 1 2 火灾探测技术发展现状 人类和火灾的斗争中，惨痛的教训促使人类反思如何去防治火灾，在中国 的古代，打更人每晚喊着“小心火烛”来提醒人们用火小心慎重。在1 7 世纪的 英国，工厂主们组织起来建立了联合防火和救火组织，进行各工厂之间协作防 火和组织扑救火灾。1 6 6 6 年，英国伦敦发生了一场大火，几乎烧掉整个城市， 在残酷的火灾面前人类意识到应当通过制订防火技术法规来规范防火用火行 为。当年，英国就制定了一部较完整的建筑法规，其中编入了防火设计要求， 人类进入了主动防治火灾的历史。 虽然人类可以通过法规来规范防火用火行为，并设立专门的救火队来防止 火灾蔓延和扑救火灾，但是火灾发现和报警却一直停滞在人员被动发现的基础 上。火灾大部分发生在夜晚，人们一般处于熟睡状态，给发现火灾带来了极大 的不确定性，这种不确定性给阻断火灾蔓延和扑救火灾带来一定困难，因此人 们需要一种稳定得实现火灾探测报警的装置，火灾探测技术和火灾探测器应运 而生。 火灾探测技术是指人们通过各种参量的传感器将火灾燃烧产生的气体、气 溶胶、烟雾、火焰、热量以及燃烧音等参量从环境中判别出来，并通过设计识 别算法，判断火灾是否发生的技术。针对火灾各种参量识别的火灾探测技术就 诞生了各种各样的火灾探测器【5 j 。火灾探测技术和火灾探测器力图实现早期火 灾探测报警，从而为及时的扑救火灾和为人员疏散争取充裕的时间，最大限度 的保护人民的生命和财产安全。 从1 8 4 7 年美国牙科医生c h a n n i n g 和缅因大学教授f a r m e r 研究出了世界上 第一台用于城镇火灾报警的发送装置，1 8 9 0 年英国研制成功了第一个感温式火 灾探测器，一百五十多年来，人类开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。在 第一章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 世界科学技术迅猛发展的浪潮中，火灾探测技术也相应的迅猛发展，基于各种 火灾识别模式的火灾探测器相继问世，并日臻完善。图1 2 1 说明了当前火灾探 测器的分类。 从1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代，漫长的一百年中，感温探测器一直 处于主导地位，其灵敏度比较低，探测火灾的速度比较慢，尤其是对阴燃火不 响应。最初，这样的感温火灾探测系统主要被应用于军事用途。之后，离子探 测室的发展、电子技术的发展、探测技术从军用转向民用和保险业降低风险的 要求使得火灾探测技术开始了更深远的发展。到2 0 世纪5 0 年代，瑞士物理学 家e r n s tm e i l i 6 1 制造出了现代离子感烟探测器的雏形，感烟探测技术使人类早期 火灾探测技术向前迈进了一大步。 图1 2 1 火灾探测器的分类 离子探测器的出现之后，感温探测器被排挤到了次要地位，到1 9 7 0 年，离 子探测器已经在欧洲安装了近百万只。离子探测器以绝对的优势统治了3 0 年之 久。2 0 世纪7 0 年代末，高寿命的光电元件技术取得突破，光电感烟探测器应 运而生。尽管离子感烟和光电感烟各有千秋，且有定的互补性( 如离子感烟 对阴燃响应较慢，光电感烟却对粒径小于o 4 u m 的不可见烟不响应) ，但国外却 一直致力于研究发展光电感烟探测器，并取得长足进展。在瑞士和日本，它的 销售量已经占到9 0 ，离子感烟探测器则因为存在放射污染危险在欧洲国家已 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 经限制使用 7 1 ，在我国，也呈现着这种趋势。 2 0 世纪8 0 年代后，火灾探测技术与其他技术开始了更广泛的交叉和结合， 探测智能、监控智能和抗干扰算法在火灾探测技术中的应用，使火灾探测技术 进入了一个全新的发展时期，与信号处理技术、人工智能技术和自动控制技术 更紧密的联系在一起，火灾探测算法在改进探测系统性能上的作用日益突出。 当前，作为已经普遍应用的常规的感温、感烟火灾探测技术，仍处于不断 发展完善中：新的点型激光感烟探测器比光电感烟探测器灵敏度高得多；空气 采样感烟探测技术使得探测方式突破了被动式感知火灾烟气参数特性的局面 【8 ：适用于大空间场所的光截面图像感烟系统【9 】和可以抗粉尘干扰的基于片光源 的激光图像感烟技术10 】：图像方式的双波段火焰探测技术【1 1 】解决了大空间火灾 探测中普遍存在的技术难题；文献1 2 。1 3 1 根据温度并利用火焰的闪烁特性来识别 火灾；文献【1 4 1 5 l 利用近红外的两个波段，接受来自墙、天花板的反射，探测不 在可见区域内的火灾。 2 0 世纪9 0 年代开始，随着科学技术发展和进步，发展新的火灾判据、新 的火灾识别模式，利用新的传感技术提取火灾特征信号成为火灾探测技术发展 的重点。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 年开始对火灾的声学特性进行研究， 到1 9 9 4 1 9 9 7 年日本己做出多次改进的燃烧音探测器的样机。火灾气体探测技 术在2 0 世纪9 0 年代晚期也逐渐开始发展，苏国锋【1 7 j 通过光声原理探测c o 和 c 0 2 气体来实现早期火灾探测；陈涛【l8 】利用两个串连光声腔实现c o 和烟雾粒 子复合探测。火灾探测技术的发展并不停留在实现探测以往未使用的火灾参量 的程度上，利用新技术实现现有火灾探测器利用的火灾参量探测来达到更优越 性能也是火灾探测技术发展的一个方面。k e l l e r a ，r i i e g gm 等 1 9 1 利用光声原理 实现对烟雾粒子的探测。 如今，火灾探测技术得到了前所未有的广泛应用。在发达国家，火灾探测 器几乎无处不在，从民居、写字楼到工业设施、政府机构和运输系统随处可见 火灾探测器的身影。同时人们对火灾防治研究也越来越重视，为了实现更早期 的火灾报警，人们也提出了新的课题：如何进一步提前火灾探测报警时间，为 及时采取有效措施，减少人员伤亡提供宝贵时间：如何进一步提高火灾探测报 警的可靠性，为实现火灾探测与扑救的自动化和无人值守创造有利条件。 第一章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 1 3 火灾早期烟气特征对火灾探测的重要l 生 火灾探测技术通过各种传感器将火灾参量从环境中分离出来进行识别来达 到火灾探测的目的，对哪种火灾参量进行分离和识别决定着火灾探测器的适用 性。对于火灾探测器而言，在较早的时间内捕捉到火灾发生的信息非常重要， 大多数场合下各种参量的火灾探测器在火灾发生的哪个阶段发出报警信号如图 1 3 1 所示， 图1 3 1大多数场合下火灾探测与火灾早期发展的对应关系 在多数场合下，气体火灾探测器和烟雾火灾探测器能更早实现报警，这是 符合燃烧机理的。从燃烧的机理来说，早期火灾( 燃烧的初期) 通常不会产生 明显的温升、较强辐射的火焰以及浓密的烟雾，而是热解产生的气态产物和少 量不可见烟雾。因此火灾早期探测主要关注于气体探测和烟雾探测。 火灾早期烟气特征主要是指火灾早期烟雾的属性和气体的组成。火灾早期 烟雾属性是指烟雾粒径分布和散射吸收特性；火灾早期气体组成是指火灾早期 产生的火灾标识性气体的浓度和组成。 火灾早期烟气特征对火灾探测的重要性主要体现在它是火灾探测采用何种 方法和手段的主要因素。火灾烟雾属性对火灾探测的影响不言而喻：烟雾粒径 第一章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 分布影响着烟雾探测的方式方法，对于阴燃产生的大颗粒烟雾粒子而言，光电 式烟雾探测方法比离子式烟雾探测方法更能灵敏地探测到；对于明火产生小颗 粒烟雾粒子而言，离子式烟雾探测方法比光电式烟雾探测方法更能灵敏地探测 到。火灾烟雾散射吸收特性同样影响烟雾探测的方式方法，对于对光线吸收较 强的烟雾粒子，减光式烟雾探测方法远比散射式烟雾探测方法灵敏度高：对于 对光线散射较强的烟雾粒子，散射式烟雾探测方法远比减光式烟雾探测方法灵 敏度高。因此针对不同属性的烟雾粒子，应该采用不同的探测方法。 火灾早期燃烧过程中产生的气体是复杂多样的【20 1 ，包含完全燃烧产物，如 c 0 2 和水，以及不完全燃烧产物，如c o 、气态碳氢化合物及醇类、醛类、酮类、 酸类、酯类，如果可燃物中还含有其他元素例如s 和卤素( f 、c 1 、b r ) ，则产 物中就会包含硫的氧化物以及卤素的化合物。对于除含有或生产特殊物质的绝 大多数场所中的可燃物，最基本的均含有c 、h 元素，其在空气中阴燃热解或 明火燃烧的主要产物是h 2 0 、c o 和c 0 2 。为了避免环境湿度的干扰，通常选 择c o 和c 0 2 为火灾的标识性气体。火灾情况下探测哪一种标识性气体作为火 灾发生判据是根据火灾产生标识性气体的浓度更加容易排除环境干扰而确定火 灾发生来决定的。不同环境下火灾早期燃烧产生气体成分和浓度是决定探测何 种气体是作为火灾发生判据的重点。 总而言之，火灾早期烟气特征是决定火灾早期探测有效性的主要参量，根 据火灾早期烟气特征选择正确的火灾探测方式方法是决定更早探测到火灾发生 的关键。对各种情况下早期火灾烟气特征的研究将更加有利于实现较早期的火 灾探测。 1 4 高原环境对火灾探测的影响 高原环境指高原低大气压强的环境。大气压强随着海拔高度的上升而降低， 大气压强随海拔高度的变化如图1 4 1 所示，在海拔高度在3 0 0 0 m 以上，大气 压强将降到标准大气压强的o 7 倍以下。高海拔的环境变化给火灾防治带来了 新课题。高海拔富氧环境( 增加房间内部氧气浓度) 或者缺氧环境下火灾特点 与火灾探测报警与扑救开始被关注2 2 2 3 2 4 埘2 6 2 7 1 。 由于海拔高度增加造成的高原特殊的低压缺氧环境会间接影响火灾探测的 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 方式方法和灵敏度。火灾探测是通过传感器将火灾产生的气体、气溶胶、烟雾、 火焰、热量等参量从环境中分离出来进行识别来达到火灾探测的目的。大气压 强的降低通过影响火灾产生的气体、气溶胶、烟雾、火焰、热量等参量既而影 响火灾探测。 c 。 曼 一 鼎 出 旷 _ 【 海拔高度( k m ) 图1 4 1 大气压强随海拔高度变化图 5 高原环境首先会影响物质燃烧速率，随着海拔的升高和大气压强的降低， 物质燃烧速率将会降低，相同条件下燃烧时间会增加，d w i e s e r ，pj a u c h 和 u w i l l i 2 8 l 的研究表明了这一点。燃烧速率的降低将影响燃烧产物，如气体浓度， 烟雾粒子属性，烟气羽流运动，同时燃烧速率降低造成热释放速率降低从而影 响温升，火焰面积、火焰辐射以及燃烧音等火灾参量。基于火灾参量的各种火 灾探测技术和火灾探测器均将受到火灾参量变化的影响，既而影响其适用性和 灵敏度。 对感烟火灾探测器而言，高原环境通过影响火灾烟雾属性来影响其灵敏度。 在高原环境下，火灾燃烧产生烟雾的光学浓度和粒子浓度会发生改变，这使感 烟火灾探测器在不同海拔高度的灵敏度不相同。随着海拔高度升高，烟雾的光 学浓度和粒子浓度将降低，无论采用光学探测烟雾方式还是离子探测烟雾方式， 对其灵敏度都提出更高的要求。 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 对气体火灾探测器而言，高原环境通过影响火灾标识性气体浓度来影响其 灵敏度。火灾标识性气体c o 和c o z 浓度在燃烧条件变化的情况下，其浓度和 产生速率均将受到影响，所以在高原环境下，无论采用何种气体探测方法来探 测火灾标识性气体均会受到燃烧条件变化带来的气体浓度和产生速率变化的影 响。 对感火焰火灾探测器而言，高原环境下燃烧产生的火焰辐射强度和火焰面 积是影响其灵敏度的主要因素。高海拔缺氧条件下燃烧速率的变化会使火焰辐 射强度和火焰面积发生改变。火焰面积随着海拔的升高而增加，研究表明这一 点 2 9 1 ，对图像式火焰探测方法，火焰面积增加可以增加其灵敏度，同时火焰面 积增加会造成火焰辐射强度变化，会影响响应辐射强度的感火焰火灾探测器。 对感温火灾探测器而言，高原环境下燃烧产生的温升是其工作的中心点。 燃烧速率降低意味着单位时间内燃烧释放出热量减少，温升速率将减慢，温升 能达到的最高温度值将降低，无论是采用定温、差温或者差定温的方式来探测 火灾其灵敏度均会下降。 高原环境不仅仅通过影响火灾参量来影响火灾探测方式方法，而且对于吸 气采样方式进行火灾探测的设备，大气压强的降低对其采样也有较大的影响， 采样管道流动和输运能力变化直接影响吸气采样效率，既而影响火灾探测的灵 敏度。 整体而言，高原环境下火灾探测受到低大气压强的影响而在探测方式方法 和效率上有较大的改变，研究高原环境对火灾探测影响对于高原上火灾探测与 防治具有重要的意义。 1 5 本文的研究目的和研究内容 针对高原低压缺氧环境下各种火灾探测方法适用性的研究将有利于高原火 灾探测方法的选型和火灾探测器的设计。通过实验研究高原低压缺氧环境下燃 烧速率、火灾标识性气体c o 浓度、烟雾浓度变化规律，试图找到更加适合高 原低压缺氧环境的早期火灾探测方式方法；通过研究空气采样式火灾探测器采 样管道内部流动，为其采样管道在高原低压缺氧环境下设计提供依据：通过实 验研究常规点式感烟火灾探测器在高原低压缺氧环境下对烟雾浓度的响应，为 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 高原低压缺氧环境下设计常规点式感烟火灾探测器提供依据。 通过位于海拔高度3 6 0 0 m 的高海拔实验间内进行燃烧实验，测量不同油盘 面积下燃料的燃烧速率以及产物中火灾标识性气体c o 浓度和产生速率，并在 海拔高度4 0 m 的低海拔实验问内重复上述实验，通过两者实验结果对比，比较 高原低压缺氧条件下燃料的燃烧速率、c o 浓度和产生速率和常压环境的不同 之处，分析其对高原低压缺氧环境下火灾气体探测的影响。 通过理论分析和现场实验比较空气采样式火灾探测器在海拔高度3 6 0 0 m 的 高海拔情况下其采样管道内部流动特征和海拔高度4 0 m 的低海拔情况下其采样 管道内部流动特征的不同点，得到高原低压缺氧环境下空气采样式火灾探测器 采样管道内部流动流速、流量，以及采样孔采样速率等参数，通过参数对比得 到高原低压缺氧环境对空气采样式火灾探测器采样的影响。 通过实验测量位于海拔3 6 0 0 m 的标准实验间内不同油盘面积燃烧情况下烟 雾的光学密度和离子密度，并在位于海拔4 0 m 的标准实验间内重复此实验，得 到高原低压缺氧环境下烟雾光学浓度和离子浓度与常压环境的不同点，分析高 原低压缺氧环境对常规点式光电感烟火灾探测器和离子感烟探测器的影响。 1 6 小结 本节从火灾危害和火灾探测技术发展入手，论述了火灾早期烟气特征对火 灾探测的影响，分析了高原环境对火灾探测的影响，并对全文的研究目的和研 究内容进行了明确阐述。 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性 燃烧速率是重要的火灾参量，是衡量火灾危害程度的主要参数 如l ，火灾过 程参量计算和模拟都建立在燃烧速率曲线已知的情况下，例如计算烟气产生速 率、烟气沉降、烟气填充、火灾探测器响应时间、水喷淋启动时间等。燃烧速 率通常用失重速率( k g s ，g s ) 或者热释放速率( k w ) 来表示。失重速率是指 单位时间内燃烧的材料质量；热释放速率是指单位时间内材料燃烧时所释放出 的热量。国际上通过燃烧速率来定义早期火灾，一般认为热释放速率在1 0 0 k w 以下的失控燃烧为早期火灾。 早期火灾是火灾探测关注的焦点，在早期火灾下实现稳定可靠的火灾探测 报警是火灾主动预防的基本要求。早期火灾燃烧具有燃烧速率低、烟雾浓度低、 气体成分更多以高价态存在等特点。早期火灾燃烧特点决定了火灾探测器适用 性和灵敏度要求。 随着海拔高度的增加，大气压强不断下降，形成高原环境。早期火灾燃烧 特点将受到高原环境而改变。首先高原环境对燃烧速率有直接影响，随着海拔 高度增加空气密度下降，氧气含量降低，燃烧速率将受到影响而降低。其次燃 烧速率降低和氧气浓度降低可能使燃烧产生的火灾标识性气体c o 浓度发生变 化。 高原环境下燃烧速率变化规律是高原环境下火灾动力学演化的基础。高原 环境下早期火灾燃烧速率是计算高原环境下火灾探测器响应时间、评价火灾探 测器适用性和火灾探测器灵敏度基本参数，对于火灾探测方式方法以及适用性 研究具有重要意义。 燃烧速率是随着大气压强的降低而降低，对于燃烧速率随大气压强的变化 规律一直是高原火灾防治研究的重点。先前的研究表明，具有小辐射反馈的扩 散火焰燃烧速率正比于大气压强的三分之二次方 3 1 】：k a n u r y l 3 2 1 和a l p e r t 3 3 1 测量 了不同大气压下聚合物燃烧，数据显示燃烧速率也正比于大气压强的三分之二 次方；l o c k w o o d 和c o r l e t t 3 4 1 测量是直径为3 0 c m 具有对流和辐射反馈的甲醛和 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学拄术大学硕士学位论文 煤油火，对于对流反馈而言，燃烧速率正比的大气压强指数略大于三分之二， 对于辐射反馈而言，甲醛燃烧速率正比于大气压强的o 6 4 ，煤油正比于大气压 强的o 9 2 ；s h i n o t h a k e m 】发现对于烟雾反馈占据主导地位的煤油燃烧，燃烧速率 与大气压强成线性变化。w i e s e l 2 8 1 对于t f 5 规定的材料进行实验，得到在大气 压强7 1 5 m b a r 到9 7 6 m b a r 范围内，燃烧速率正比于大气压强的1 - 3 次方。对于 更高海拔高度更低大气压强下燃烧速率的研究将会对此环境下早期火灾防治奠 定基础。 高原环境下火灾燃烧产物中c o 浓度变化是对于火灾探测具有双重意义： 首先根据氧耗法原理p 刮c o 浓度的增加意味着燃烧效率的降低，热释放速率将 随之下降，对火灾探测灵敏度要求更高；其次c o 浓度增加同样意味着通过探 测c o 浓度来探测火灾发生将更具有优势，能更早实现早期火灾探测报警。 因此，研究高原环境下早期火灾燃烧速率和c o 浓度等特点，可以为火灾 探测方式方法以及灵敏度研究奠定基础。 2 2 油池火燃烧速率计算 油池火燃烧速率要根据燃烧过程中占据主导地位的热传递机理来计算，油 池火的热传递机理跟油池火燃烧面积的等效直径相关，可以利用油池火的等效 直径和热传递机理给油池火分类，如表2 2 1 所示1 3 7 】。等效直径是指燃烧面积按 照圆面积计算得到的直径，这种标定燃烧尺寸的方式对特别狭长的燃烧区域是 无效的【3 8 j 。 表2 2 1 油池火等效直径和主导的热传递机理对应表 等效直径( m )燃烧方式 0 0 5对流，层流 o ，0 5 一o 2对流，湍流 对于等效直径在o 2 m 以上油池火，可以根据2 _ 2 1 式来计算其在开放环境 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 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径，廊二是一个实验常量，无限直径的油池火的失 重速率，k 表示火焰的消光吸收系数，卢表示辐射气体有效厚度校正。在油池 火计算过程中没有比较将k 和卢分开考虑，只需要考虑它们两者的乘积即可。 油池火常用材料的计算常数在表2 2 2 中列出。对于醇类燃料而言，甚至在极大 燃烧面积的情况下也不会出现辐射作为主导热传递机理的情况，所以，醇类燃 料失重速率和有效直径无关，可以直接用2 2 2 式计算。对于等效直径在o 2 m 以下的油池火，其主导热传递机理是对流形式，所以其失重速率使用2 2 2 式计 算。 n” 2m 。 2 2 2 失重速率计算出来后，可以根据2 2 3 式计算出热释放速率。 口= 吃廊a 2 2 3 式2 2 1 一式2 - 2 3 均是理想状态下油池火燃烧速率的计算，实际上油池火 的燃烧速率还要受到很多因素的影响，例如，沸腾溢出、气流影响以及油盘高 度影响等等。 表2 2 2 油池火常用材料的燃烧速率计算常数 槲恤 划 密度 a h 廊： k , 0 燃烧材料 。 (kgm一3)(mjlkg) ( k m 2 s )( m 1 ) 液态氢( h 2 ) 7 01 2 0 0o 0 1 76 1 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 2 3 实验设计和实验设备介绍 2 3 1 实验设计 实验主要目的是测量高原环境对燃烧速率和产物中c o 浓度相对于常压环 境的变化，为高原环境下早期火灾探测选型提供数据支持。 实验分别在海拔高度为4 0 m 的合肥和海拔高度为3 6 0 0 m 拉萨进行，合肥和 拉萨的大气压强分别为1 0 0 8 m b a r 和6 5 0 m b a r ，实验相同尺度的实验间内进行， 实验间的尺寸为2 m x 4 m 3 3 5 m ，实验间设置有一个门和一个观察窗，并在其 中一面墙的最上方安装一个排烟扇，门、观察窗以及排烟扇位置如图2 | 3 1 所示。 在实验问地面中心位置放置电子天平，在电子天平正上方安装有两个c o 采样管，两个采样管的距离地面高度分别为2 2 3 m 和3 2 7 m 。两个采样管连接 在实验问外面的t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪上，t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪利用自 带的风机产生负压采样。在电子天平上放置油盘，油盘内添加燃料，整体设备 布置如图2 3 _ 2 所示。实验中所用燃料选择国家标准g b 4 7 1 5 - 9 3 1 4 0 】点型感烟火灾 探测器技术要求及实验方法中s h 4 实验火规定的燃烧材料，体积比9 7 正庚烷 混合3 甲苯( 本节中统称为正庚烷) 。为保证不同燃烧面积燃烧速率具有对比 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 性，需要对燃料的质量进行控制，以保证在油盘内油层的厚度一致。 3 3 5 m 2 m 图2 3 1实验间立体结构图 图2 3 2 实验台整体结构图 实验步骤如下： 1 检查实验间是否密闭， 2 启动电子天平和t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪，进行归零 3 在油盘内部倒入规定质量的正庚烷； 4 用电火花点燃正庚烷； 5 记录点火时间； 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性 中国科学技术大学硕士学位论文 6 记录熄灭时间： 7 记录电子天平储存数据文件名称； 8 记录t e s t 0 3 5 0 烟气分析仪储存数据文件名称 9 打开排风扇； l o 开门。 为了更好对比高原环境和常压环境早期火灾的差别，对正庚烷进行多组实 验，进行不同燃烧面积下实验，实验组数和燃烧面积如表2 3 1 所示。 表2 3 1 早期火灾燃烧特点实验分组表 验。 在大气压强为1 0 0 8 m b a r 的合肥和大气压强为6 5 0 m b a r 的拉萨重复上述实 2 3 2 实验设备介绍 本次实验设备主要了电子天平和t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪，用电子天平测 量失重速率，用t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪测量油盘正上方两个点的燃烧产物气 体成分，主要关注火灾标识性气体c o 。本章这里将介绍所采用的电子天平和 t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪的主要参数。 电子天平采用s l l 0 0 0 0 型电子天平，如图2 - 3 3 所示 s l l 0 0 0 0 型电子天平主要性能参数如下： 1 ) 最夫量程：1 0 0 0 0 9 ； 2 ) 精度：l g ； 3 ) 自动校正、计数： 1 6 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 4 ) r s 一2 3 2 c 输出接口； t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪如图2 3 4 所示。 图2 3 3s l l 0 0 0 0 型电子天平图2 3 4t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪 图2 3 5t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪采集软件界面图 1 7 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性 中国科学技术大学硕士学位论文 t e s t 0 3 5 0 型烟气分析仪主要性能参数如下： 1 ) c o 测量量程：o + 1 0 0 0 0 p p m ； 2 ) c o 测量精度：5 测量精度( + 1 0 0 2 0 0 0 p p m ) ； l o 测量精度( + 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 响应时间：4 0 s 。 2 4 实验结果与分析 在合肥大气压强为1 0 0 8 m b a r 情况下，不同燃烧面积失重速率随时问变化关 系如图2 4 1 所示，在拉萨大气压强为6 5 0 m b a r 情况下，不同燃烧面积失重随时 间变化关系如图2 42 所示，对比海拔高度4 0 m 实验和海拔高度3 6 0 0 m 实验的 失重速率，如图2 4 - 3 2 4 6 。 0 3 瓣 删 1 田 水 时间( s ) 图2 4 1 1 0 0 8 m b a r 大气压下不同燃烧面积失重速率随时间变化图 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 时间( s ) 图2 4 26 5 0 m b a r 大气压下不同燃烧面积失重速率随时间变化图 时间( s ) 图2 4 - 35 7 6 c m 2 燃烧面积在不同大气压下失重速率对比图 1 9 暑u瓣喇嗍妖 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性 中国科学技术大学硕士学位论文 0 、 ? 斟 制 母1 | 水 时间( s ) 图2 4 43 2 5 5 c m 2 燃烧面积在不同大气压下失重速率对比图 时间( s ) 图2 4 52 0 0 c m 2 燃烧面积在不同大气压下失重速率对比图 3v褂删恻水 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 0 3 僻 幽 删 士k 图2 4 61 3 3 c m 2 燃烧面积在不同大气压下失重速率对比图 从图2 4 1 和图2 4 2 可以看出，在常压环境下和高原环境下，燃烧速率随 着油盘面积增加而增加，这符合油池火的特征，燃烧面积决定其燃烧速率和火 焰功率，因为燃烧面积的增加将使燃料蒸发的速度加快，燃烧更加迅速。图2 4 1 中出现了例外情况，即3 2 5 5 c m 2 燃烧面积情况下，燃烧速率在1 5 0 秒附近超过 5 7 6 c m 2 燃烧面积的燃烧速率，这彷佛并不符合油池火燃烧速率和燃烧面积成正 比的规律，但是实际上应该是符合的。对此现象解释如下，在考虑油池火燃烧 过程中，是以油层无限厚度为假设的，燃烧过程中油层温度成一个稳定的梯度， 在距燃烧面一定距离的位置，油层的温度始终是室温，所以蒸发速率和燃烧速 率均应该非常稳定：但是在实验过程中，永远无法做到油层厚度无限大，所以 实验的燃烧过程中，当燃烧到靠近燃烧器皿底面的油温度开始高于室温时，稳 定的梯度将不复存在，蒸发速率和燃烧速率将不会稳定，而是开始逐渐增长， 增长到最大值时，迅速燃烧殆尽。在相同室温条件下，油池火燃烧速率是跟燃 烧面积成正比，因此不同燃烧面积相同油层厚度情况下，燃烧的时间应该近似 相等。从图2 4 1 可以看出，3 2 5 5 c m 2 油盘燃烧时问较短，比5 7 6 c m 2 、2 0 0 c m 2 和1 3 3 c m 2 油盘燃烧时间短几十秒，这说明其油层厚度比其余三者的小，燃烧稳 第二章高原环境下早期火灾燃烧特性中国科学技术大学硕士学位论文 定阶段持续时间短，因此更快进入燃烧速率增长阶段，燃烧速率稳步增加，而 5 7 6 c m 2 油盘此时还在稳定燃烧阶段，在燃烧速率接近最大速率的情况超过 5 7 6 c m 2 油盘稳定燃烧速率是正常的，因为最大燃烧速率是有可能大于更大燃烧 面积的稳定燃烧速率。图2 4 1 中5 7 6 c m 2 最大燃烧速率大于3 2 5 5 c m 2 最大燃烧 速率也证明了这一点。 图2 4 3 一图2 4 6 对比了不同燃烧面积下高原环境和常压环境燃烧速率， 从图上看出在相同燃烧条件下，高原环境下的燃烧速率均低于常压环境下的燃 烧速率，高原环境下在相同质量的燃料燃烧的情况下，燃烧时间