低压条件下正庚烷油池火产烟特性与烟粒子散射特性研究

低压条件下正庚烷油池火产烟特性与烟粒子散射特性研究火灾的安全与防范是关系社稷民生与工业生产安全的重要事项。在高原、飞机机舱等低压环境发生的火灾,由于其燃烧行为具有特殊性,给火灾探测与预防造成困难。本文通过在低压低氧舱以及飞机货舱环境模拟舱中开展实验,详细研究了低气压对于正庚烷油池火燃烧特性的影响,着重分析了低压环境中正庚烷油池火的产烟特性,并利用离散偶极子方法计算粒子的散射特性,提出了针对低压环境烟雾探测技术的改进方案。本文的研究结合实验数据从科学的角度揭示了低压环境对于正庚烷油池火烟粒子的产烟规律,并结合实际应用为烟雾探测技术的改进提供数据和理论支持。低压环境明显影响正庚烷油池火的燃烧特性,包括燃烧速率、火焰高度、火焰中心线温度、火焰辐射以及CO生成量。随着气压的降低,燃料的燃烧速率下降明显,有-·m"∝P0.63±0.03关系。火焰高度随气压的降低而升高,且随着气压的降低,火焰高度增高的趋势愈加明显。随着气压的降低,火焰中心线最高温度出现的位置提升,这表明低气压火灾容易造成更高的顶棚温度；低气压下,火焰底部更加“纤细”,燃烧更集中,温度更高,燃烧效率更高。低压火焰更加暗淡,对外热辐射作用更弱,火焰中明亮的烟颗粒较少。当气压等于或高于80.8kPa,正庚烷燃烧产生的CO和气压的关系非常不明显；而当气压等于或低于70.7kPa时,CO产量迅速增加。本文首次发现了低气压对烟颗粒微观形貌特征的影响规律。验证了阴燃火烟颗粒是由分解的有机物液滴构成,而明火烟颗粒主要由碳粒子构成的分形凝聚体。明火烟粒子的主粒子粒径、每个凝聚体含有的主粒子个数、回转半径都随着气压的降低而减小。分形维数和分形前置因子和气压没有明显关系。阴燃火烟粒子的直径和气压没有明显关系,粒径主要取决于燃烧物的种类。本文通过电镜扫描结合数据统计方法,以及电迁移率扫描粒子群方法研究了粒子的粒径分布,发现正庚烷明火烟颗粒的几何平均粒径和中位数粒径随着气压的升高而明显增大,推导出几何平均粒径和气压之间的二阶多项式关系。揭示了低气压对烟雾总体质量浓度、数目浓度、消光系数等宏观特性的影响机制。当气压降低,正庚烷明火烟颗粒的粒子数目浓度随之降低。粒子数目浓度和气压之间存在线性关系。无论明火还是阴燃火,烟气生成率随着气压的升高而增大。烟雾的消光系数都随气压具有线性关系且随着气压的升高而增大。比消光系数的大小主要由可燃物的种类决定。建立了典型明火和阴燃火的烟粒子模型,并利用此模型和DDA方法计算并揭示低压环境对于烟粒子散射特性的影响规律。结果表明,散射相函数随着气压的降低、波长的增大和散射角度的增大而减小。无论明火和阴燃火颗粒,前向散射强度都要明显比后向散射强度大。在入射光波长300到2000nm范围内,烟粒子分形凝聚体的散射更符合Mie散射理论。随着气压的升高,明火烟粒子更加的不规则,更接近分形凝聚体;并且随着入射光波长的减小,粒子偏离球体的特性更加的明显。S12/S11、S33/S11、S44/S11与压力和波长没有明显的关系。散射不对称因子g(1)揭示了对于明火和阴燃火的烟粒子,前向散射都占据主导地位。烟粒子吸收效率因子、散射效率因子和散射率随着气压的升高和波长的降低而增加,且与气压的关系可以用线性拟合。烟粒子对光的吸收作用在总消光效果中占主导地位。阐释了低压环境影响光电感烟探测器性能的因素,并针对低压环境烟粒子提出了改进感烟探测器性能的设计方案。火灾烟颗粒的散射光强正比1/λ4,且和粒子尺度、散射角具有密切联系。低气压环境中,常规的感烟火灾探测器应该加以改进,具体包括以下几个方面：感烟探测器的灵敏度应该提高：激光可以用于增强对较小烟颗粒的探测能力；散射入射光波长应该采用较短波长,如近紫外光或者蓝紫光；前向散射比后向