火灾引起的受限天花板下的火焰延伸长度纵向气流通道
摘要
本文研究了在受限的天花板下面的冲击火焰的火焰延伸长度。具有纵向气流的通道。该领域的前期工作主要涉及联合国约束。天花板和没有强制气流条件。在纵向气流条件下，火焰在下方延伸。通道天花板是不对称的，也就是说，在上游和下游方向上不同于火灾。来源。在本研究中，进行了两个通道天花板的宽度为1.5米和0.5米的实验。采用不同大小的方形多孔燃气燃烧器，以丙烷为燃料，采用多种燃烧方式。热释放率和源天花板高度。在天花板下面的火焰延伸长度，上游和从火源的下游，进行测量。它们的差异以及它们的总长度被量化。沿通道的强迫纵向气流的不同大小。结果表明，火焰扩展天花板下的长度随着放热率的增加而增加，但随着源顶高度、通道的减小而减小。宽度、燃烧器尺寸或纵向气流速度。随着纵向气流，火焰延伸更长。下游比上游。提出了火焰延伸长度的无量纲相关（UP）。基于上游和下游的未燃烧燃料分布，流、下游和它们的总长度同时考虑天花板气流的气流夹带，这进一步消耗了天花板上未燃烧的燃料。这些相关性被证明与数据吻合得很好。
- 介绍
当火焰的自由火焰高度高于天花板高度时，火焰冲击着天花板，延伸了一段距离。天花板下面。这种撞击火焰会产生很高的热量。到天花板的通量和增强的辐射通量到下面的部分周围环境〔1—3〕。这种高热通量可能具有显著性。不影响任何可燃材料导致进一步点火，和也可能对不燃材料造成物理损坏。所以，天花板下的火焰延伸长度是一个重要参数。量化和建模。撞击火焰的行为可能是分为两个广阔的场景：（i）一个无限制的天花板火焰以轴对称的方式径向延伸；或（ii）为狭窄的天花板，例如，在一个狭长的结构中侧壁约束火焰的走廊、隧道或管道从天花板向两个相反的方向延伸。来源。对于无限制天花板下的火焰延伸长度，你而费思〔1〕提出了一种经验相关性，广泛应用于实践：
r f/D = 0.502 [( Hf –H)/ D]0.957 （1）
其中R是在天花板下面的径向火焰延伸长度；H f是可见火焰高度（自由燃烧，没有天花板）；H是源-天花板高度；D是火源的直径。巴布拉斯卡斯〔2〕回顾了80年代的问题，Gr[ 3 ]获得了一些数据。直径0.61M和0.91M直径的燃烧器（104—280kW）。哈塞米和约科Bayasi〔4〕提出了一种基于无量纲火灾的公式热释放率：
r f/D= 2.58*2/5(H/D) 2/5-H/D （2）
命名法
c p 恒压空气比热（KJ/kg·K）
d 走廊顶棚下热气层厚度（m）
D 方形燃烧器的燃烧器直径/侧面尺寸（m）
g 重力加速度（m/S 2）
H 源天花板高度（m）
H f 自由火焰高度（m）
Delta;Hinfin; 每公斤空气释放热量（KJ/kg）
Delta;H fuel 燃料燃烧热（KJ/kg）
l f 走廊天花板下的火焰长度（m）
l fe 沿通道吊顶的火焰延伸长度（m）
l fe,0 通道天花板下的火焰延伸长度气流（m）
l fe,upstream 通道天花板下的火焰延伸长度上游气流（m）
l fe,downstream 通道天花板下的火焰延伸长度气流下游（m）
Q 热释放率（KW）
rf 天花板下自由基火焰延伸长度（m）
T infin; 环境空气温度（K）
Delta;T f 火焰温升高于环境空气温度（K）
u a 纵向气流速度（M/S）
ue 冲击后顶盖流的特征速度（M/S）
V fuel 燃料体积流量（m 3／s）
W 通道宽度（m）
希腊符号
rho;infin; 环境空气密度（kg/m 3）
Delta;rho; f 火焰与环境空气的密度差（kg/m 3）
theta; 火焰倾角（度）
下标
fe 火焰
p 恒压
infin; 周围环境
（3）
Q是放热率；rho;infin;是环境空气密度；Tinfin;是环境空气温度；c p是恒压空气的比热容；g是重力引起的加速度。参考文献〔4〕中的数据是使用源天花板高度H进一步相关无量纲[5 ]为了规范化而不是源维度D. Ding和Quintiere〔6〕还提出了一种基于A火焰延伸长度预测的理论分析使用源维数D进行标准化的天花板：
rf/D=1.62*2/5 （4）
最近，张等人。[7，8]提出了火焰的相关性图2.通道顶下火焰扩展的典型图像处理（通道宽度：0.5米；源尺寸：15cm；源天花板高度：35厘米；HRR：102.3千瓦；无纵向气流圆射流引起的非承压天花板延伸长度火灾，以及在不受限制的倾斜天花板下面矩形源火灾。
图1 实验装置。
图2。通道天花板下火焰扩展的典型图像处理（通道宽度：0.5米；源尺寸：15cm；源天花板高度：35厘米；HRR：102.3千瓦；没有纵向气流）。
对于受限天花板下的火焰扩展行为在走廊上的例子，研究是有限的。欣克利[ 9，10 ]1.2m火焰冲击下的热通量测量在走廊尽头有一个煤气灶的宽走廊热释放率（170～600 kW）和各种DIS燃烧器的范围天花板下的（0.37—1.20米）。提出以下公式[9，10]预测楼上天花板下的火焰长度脚本：
（5）
其中Lf是火焰延伸长度；mrsquo;是单位燃料的流量廊道宽度；d是下方的热气层厚度。
应该注意的是，已经进行了有限的研究。具有狭窄空气的狭长结构中的火焰扩展行为流动。这些情况通常存在于现实世界中，例如在通常采用纵向强制通风的运输隧道用于污染或控制烟雾[例如，〔11—16〕〕。即使在科里-建筑物内部的DOR可能存在纵向流动。例如，一根烟提取系统安装在走廊一端的天花板上通过走廊打开沿走廊的这种纵向气流（窗口）在另一端。通过这样的气流，火焰延伸长度在狭窄的天花板下面的通道或走廊将是unSym。度量，即在上游和下游方向上不同。来自火源。然而，这种不对称并不是很好。截至目前为止。最近，IGASON和李（17—20）研究了火焰长度。在纵向通风隧道中。在这些作品中，火焰延伸长度定义为火焰尖端与中心之间的距离。火源。对于火焰没有到达天花板的Rela-更高的纵向通风，水平长度燃烧火焰被估计并用作下游火焰长度。隧道高度的归一化火焰长度左心房lf/H，相关反对定义为无量纲的热释放速率Q/(rho;cPTAH1/2ef).其中L f是火焰长度，H是隧道高度，Q是热释放率，h源顶高度，pi;是环境空气密度，C p是特定的。空气在恒压下的热，T 0是大气温度，A是隧道的横截面积。参考文献〔18〕，主要发现和结论是火焰长度（参考文献〔18〕中的下游）。不受纵向通风速度的影响。值得注意的是这些研究的数据来自于大规模的火灾试验。（如HGV-Eurka 499火灾试验（21），纪念测试（22）和L NoMalk和Inason（23），纵向通风是相当地且对火焰长度的影响可能不明显.
本文介绍了开展的综合性实验。在两个不同通道宽度的通道中测量火焰延伸长度在限制的天花板下面，都在上游。以及下游，以及总火焰延伸长度。这是用纵向气流测试各种热释放速率，通道宽度和源天花板高度。采用相对较小的火灾，其中火焰延伸长度对纵向非常敏感。这些场景的设计是为了强调纵向通风对隧道火灾下天花板下的火焰延伸长度的影响。使用不同的方法对数据进行分析，该方法基于上游和下游未燃燃料分布的物理，以及考虑天花板气流的空气夹带，其进一步消耗沿天花板的未燃烧燃料。根据分析，提出了火焰延伸长度（上游和下游以及它们的总长度）的无量纲相关。
2.实验
图1示出了实验装置。进行了实验。一个72m长通道（24），具有两个不同通道的天花板宽度（如图1b所示，分别为0.5米和1.5米）。纵向气流通过一个机械风扇产生的通道流过。在通道的一端屏蔽[ 25 ]。通道的天花板是内衬云母板（2cm厚），导热系数低0.035W/（m K）和良好的热阻性能。侧壁该通道由防火玻璃构成，以记录火焰位置，使用CCD摄像机.
方孔多孔燃气燃烧器（侧面尺寸为15cm和20cm，宽为0.5米；侧面尺寸为25cm，30cm，35cm宽为1.5米宽的通道）用不锈钢制成，并有许多小孔均匀分布在整个表面上，用作炉火。来源。气体燃烧器位于通道底部上方的85厘米、90cm或95cm处，提供三个源顶棚高度（45厘米、40cm和35cm）。丙烷用作燃料，供给率控制。通过气体流量计，根据燃料的燃烧热计算出相应的放热率。使用气体燃料，而不是液体燃料（例如，池火）或固体燃料（例如，木垛），以产生稳定的火焰放热率，这不会受到纵向气流变化的影响。当通道顶宽为0.5m时，热释放速率（HR）分别为51.0kW、61.2kW、71.4kW、91.8kW、102.3kW、112.2kW、122.4kW、132.6kW、142.8kW和153.1kW；通道顶宽为1.5 m时，热释放速率为130kW、140kW、150 kW、160kW、170kW、200 kW和220kW。纵向空气流速的四个水平被认为是：0m/s，0.3m/s，0.5m/s和0.8m/s，在1.5米宽通道中，在0.5m宽通道中为0m/s，0.6m/s，1.2m/s，1.8m/s。在更高的纵向气流速度比这些，火焰被发现不达到天花板在所有考虑的条件下，所以这些场景没有讨论在这里提出的实验。此外，测试的速度都被控制为小于临界速度，使火焰在天花板下面和下游都延伸。最大临界速度，超过上游火焰的临界速度将消失，约为1.8 - 1.9M/s，在这些实验中考虑最高的热释放速率。纵向风速由热线风速仪测量，精度为0.01M/s。使用侧视图CCD（电荷耦合器件）相机记录通道天花板下的火焰延伸长度，传感器尺寸为8.5mm，具有3000000像素，每秒25帧的胶片速度。火焰长度的量化是通过使用分辨率为0.1m的视觉尺度来实现的，附连在通道侧壁上。图2（a）示出了火焰扩展现象的典型视图
类似于自由燃烧的浮力火焰，天花板下方的水平延伸火焰也表现出相当大的波动。为了解释这些，时间序列火焰视频已经被解压缩成帧（60S，1500帧）。为了获得火焰延伸长度，每个图像帧首先被转换成灰度图像，如图2（b）所示，然后根据阈值（2），如图2c（c）所示的二值图像。使用OTSU方法（24—26）客观地获得。然后，对二值图像进行平均，得到如图2（d）所示的火焰间歇性轮廓，在此基础上，在50%个间歇处获得平均火焰延伸长度。一种典型的图像处理与比较如图2（E）所示，基于火焰尖端的火焰长度与基于50%间歇性的火焰长度相似。
表1 没有纵向气流的实验条件和结果摘要。
用海斯克斯塔模型〔27〕对各燃烧器的自由火焰高度Hf和放热率的估计值。
总共469个实验条件，包括不同的通道宽度，火源尺寸、放热率、源顶高度和隆头考虑了空气流动速度。各实验条件至少持续5min，重复三次，平均值用于分析讨论。测试火灾的大小以及纵向通风气流速度被仔细控制。相对较小的值来解决物理学关于龙眼效应的问题非燃烧燃料分配和空气的总通风气流夹带。总结了所有实验条件和结果。表1（无纵向气流）和表2（带纵向空气流量）。
3.结果与讨论
图3和4示出了在不同的顶棚高度下，不同的纵向气流速度和燃烧器尺寸的测量的不同火焰放热率的天花板下和下游的火焰延伸长度。在两个通道宽度分别为0.5米和1.5米。可以看出：
- 火焰延伸长度随热释放速率的增加而增加，但随着源极高度或燃烧器尺寸的增加而减小（随着源极高度较大或具有较高的纵向气流速度），随着所有燃烧器尺寸的增加，燃烧器尺寸的减小更为显著。当通道宽度较窄时，火焰延伸长度较大。
- 具有纵向气流的火焰延伸长度与没有空气流的火焰延伸长度是不同的。在没有纵向气流的情况下，长度是相当大的（上游和下游的火焰延伸长度几乎相同，量化差小于5%，这里给出的平均值）比即使具有低纵向气流（即0.3M/s，0.6M/s）。这可能是由于火焰倾斜导致在撞击点之前较长的火焰段，导致撞击后剩余的未燃烧的燃料减少。这就需要少量的空气夹带来消耗未燃烧的燃料，这导致较短的火焰延伸长度。 <l
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