室内燃气火灾蔓延及气相轰燃规律的研究报告开题报告书

---.--总结资料大学硕士学位论文开题报告论文题目室内燃气火灾蔓延及气相轰燃规律的研究学号XX所属学院2007年11月8日XX工业大学硕士学位论文开题报告一．课题的背景及意义：火灾是严重危害人民生命财产，直接影响经济发展和社会稳定的最常见的一种灾害。随着经济建设的快速发展，物质财富的急剧增多和新能源，新材料，新设备的广泛开发利用，以及城市建设规模不断扩大和人民物质文化生活水平的提高，火灾发生的频率越来越高，造成的损失越来越大。80年代，我国共发生火灾约37.6万起，死亡18644人，直接经济损失约32.2亿元；90年代，我国共发生火灾约62.9万起，死亡23715人，直接经济损失约96.6亿元；而在21世纪，仅仅四年的时间，我国共发生火灾约90.9万起，死亡10059人，直接经济损失约60.3亿元[1，2]。随着环保要求的提高，我国燃料结构也在逐步改变。气体燃料，如人工煤气、液化石油气（LPG）和天然气等已逐渐成为城市生活燃料的主体。同时这些气体在工业领域的应用X围也在不断扩大。这就增加了气体泄漏以及发生事故的机率。随着石油化学工业的迅速发展,液化石油气的生产和利用有了广阔的前景,在家庭生活中的使用也非常普遍。液化石油气在储存运输过程中因罐体泄漏而造成的火灾爆炸事故时有发生，甚至引发恶性爆炸事故，并造成了巨大的财产损失和人员伤亡。1998年3月5日，XX市液化石油气管理所液化气泄漏后，遇电火花引起爆炸，燃烧，导致现场7人死亡，多人重伤。1998年7月13日，满载液化石油气的货运列车行驶至XX省XX坝二号隧道时，因机车线路故障造成列车颠簸，致使列车13-20位的液化石油气罐由于相互碰撞破裂，大量气体泄漏，遇撞击产生的火花发生爆炸起火，造成湘黔线中断21天，损失巨大。2004年3月29日，XX省XX市一座1000m3的液化气储罐突然泄漏，237t液化气从储罐底部急剧泄漏，经过消防支队联合抢险，最终堵漏成功。2005年2月21日凌晨，XX一座LNG储备站发生天然气与液化气的混合气体泄漏事故，因发现及时而未造成人员伤亡[3]。因此研究这种火灾的发生发展规律，提高火灾防治的科学性和有效性，用科学的认识指导人类同火灾的斗争二．火灾研究的现状人类认识到火灾的危害由来已久,在我国古代,人们就总结出“防为上,救次之,戒为下”的经验.而欧洲在17世纪中期已经有了城市火灾的法规和标准.然而,在很长时期内,人们对火灾的认识几乎完全是经验性的,法规标准和扑火方式均缺乏科学指导.直至20世纪中叶,物理学、燃烧学、流体力学等已进展到有可能利用科学手段解决复杂火灾问题的阶段,同时,科学计算技术、非线性动力学理论、系统安全原理、宏观与小尺度动态测量技术、统计理论、以及信息技术等的发展,为认识和解决火灾问题提供了丰富的理论支持和技术手段.这一切,都为火灾科学的兴起奠定了基础.20世纪70年代,美国哈佛大学的埃蒙斯(H.W.Emmons)教授基于质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理建立了建筑火灾的区域模拟理论[4],标志着人类将火灾看作为动力学系统并利用物理和化学原理来认识该系统演化过程的开端,开创了火灾科学研究的先河.1985年第一届国际火灾科学大会则标志着火灾科学开始全面兴起.自此,世界各国均大力推动火灾科学基础研究,研究基地不断扩大。中国自1989年以来成功建设了以火灾科学基础研究为基本定位的国家级实验室———火灾科学国家重点实验室,其研究方向涵盖火灾形成与发展的动力学演化、火灾防治关键技术原理和火灾安全工程理论与方法学等方面.此外,公安部直属的XX、XX、XX和XX消防研究所,清华大学、XX大学、中国矿业大学、XX理工大学、XX理工大学、XX化工大学、东北林业大学等都在火灾科学研究方面开展了扎实的工作.迄今,我国基本上形成了火灾科学基础研究和火灾相关行业防治部门的应用性研究协调发展、齐头并进的良好局面[5]。20世纪90年代,X维澄教授等[6～8]倡导火灾的双重性规律研究,其主要观点是:虽然火灾动力学系统本身是确定性的,但影响该系统的可燃物、火源、人的行为和环境条件等均具有随机性和统计性特征,因此对火灾安全的科学认识应涵盖确定性和随机性两方面.双重性规律的研究思想有力推动了火灾科学的发展,并且在应用层面推动了基于火灾动力学和统计理论相结合的火灾风险评估学的发展.经过20余年的发展,已鉴别了基本的火灾现象,逐步形成了火灾科学的基本思想和理论体系,研究领域不断扩展到森林、草原、建筑、工业和公共场所等各类火灾,特别在火灾分过程研究以及若干特殊火现象的非线性动力学机理研究方面取得了巨大进展。火灾的数值模拟可以辅助揭示火灾机理与规律,节约实验成本,并可重建火灾场景,辅助火灾风险评估和性能化设计工作.傅祝满和X维澄[9]对建筑火灾的区域模拟(ZoneModeling)方法开展了早期工作,而陈晓军等[10～11]则发展了多区域模型来预测单个房间中的垂直温度分布,改进了燃烧模型、流体流动模型和热传递模型.姚建达和X维澄[12]发展了烟气运动场模拟方法(FieldModeling)并建立了三维数理模型,进而发展了一种体积守恒修正压力的场区网数值方法[13～14].杨锐等[15]则结合大涡模拟技术发展了新的火灾过程场区模拟程序.姜曦和X维澄[16]还对微重力下的火蔓延过程开展数值研究,结果表明在微重力和慢速流动条件下的火蔓延过程高度不稳定,且在着火后逆流火蔓延速度可能会高于顺流火蔓延速度.对火灾模拟中湍流的数值模拟方法,符松等[17]提出了综合RANS和DES的计算格式,保持DES准确性的同时也具备RANS的高计算效率.针对气体燃料泄漏并引发火灾的有关研究主要集中在两个方面。一方面是燃气在室外管网或储气设施泄漏并在大空间扩散的研究，另一方面是燃气在室内有限空间泄漏后的扩散规律及相关的着火及燃烧规律。第一方面的研究主要是针对大空间燃气泄漏后的扩散规律及相关的扩散模型[18,19]，如对于重气扩散有箱及相似模型，浅层模型，三维流体力学模型等。轻质气体扩散有高斯模型，sutton模型，板块模型等。第二方面的工作主要体现在或者是对燃气燃烧问题进行稳态模拟，如小空间的火炬燃烧[20]。或者是燃气在缓慢泄漏后形成均匀可燃预混气体，其着火后的火焰传播特性[21,22]。室内轰燃是室内火灾发展到一定阶段时出现的一种类似于爆燃且危害性极大的特殊现象。轰燃发生后,室内所有可燃物会在极短时间内全面着火,燃烧速率和温度急剧上升。目前国内外也有很多人对轰燃现象作了一定的研究。Thomas等开展了轰燃现象的理论研究[23,24],提出了经典的热爆炸理论基本原理在内的理论框架,Zukoski等[25]T.L.Graham等[26]对轰燃发生条件进行了进一步的研究。李晋，宋虎等分别通过实验和数值模拟的方法研究了通风状况对于轰燃的影响[27,28]。这些研究对于受限空间轰燃现象的了解具有理论指导价值。当前火灾安全共同体普遍接受以下三个准则作为轰燃发生的条件，a)室内顶部烟气层温度超过600摄氏度；b)地板辐射量超过20kw/m2；c)有火焰从窗口喷出。但是这些判断标准大多是通过实验现象总结出来的，对于轰燃发生的基本机理的研究还非常有限。翁文国等[29,30]，基于能量守恒揭示轰燃的本质是燕尾突变,而卢平等[31]则研制了可用于模拟轰燃的混合燃料,用于研究轰燃时的温度和烟气生成。吴晋湘等系统的研究了室内燃料扩散的动态过程与发展，可燃区域的变化及着火发生的危险性[32]，同时对室内泄漏燃气着火后的火焰蔓延过程进行了初步的研究[33,34]。研究发现，对于密度大于空气的气体燃料，在其泄漏的动态过程中，室内的可燃区域时一个有一定厚度的水平区域，其高度与通风窗沿高度相当，在此区域内最容易引发火灾，当在泄漏有可燃气体的室内点火成功后，火焰首先在燃料燃烧的浓限和稀限之间的可燃区域传播，并且在化学恰当比附近区域的传播速度最大，因此形成水平的扁平火焰，在非均匀动态变化的浓度场中，火焰蔓延的过程存在着由火焰面推进传播向空间整体燃烧的过渡，这一现象和固体轰然的现象（即：室内固体可燃物大面积迅速燃烧的现象）十分相似，可将这一过渡现象称为气相轰然。但是这些研究都集中在轰燃现象本身，对轰燃发生的机理研究的还比较少。室内气体燃料泄漏及着火后产生的轰燃，是引发室内火灾的重要原因。对室内气体燃料泄漏与火焰蔓延过程，以及气相轰燃发生以及发展的规律展开系统深入的研究，对于火灾的防治与控制具有重要意义。在国家重点基础研究发展规划(973)资助下我校进行了对燃气泄漏及燃烧机理的研究。贾云飞同学建立了冷态的气体射流的大涡模型，计算模拟了冷态燃气泄漏以后的燃气浓度场以及可燃区的分布，分析了泄漏规律的冷态气体，并且拟合了气体泄漏的经验公式，并作了具体的实验和数值模拟相验证。苗青同学建立了泄漏气体的热态模型，分析了气体在点燃以后火焰的传播速度，温度以及压力的变化，分析了燃烧以及轰燃的规律，提出最大压力点与窗口位置的关系，并作了具体的模拟的实验与数值模拟相验证。王春峰同学经过数值模拟与实验验证，提出轰燃的标志性参量则是压力的突增。并且把燃烧过程中间压力达到第二个峰值的时刻定义为轰燃时刻，分析了障碍物对火灾发展的影响。通过计算发现气相轰燃温度和燃气泄漏的量呈线性负相关。随着泄漏量的增加，轰燃时刻的温度越低。李明明同学改变了箱体的尺寸，研究了空间尺寸的大小对于气相轰燃现象的影响。下面是我需要完成的工作。三.研究内容，研究目标以及拟解决的关键问题研究内容：1）继续研究可燃气体泄漏后浓度场的变化规律。2）研究气相轰燃发生的条件及其发展机理与规律。通过实验与数值模拟，分析轰燃发生过程中流场温度及压力变化特征，以及轰燃发生时刻流场内各成分浓度的特征，及建筑物结构对轰燃的影响。从中总结出气相轰燃条件。并比较气相轰燃与固相轰燃的异同。研究目标：本课题在实验以及模拟的过程中，采用液化石油气，一氧化碳气体，天然气这三种不同比重的燃气为工质，通过试验研究，数值模拟和理论分析，对燃料泄漏后浓度场的变化规律，气相火焰蔓延过程，特别是气相轰燃发生的条件和机理进行系统深入地研究，并通过总结相关研究结果，获得室内燃起火焰蔓延的理论模型，为室内安全消防设计和火灾防治与控制提供理论支持。拟解决的关键问题：1）在数值模拟中加入辐射模型，使模拟更接近现实状况。2）以前在数值模拟中采用的是简单的单步反应和两步反应，虽然对多步反应进行了一定的尝试，但是还很不成熟，在以后的工作中将继续在此方面进行改进。3）对比液化石油气，一氧化碳和天然气三种工质的气相火焰蔓延过程有什么异同。4）研究开口通风因子和空间尺寸对气相轰燃的影响5）研究火源释热速率对气相轰燃的影响6）研究火源位置的变化对于气相轰燃的影响四.拟采取的研究方案和可行性分析采用的研究方案：全尺度火灾实验研究是最理想的方法，但是这种方法会耗费大量的人力，物力，财力，而且研究的周期比较长。由于客观条件的限制，全尺度火灾实验研究往往不能实现。相似模型火灾实验是在实体火灾实验难以实施的情况下发展起来的，可以节省人力、物力、财力，缩短研究周期，而且在一定程度上能够反映真实火灾的规律。采用计算机模拟的研究方法预测火灾发生时候各种物理参数的分布是一种有效的方法，这种方法具有参数设定的任意性、预测结果的可再现性等优点，因而越来越被人们所重视。尤其是计算机技术的快速发展，促进了该方法的发展和应用。计算机模拟不需要大量的资金建造实验室设施，可以方便地对不同的影响因素，不同的过程进行研究。火灾数学模化的历史远不如物理模化的历史长久，物理模化的历史几乎与人类对火灾研究的历史一样长。直至40年前，火灾科学的研究还只是停留在实验和经验阶段。例如，人们为了弄清楚建筑物火灾的发生和发展情况，就搭建一栋或一间典型的房子或房间，布置与实际房子或房间一样的物品，再选用常见的火灾起火方式进行点火燃烧，尽量再现实际火灾的情形，进行各种必要的测量和研究。应该承认，时至今日，尽管各种测量方法和手段有了很大的发展和进步，这种实体模拟试验仍然是火灾科学研究中最主要也是最可靠的办法。但是它只能在火灾发生时记录一些数据，这样就造成科学数据较少、说服力不强，而且只可能在火灾发生时去研究的情形，使得人们不能积极地去研究火灾发生的机理，另外，由于火灾研究具有特殊性，即在火灾的孕育、发生、发展和蔓延的过程中包含了流体流动、传热传质、化学反应和相变，同时又涉及质量、动量、能量和化学成分在复杂多变的环境条件下相互作用的三维、多相、多尺度、非定常、非线性、非平衡态的动力学过程，因此，在资金、安全、环保等因素的限制下，直接进行大型实验是非常困难的，实验模拟研究一般是在某种近似条件下进行的，由于火灾过程的复杂性，严格的相似准则又往往很难建立，所以实验模拟方案所包含的近似必然导致研究结果与实际的偏离，火灾的相似性实验模拟也就必然具有其局限性。鉴于以上的情况我们将采用计算机模拟与相似模拟实验相结合的方式进行问题的研究。并倚重于数值模拟的方法来解决我的研究目标，相似试验仅仅作为一种辅助的手段。由于本课题研究工质具有易燃易爆性，并且由于计算机资源的限制，所以在实验和模拟方面都采用小尺度的箱体。简化实际工况，抽象出模型，建立与实际工况相似的模拟试验台。利用流体计算软件FLUENT对所要研究的问题进行实际工况的计算机模拟，分析计算模拟的数据。在数值模拟数据的指导下进行试验，验证数值模拟得出的结论，模拟的实验现象是否和试验现象趋势相一致，在分析比较的基础上，对模拟和实验都进行相应的改进。分析总结实验数据和模拟数据，找出我们所关心的火焰蔓延以及气象轰燃的规律可行性分析：本课题采用fluent6.22进行数值模拟，该软件具有强大的模拟功能，能够很好的模拟复杂外形的流体流动以及热传导过程，并且具有专门用于模拟燃烧过程的prePDF预处理软件。实验室已经购进了该软件，并且对于本课题的研究已经积累了一定的前期基础和经验，所以本课题的数值模拟方案是可行的。在实验方面，本课题在实验过程中要测量的温度，压力等参数，实验室也具备相关的测量仪器，所以本课题的实验方案也是可行的。五．特色与创新之处：以前的研究是采用液化石油气为研究对象，本课题采用液化石油气，天然气，和一氧化碳气体三种工质为研究对象，改进燃烧模型，向其中加入辐射模型，并尝试采用多部反应，并且研究开口通风因子和空间尺寸，火源释热速率，火源位置的变化对气相轰燃的影响，会对气相火焰蔓延的过程以及影响气相轰燃的因素做更全面的研究。六．研究进度计划：1.2007年11月份至2007年12月份，进一步搜集燃气泄露火灾与轰燃，燃烧模型等方面的资料2.2008年1至3月份，对燃气在室内火焰蔓延的情况进行数值模拟，并与以前的实验结果进行对比，调整燃烧模型。3.2007年4月份至2008年6月份，对以前的试验台进行改进，并进行相关的实验研究工作4.2008年7月份至2008年8月份，分析试验数据与模拟数据，根据数据分析结果，有针对性地对模拟过程进行一定的改进，获取更多相关的计算结果。5.2008年9月份至2008年10月份，对所有数据进行后处理6.2008年11月份至2008年12月份，写毕业论文并准备答辩参考文献：吴强，董宪伟.我国公共场所火灾现状及防治措施[J].安全健康，2006年9月：44-45郭铁男.我国火灾形势与消防科学技术的发展[J].消防科学与技术，2005，11（24）：663-673高瑞霞.液化石油气储运火灾的消防安全[J].油气储运，2006，25（9）：53-55EmmonsHW.Scientificprogressonfire[J].AnnualReviewofFluidMechanics,1980,12:223-236.X维澄,X乃安.中国火灾科学基础研究进展与展望[J].中国科学技术大学学报,2006，36：1-8.FanWC.Somenewaspectsofputermodelinginfirescience[C]∥ProceedingsoftheFirstAsianConference.Hefei,1992:39-49X维澄,陈莉.卧室火灾危险度的双重性模型[J].中国科学技术大学学报,1994,24:220-224陈莉,袁理明,X维澄.建筑火灾评估及双重性分析.[J].火灾科学,1996,5:23-28FuZM,FanWC.Predictionofbuildingfireswithzonemodelingmethod[J].ProgressInNaturalScience,1996,6(6):734-740ChenXJ,YangLZ,DengZH,etal.Amulti2layerzonemodelforpredictingfirebehaviorinafireroom[J].FireSafetyJournal,2005,40(3):267-281ChenXJ,YangLZ,DengZX,etal.Amulti2layerzonemodelforpredictingtemperaturedistributioninafireroom[J].ProgressInNaturalScience,2004,14:536-540姚建达,X维澄.辐射模型在烟气运动数值模拟中的应用[J].火灾科学,1995,4:26-33.YaoJ,FanWC,KohyuS,etal.Verificationandapplicationoffield2zone2networkmodelinbuildingfire[J].FireSafetyJournal,1999,33(1):35-44姚建达,X维澄,佐藤晃由,等.建筑火灾中场区网数值模型的应用[J].中国科学技术大学学报,1997,27:304-308杨锐,蒋勇,纪杰,等.建筑火灾中基于大涡模拟的场区复合数值模型及其应用[J].自然科学进展,2003,13:6372-41JiangX,FanWC.Numericalpredictionofflamespreadoversolidbustiblesinamicrogravityenvironment[J].FireSafetyJournal,1995,24(3):279-298FuS,ChowCK.Mid2termreportof“973”project(2001CB409604)[R].200KhanFI，AbbasiSA，Modelingandsimulationofheavygasdispersiononthebasisofmodificationinplumepaththeory,JournalofHazardousMaterials,2000,A80：15-30CleaverRP，CooperMG，HalfordAP，Furtherdevelopmentofamodelfordensegasdispersionoverrealterrain,JournalofHazardousMaterials,1995,40:85-108X奕，郭印诚等，甲烷平面射流扩散火焰的大涡模拟，工程热物理学报，2003，24：343-346X宝春，姜孝海等，湍流加速火焰的三维数值模拟，计算力学学报，2003，20：462-466叶经方，姜孝海等，楔形障碍物诱导火焰失稳的实验研究，弹道学报，2005，17（3）Thomas,P.H.Bullen,M.L.Quintiere,J.G.Mccaffer.Flashoverandinstabilitiesinfirebehavior[J].bustionandFlame,1980,38:159～171Thomas,P.H.TheGrowthoffire-ignitiontofullinvolvement.bustionFundamentalsofFire[M].AcademicPress,NewYork,1995,101～219.S.R.Bishop,etal.