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[博士论文] 宋超
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:当前,中国的城镇化建设处于高速发展的阶段,与此同时,城市火灾风险居高不下。我国城市的消防规划相对滞后于城镇化的快速发展,特别对于城市的未来发展以及对火灾风险的发展考虑得不够全面,同时,考虑时空动态分布的火灾风险影响下的消防资源布局方面的研究也较少。本文通过引入相关数学模型来综合考虑时空变化对城市火灾发生的影响,充分考虑火灾发生的时空变化特征,并在此基础上发展一种与城市发展相适应的、动态的消防站选址规划模型,可为提高城市消防规划的科学性提供理论支撑。主要工作如下:
  1.城市尺度火灾发生的空间分布研究
  通过使用机器学习算法和空间计量经济学模型对市域尺度的城市火灾的发生进行空间建模,从而预测或者解释火灾发生的空间分布。
  首先,我们使用机器学习算法进行分析。针对特征选择得到的重采样结果显示,在训练集中,四种机器学习算法中随机森林模型(RF)的预测精度最高。样本点距离消防站的距离、人口的分布、企业工厂的分布、道路密度、温度的分布以及海拔是选入RF中的自变量,说明这些变量对火灾风险的贡献度最大。同时随机森林算法在训练集和测试集上均预测效果较好,差别不大,说明其较为稳健。
  之后,通过对空间计量经济学模型进行分析,结果显示空间通用模型(SAC)的赤池信息准则(AIC)值最小,也即拟合效果最好。结果显示道路密度对火灾密度有正相关的关系,而温度、海拔以及距离消防站的距离这三个变量均与火灾密度呈负相关的关系。结果说明人类的活动对于火灾发生有着相当重要的作用,同时也对空间回归模型的贡献度相对较大。同时,SAC模型在训练集上均表现良好,但在测试集上均与训练集的预测效果相差较大。这说明空间通用模型更适合对火灾风险进行解释。
  总之,在模型的适用性方面,我们发现RF能够表现出更稳健的预测能力,鲁棒性较强。而对于空间计量经济学模型,它们则能够从特定数据集(训练集)中隐藏的空间分布规律和聚类特征入手,采用空间权重矩阵准确地刻画市域尺度下城市火灾发生的空间规律与影响较大的自变量,更适合于解释火灾的发生,但总体上要强于随机森林算法。同时,通过对最终得到的SAC与RF模型在整个数据集上进行预测,结果显示,SAC在总体上要优于RF。进一步通过对模型的残差进行分析和可视化,结果显示SAC比RF更能解释火灾发生的空间结构。
  2.城市尺度火灾发生的时间分布研究
  通过使用小波变换的方法对火灾与气象因素的时间序列进行分析,进而揭示时间序列中存在的潜在规律与变化共性,之后使用经典的自回归移动平均模型与MCMC对火灾频次的时间序列进行拟合,最终得到时间维上的城市火灾风险发展趋势。
  首先,通过小波变换来分析火灾频次的时间序列,结果显示存在四个特征时间尺度,分别为4,18,34,56个月,火灾频次的周期性波动在56个月(4-5年)这样的时间尺度上周期性最强,适合于在较大的年际尺度上进行火灾周期性的研究分析。可以从定性的结果中推测在2010-2011年火灾频次将呈现下降趋势,之后将继续上升。
  其次,气象因素的时间序列通过小波分析,发现不同的变量存在不同的特征时间尺度集合。它们均包含18个月的特征时间尺度,这说明气象因素也和火灾频次的时间序列拥有共同的平均变化周期为12个月。
  最后,通过使用经典的时间序列模型对火灾频次进行建模,通过比较,最终选用ARIMA(0,1,1)模型来进行建模。另一方面,我们选用MCMC模型来进行时间序列建模,结果显示日照时长的系数值最大,表示其对火灾发生的影响最大。同时,日照时长与相对湿度的系数值为正,表示与火灾发生的频次正相关;平均温度与降水量的系数值为负,表示与火灾发生的频次负相关。另外,去除气象变量后的MCMC模型与包含气象变量的MCMC模型进行了对比,结果表明加入气象因素的MCMC模型的拟合度更好,更能勾勒时间序列中的波动。
  3.城市尺度火灾发生的时空分布研究
  通过使用以最小二乘法(OLS)为基础的全局线性回归模型(LM)进行分析,对比了全局模型与局部模型在火灾风险预测方面的效果,最终可以得到火灾风险分布的时空模型。
  首先,我们使用空间交叉验证(SCV)对自变量进行选择。使用SCV进行线性回归训练的结果显示,道路密度与工厂企业的空间分布是火灾风险建模中最重要的变量,与火灾的发生密切相关,但是前者对于火灾风险正相关,而后者为负相关。
  之后,我们使用选择的自变量进行了地理加权回归(GWR)与时空加权回归(GTWR)两种局部拟合模型对火灾风险进行解释与预测。结果显示,拟合效果GTWR>GWR>LM。通过提取模型中的自变量的系数并进行可视化,结果显示,对于相同的自变量,其系数值与显著度水平在不同时间截面的相同位置处发生了一定程度的变化。
  最后,通过对不同区域显著变量的数目进行分析,结果显示参数的空间异质性分布规律主要集中在城市的非中心区,往往是一些人类局部活动性较为集中的次中心地带或者集镇、县城等地区。通过对三个模型产生的残差进行半异方差检测,结果显示GTWR对于火灾发生的空间结构的解释程度最强。同时,在模型的独立测试阶段,GTWR也显示出比GWR、OLS更为准确的预测能力。
  4.基于火灾发生时空动态模型的城市消防站选址规划模型
  首先,在前文工作的基础上,我们可以预测未来一段时间的火灾风险空间分布,进而建立改进的城市消防站选址规划模型。通过使用遗传算法进行选址模型的模拟仿真,结果显示使用基于匹配度与多重部分覆盖模型的选址模型更能体现出实际消防规划中的“等级对应”思想,也即不同等级的风险应和同等级的预防措施相对应。风险越高,消防站的出动时间应越小,救援路径应越短。因此,当目标函数为匹配度时,我们所建立的新模型与其他经典选址模型(P-中值,最大覆盖)相比,目标值最大且更加合理。
  另外,我们使用基于容量限制的路径寻优算法来模拟当发生并发火灾时,消防车对于火点进行扑救的路径选择问题。结果显示,基于容量限制的最短路径寻优算法CCRP可以解决消防车在基于城市道路网进行扑救时的最短路径选择问题。同时,这也可以模拟将空间节点上的人群进行群体疏散时来选择最短路径的情形。
[硕士论文] 耿建华
项目管理 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:在当前经济快速发展的形势下,电网建设的进度也在快速提升。随着电网建设的范围逐步扩大,电力输送的能力逐步增强,刺激了居民用电的增加,用电设备也迅速增多,电力事故发生的概率也在增加,随着企业和电网规模的扩张,事故没有明显减少,给社会经济和人民生活带来了损失。因此,如何能够推进电网安全风险防范工作,巩固电网安全运作基础,保障居民用电安全成为一项重要工作。
  防范电网安全风险,夯实电网建设基础,保证电网安全健康运行,建立完善的电网安全评价体系以及相应的预警方法,能够促进电网运转的安全性和经济性。随着社会的不断进步和环境恶化,仅通过传统的安全管理方法和多种安全技术措施的叠加,很难解决项目复杂系统中的安全问题。
  本文根据电网运行的特点,建立电网改造项目安全性评价指标体系,从多个方面对电网改造项目进行综合性的评价分析,通过安全性评价体系的建设,促进电网改造项目建设的顺利实施。以M市电网改造项目为研究对象,对其安全性进行实证分析。首先,对M市电网改造项目安全现状进行研究,分析电网改造项目安全性方面存在的电网线路负荷问题、设备运行问题、电力规范化操作方面的问题等其他问题。其次,分析影响电网改造项目安全性的主要因素,即人、设备、管理和环境,对这四个方面的原因进行综合分析。最后,建立安全评价指标体系。从输电网安全性、电网调度及二次系统安全性、电网电气一次设备安全性、电网供电安全性、电网应急管理安全性等方面建立指标体系,结合调查评价法、层次分析法等理论方法,对电网改造项目整体安全性进行综合评价。根据评价结果梳理出M市电网改造项目在安全性方面存在的问题,确定预警对策,提出对应的安全整改策略。
[硕士论文] 任星宇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:卤代烷抑制剂是一类有着广泛应用前景的哈龙替代灭火剂,但是,相关研究表明,一些卤代烷在贫燃条件下会产生促进燃烧的效果,造成燃烧温度和压力的异常升高。卤代烷抑制剂的灭火机理包括化学阻燃机理和物理阻燃机理,这两种机理的共同作用导致了促燃或阻燃的效果。实验中难以实现对物理化学作用的解耦,使用计算机数值模拟的方法,可以有效的将化学作用和物理作用进行分离,对卤代烷的异常促燃现象进行深入分析。
  本文对反应动力学机理进行改动,实现对全氟己酮(C6F12O)和五氟乙烷(C2HF5)化学反应活性的控制,通过人为开启或关闭相关反应,来区分这两种抑制剂对甲烷-空气层流火焰的物理和化学作用。研究表明,根据物理和化学作用之间的关系,可以将反应区域划分为协同效应区和非协同效应区。同时,数值模拟的结果也验证了C6F12O和C2HF5的燃料效应,在贫燃区域,这两种物质充当燃料,从而增加反应的化学当量比,导致层流火焰速度的增加;在当量比大于1.10(或1.20)时,这两种物质的添加导致富燃效应,从而在物理上和化学上均降低层流火焰速度。初始温度和压力的变化也会导致C6F12O和C2HF5化学效应的变化,温度的升高会导致化学促燃效应的降低,而压力的升高会大幅度增加其化学促燃效果。
  CF3I是一种可以媲美CF3Br的卤代烷阻燃剂,其优点在于对环境的影响小,不会破坏臭氧层。本文利用对冲火焰实验装置,测量了CF3I对甲烷-空气层流火焰速度的影响,获取了一系列详细的实验数据,并与模拟值进行了对比,实验值和模拟值吻合良好。和C6F12O和C2HF5不同,CF3I即使在贫燃条件下依然具有良好的阻燃效果,在当量比为0.6时,0.3%的CF3I添加就使得火焰速度降低为原来的52.4%。通过对CF3I的物理和化学效果进行分析发现,CF3I的化学效应在任何情况下均不会引起促燃效果,且随着当量比的增加呈现出先降低后增加的趋势。
[硕士论文] 张丽君
安全科学与工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:原油中的活性硫很容易腐蚀设备,腐蚀产物与空气接触发生氧化反应,进而引发火灾和爆炸事故,研究硫铁化合物低温氧化过程,具有重要意义。本文以铁锈模拟物为原材料研究硫铁化合物低温氧化过程,铁锈模拟物由 Fe2O3、Fe3O4和Fe(OH)3组成,质量分数分别为61.5%、27.8%和10.7%,硫化后生成不稳定的硫铁化合物,与空气接触后极易自燃。通过硫铁化合物样品的氧化升温曲线,研究不同干燥时间对氧化过程的影响,测定样品自燃点并研究含水率、粒度和通风条件对自燃点的影响;通过 S单质和硫酸根(SO42-)离子的含量变化研究固态S元素迁移过程,通过SO2气体浓度变化规律探究气态S元素迁移过程。主要研究内容如下:
  采用测温系统研究不同干燥时间对硫铁化合物样品氧化升温曲线的影响。结果表明:未干燥的样品1和干燥0.5 h的样品2温度明显升高,存在三个升温阶段,氧化速率较大,干燥1h的样品3和干燥2h的样品4没有明显升温趋势;样品1和样品2的最大升温速率分别为2.81℃/s和2.77℃/s,氧化倾向性分别为647.14℃2/s和870.36℃2/s,表明二者具有较高的氧化自热倾向性,样品3和样品4几乎没有氧化自热倾向性。
  干燥0.5 h的样品自燃点为77.2326℃,自燃点较低,表明样品自热倾向性较高;含水率为5%的样品自燃点最低,自燃危险性最大,含水率较高(10%)和较低(1%)的样品自燃点均较高,自燃危险性较小;样品粒度越小,自燃点越低,自燃危险性越大,反之,自燃危险性越小;打开通风橱后,空气流量增大,供氧条件得以改善,促进氧化反应进行,使硫铁化合物自燃点降低,样品自燃危险性更大。
  研究 S单质在氧化过程中含量变化。结果表明:第一升温阶段样品温度低于自燃点,发生不完全氧化反应,S单质质量迅速增加;第二升温阶段S单质的氧化反应和样品自燃进程相互促进,S单质质量比第一升温阶段少,比未氧化时多;第三升温阶段 S单质被氧化生成 SO2气体,质量迅速减少,甚至低于未氧化时的。
  研究硫酸根(SO42-)离子各阶段含量变化。结果表明:SO42-离子含量随氧化反应进行整体呈上升趋势,SO42-离子含量变化代表着样品中硫化铁被氧化的量,单位时间内硫酸根离子(SO42-)含量变化越大,样品氧化速率越大。
  运用ecom-D烟气分析仪研究SO2气体浓度变化规律及空气流量对气体浓度的影响。结果表明:空气流量为100ml/min时,样品温度没有达到自燃点,释放出极少量的SO2气体;空气流量为200ml/min时,样品温度超过自燃点,释放出大量的 SO2气体;在研究范围内,空气流量越大,开始释放出 SO2气体的时间越早,SO2气体的最大浓度值越大,在最大浓度值附近持续时间也越长;结合升温状况,SO2气体浓度变化可以表征硫铁化合物的氧化进程。
  结合实验结果,关于硫铁化合物自燃防治措施,可以采用控制温度、控制氧气浓度、控制水分、利用钝化法、添加缓蚀剂的预防措施;也可以采用设置SO2气体自动控制连锁装置,及时发出警报的治理措施。
[硕士论文] 郝劲
安全科学与工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:安全是人的基本需求之一。无论危险归属于何种类别,由何种因素激发,当危险被激活时,只有居于系统中心和支配地位的人才能主动采取规避或防御措施,排除危险或引导危险发展走向,从而达到阻止事故发生或降低事故损害的目的。从业人员安全可靠性是指在施工现场安全生产中,在规定条件下和规定时间内,从业人员正确认知规定任务和周围环境,输出有效行为,准确作用于规定部位,无差错地完成规定任务的能力。从业人员安全可靠性取决于人的感官能力、反应能力、认知能力、劳动能力、学习能力和心理等六个因素。
  采用问卷调查法,实地调查中小型建设工程生产的安全形势,统计事故发生的频次、从业人员的生物力学指标和组成结构等数据;通过灰色关联度分析法,计算各生物力学因素与生产安全事故的关联度;运用模型分析法和事故案例分析法,结合各生物力学因素与生产安全事故的关联度,计算各生物力学因素随年龄的变化趋势,发现从业人员老龄化对施工现场生产安全造成影响。
  根据分析结果,从主动防御的角度出发,提出相应对策,提高生物力学指标和从业人员安全可靠性,使从业人员在安全生产中发挥积极作用,以达到减少中小型建设工程生产安全事故、优化施工现场安全环境、改善社会生产安全形势的目的。
[硕士论文] 孟子龙
安全科学与工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:火灾烟气造成人员伤亡的主要原因是凝聚相产物烟颗粒(低能见度),及以CO为代表的有毒气相燃烧产物。水幕防火分隔系统,能分隔烟气抑制其蔓延,引入细水雾技术发挥其优势,可以提高水幕的适用性。现有细水雾喷头主要针对灭火,作为防烟分区使用的水雾幕喷头,其首要功能是挡烟。普通细水雾喷头,喷头间形成的锥形包络面之间存在空隙较大,烟气将通过通道,发展新型细水雾幕挡烟技术具有重要的理论意义及工程应用价值。
  本文通过全尺寸实验和数值模拟相结合的方法,研究了细水雾幕的挡烟性能。首先,分析细水雾幕的优化途径,设计加工出喷头,不同结构喷头雾场分布不同,优化后的喷头,压力增大,喷头雾化锥角增大。在喷头正下方2.2m处压力越大,雾通量越大;集水盘不同位置雾通量分布不同,正面雾通量增大幅度大于侧面。
  其次,运用FDS模拟软件对细水雾幕优化效果进行验证。增加侧向喷头细水雾幕加剧挡烟侧空气环流,压力增大环流效果增强。优化后对下游降温的速率快,降温幅度大,温度达到稳定后波动性小,对烟气的分层运动有利。优化后水雾幕对保护侧外造成的水蒸气向下游蔓延的量小于普通水雾幕。在长通道内优化前后细水雾幕同样无法隔断CO蔓延,优化后水雾幕阻挡CO效果优于普通细水雾幕。不同压力、粒径挡烟效果不同,在工程应用中应考虑压力及粒径等工况对挡烟效果的影响。
  最后通过实验发现烟气可以通过普通细水雾幕间隙向走廊下游扩散,优化后喷头形成连续、实密水幕,提高了下游能见度。水雾幕压力增加对烟颗粒的屏障作用大于其对烟气的洗刷作用。流量相同时,优化后细水雾幕对顶棚保护范围更大,在起火段能使热量集聚,降温幅度比优化前大,随着压力、孔径的增大这种优势更为明显。火源功率越大,CO穿透性越强,水幕能够有效地减小CO向下游扩散,但不能完全阻止隔断CO扩散;流量相同时,优化后水雾幕对CO的阻挡效果比优化前明显,普通水雾幕作用下走廊下游5m处CO不再分层分布,优化后CO仍呈现一定的分层。
[博士论文] 何豪
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会发展和时代进步,人们生活逐渐电气化和智能化。电子电气设备的广泛应用,带来电气火灾事故频繁发生,严重威胁着人们的生命财产安全,受到社会的普遍关注。导线是电气火灾最主要的起火源之一,其中聚乙烯导线因其无卤低烟特性,被广泛应用于人员较集中的场所。开展针对聚乙烯导线防火安全研究具有重要的现实意义。
  导线在通电情况下,由于线芯焦耳热效应,自身持续发热,对紧密包裹的绝缘层起到加热作用。在有火蔓延时,导线下方出现熔融可燃物积聚,并且随火焰传播而发生流动,体积逐渐增大,当积累量超出其表面张力所能维持的最大极限时,就会发生滴落。滴落可以有效扩大燃烧范围,造成火势的迅速发展以及十分严重的后果。本文旨在研究通电聚乙烯导线火蔓延伴随的熔融滴落行为,通过理论分析与实验研究相结合的方法,揭示其产生机理、形成及演变过程、临界条件等,从而深刻认识导线火灾发生发展的过程及规律,为导线火灾的有效防治提供理论依据和数据支撑。
  首先,根据导线燃烧特点,从燃烧学、火灾学、传热传质学等基础理论出发,建立相关理论模型,考察通电导线的温升情况以及达到稳态时的导线平衡温度;从燃烧的质量传递数出发,理论计算出通电导线火蔓延过程中绝缘层的质量燃烧速率;结合导线火蔓延过程,计算得到熔融绝缘物的积累速率;从液滴表面张力出发,推导出发生滴落时的液滴体积,进而得到导线滴落频率的理论表达式。
  其次,选取相同绝缘层厚度、不同线芯直径的铜芯聚乙烯导线作为实验材料,开展常压和低压环境下通电导线火蔓延伴随熔融滴落行为的实验研究。结果表明:熔融滴落的发生,是一种量变引发质变的过程。量变指的是电流增大带来熔融物积累速率加快,质变指的是液滴的形成。较大电流作用下,焦耳热效应使得热塑性绝缘材料处于轻度的热解状态,在火焰辐射作用下绝缘层可很快发生熔融及热解,从而加快了绝缘层的质量损失速率。而绝缘层损失的质量,一部分用于燃烧,一部分形成熔融物。随电流增大,熔融物燃烧速率的有限增幅比不上积累速率的增加,从而导致积累量持续增多。当积累量超出液滴表面张力所能承受的极限,滴落就成为一种必然发生的现象。
  对熔融液滴下落及燃烧过程进行分析,结果表明熔融液滴在下落过程中可以维持一个相对稳定的火焰状态。火焰呈细长的尖锥形,在经过一段距离的下落后,液滴仍然具有较高的温度,具备维持燃烧、甚至点燃其它可燃物的能力。分析液滴下落距离,得到液滴下落过程中的速度及加速度。滴落的发生呈现周期性,结合实验结果,得到不同电流下导线的滴落时间和滴落频率,并且与理论计算结果进行比较。对于线芯横截面较小的导线,其滴落频率与电流的平方呈线性正相关,而且滴落时间随导线平衡温度升高而呈指数递减。此外,滴落对导线火蔓延造成较为明显的影响作用,主要表现为火焰高度在滴落前后发生剧烈跳变,由最大值急速减小到最小值,此后随着熔融物的再次积累增多,火焰高度又重新开始缓慢增长,进入下一个滴落周期。而火焰宽度仅在滴落前后的短暂时间内发生轻微振荡,火蔓延速率几乎不受影响。
  最后,通过开展低压导线燃烧相关实验研究,分析得出火焰辐射减弱带来熔融物热解速率减小是造成低压下滴落速率加快的重要原因。低压下滴落的频繁发生,带来大量的热耗散,造成火焰短时消失、甚至完全熄灭的后果。而且,随着压力的降低,触发滴落所需的电流值减小,滴落更加容易发生。但是这种变化是非线性的,在1.0-0.8atm的阶段,临界滴落电流的变化较小,而在低于0.8atm的阶段,临界滴落电流迅速降低。此外,导线熔融滴落频率随环境压力的降低而增大,尤其是在较大的通电电流作用下,滴落频率随压力降低由线性增长逐渐发展为抛物线性增长。低压下导线熔融滴落与自身平衡温度具有更强的相关性。在较低的环境压力下,不论导线线径大小,其火蔓延时的导线温度越高,熔融物积累直至滴落所需要的时间就越短,滴落频率也越大。
[博士论文] 吴志博
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:燃烧是受流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程。燃烧过程会不同程度地受到外部环境条件的影响,尤其是外部环境压力和氧气浓度,对燃烧的影响极大。而在我国广阔的高原地区,特别是中印边界,其较高的海拔高度造成了低压、低氧(主要指氧气密度)、低温的独特环境条件。这种环境条件的差异将会导致燃料在这些地区独特的着火和燃烧特性。研究发现,随着海拔高度的增加,不断降低的环境压力会使燃料的火灾危险性显著提高,同时在燃烧时发生严重的燃烧衰减现象。一个典型实例是高原燃烧炉在实际应用过程中会出现诸如点火难、燃烧效率低、燃烧不充分、炭烟生成量高、燃烧不稳定等诸多问题。这些问题严重制约着高原能源利用效率,在军事和民用的众多方面造成了严重的资源浪费和技术难题。因此,研究高海拔低压低氧环境条件下燃料的着火和燃烧特性,不仅事关高原地区的火灾安全防控,而且对提高高原地区的能源利用效率具有重要意义。
  本文以高原常用的-35#柴油(多组分复杂燃料的代表)为研究对象,依托青藏高原天然的海拔高度差,优选包括合肥在内的6个不同海拔高度的地区(合肥(50m)、西宁(2270 m)、格尔木(2830m)、拉萨(3650m)、羊八井(4300m)、沱沱河(4780m))开展实地的着火和燃烧实验,采用实地实验、数值模拟及理论分析等研究手段,将燃料基础着火及燃烧特性研究,燃料的高原燃烧强化研究与燃烧器优化设计有机结合。具体内容概括如下:
  研究主要分别两部分:第一部分为燃料高原着火特性研究;第二部分是燃料的高原燃烧特性及燃烧强化研究。
  着火特性的研究方面分为两步,首先关注液态燃料的闪点随海拔高度(压力)的变化规律及其预测模型的建立。利用全自动闭口闪点测定仪,通过实地实验,揭示了液体燃料的闪点随海拔高度升高而呈现非线性降低的变化规律。进而以Clausius-Clapeyron方程和Le Chatelier's flammability rule为基础,建立了两种闪点预测模型,这两种模型能够准确预测单一组分燃料和复杂多组分燃料在不同海拔高度的闪点值。之后,我们利用FDS6.0对燃料的气相着火过程进行数值模拟研究,通过对PMMA热解着火过程中的对流热损失、气体扩散系数、热解气层厚度以及热解气层浓度梯度等通过实验难以测量的参数的研究,深入探究压力对燃料着火过程的影响机制。
  燃烧特性及燃烧强化方面,主要探究高海拔低压低氧环境对燃料燃烧的削弱作用,同时提出两种可能的燃烧强化方法:一是通过火旋风改变燃烧炉的燃烧形式的方法来进行燃烧强化。通过对比火旋风和池火的燃烧特性,如燃烧速率、热释放速率、燃烧效率以及火焰温度等,对火旋风的燃烧强化的效果进行量化。二是通过使用过氧化物添加剂改变燃料特性的方法进行燃料的着火和燃烧强化。通过对比实验研究添加剂含量对着火和燃烧强化效果的影响,并对其着火和燃烧强化效果进行量化。获得的实验数据为新型火旋风高原燃烧炉的设计和制造提供理论依据。
  最终,在燃料高原着火特性和燃烧特性的实验和理论研究基础上,结合高原燃烧强化方法的研究,设计新型火旋风高原燃烧器,通过实地测试和改进,针对性的解决现有高原炊事燃烧器实际应用中出现的点燃难、燃烧效率低、能源利用率低、炭烟生成量高、燃烧不稳定、设备故障率高等问题。
[硕士论文] 王然
工商管理 广西师范大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国经济社会的发展,如何保持企业永续经营成为一个重要课题,而企业的管理,则包含了建立、运营、安全等各个方面,一个企业如果想基业长青就必须做好各方面的工作,往往我们看到,一个效益较好的企业,因为一个安全生产事故和衍生出来的后续善后问题,直接导致其破产的悲剧。在这种情况下,安全生产问题已经摆在一票否决的重要位置,不再是独立于经营和管理的话题,而是企业管理中绕不过去的管理问题。
  L钢铁公司是国内大型钢铁生产企业,产品和销量在国内钢铁行业处于领先地位。在安全管理上,L钢铁公司以“主管负责、条线管理、全员参与”的思路,按照“谁主管、谁负责”的责任体系系统化、规范化推进安全生产责任“五落实、五到位”,不断提升生产现场本质安全,强化专业服务督查,做好高风险作业管控,强化安全培训,组织员工进行安全承诺,以提升职业健康安全管理体系运行控制水平为重点,每季度进行全要素EHS审核,在推进安全生产自主管理的能力等方面做了大量的工作。但是近几年,L钢铁公司事故频发,给企业、职工都造成较大的负面影响。
  本文通过以L钢铁公司为案例,分析L钢铁公司安全生产现状,综合运用预防机制、预防原理和相关理论,研究往期事故的发生过程和原因,以企业日常事故隐患排查为基础,发现L钢铁公司近年来事故频发的主要原因包含以下几个方面:1、职工的安全教育缺失,违反安全操作规程。员工及管理人员安全管理和技能的培训针对性和有效性不够,员工违章还未有效控制;2、外协管理薄弱。外协人员存在“一体化”管理落实不到位,外协单位自身管理薄弱,人员流动性大,安全意识和劳动技能差;3、应急管理滞后。具体班组操作层面的应急管理较为缺失,演练流于形式,方案设计过于理想化,救援队伍建设严重滞后,不能满足紧急状态下的应急使用要求;4、安全人员配备不足。安全管理还没有做到全过程受控;5、企业内部的安全责任考核不到位。普遍存在重效益轻管理、重生产轻安全的现象,没有发挥考核的导向作用。
  针对以上问题,本文从以下几个方面入手,构建L钢铁公司安全生产预防机制:1、构建L钢铁公司的预防系统建设。包括:企业隐患排查治理体系、EHS体系运行和危险作业管控程序。通过“互联网+企业安全生产隐患排查”,及时发现安全管理的薄弱环节,做到事前预防;2、构建L钢铁公司的外协控制系统。强化外协“一体化”管理,逐步建立战略合格供应商机制,严把准入门槛,实行工亡事故的外协单位一票否决;同时加强与外协单位的合同管理,切实提高违约违规成本;3、构建L钢铁公司的应急救援系统。完善应急联动机制,编制完善企业预案,开展多种形式的预案演练,加强应急平台和资源数据库建设,加大物资储备和应急专项投入;4、构建L钢铁公司的效果评估系统,开展各类检查督查和年度安全绩效评价百分制考核,开展其他考核和奖励。
  同时,从五个方面阐述如何保障L钢铁公司安全生产预防机制有效实施:即“全面提升员工安全素养”、“完善新型管理技术体系”、“提升生产异常情况处置和非生产作业管控能力”、“提高重视,改变观念”和“加强消防交通安全管理”。
  通过研究可以发现,L钢铁公司通过建立安全生产预防机制,能够达到事故率下降、隐患整改率上升的目的;能够满足国家安监总局安全生产标准化一级达标企业验收标准;能够改善企业形象,提升管理水平,成为本市安全生产先进单位典型并推广先进经验。L钢铁公司建立的安全生产预防机制,对本公司是适用的,是实用性较强的、合理的、完整的管理标准,能够有效地改善L钢铁公司的安全管理水平,保障安全生产目标的实现。
[硕士论文] 何选泽
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高原和航天飞行器等低压环境中的火灾安全受到越来越多学者的关注,低压固体火蔓延是火灾安全中的重要基础课题,火蔓延决定了火灾初始速率和火灾规模,研究低压环境下固体火蔓延特性,对于低压环境的火灾防控有重要的指导意义。通过对研究现状进行总结,发现低压下近熄灭极限区的火蔓延研究较为缺乏,低压下火蔓延近熄灭极限区向幂指数区转捩机理更亟待进一步研究。
  本文选用热薄纸张作为研究对象,自主设计并搭建了低压实验舱和火蔓延实验系统,通过有规律的改变环境压力和氧气浓度,开展了一系列的低压水平火蔓延实验研究。通过火蔓延特征参数(火蔓延速度、火焰图像、火焰辐射和火焰温度)的实验测量,结合燃烧学和传热学对实验现象进行了深入的理论分析。
  首先实验研究了压力和氧气浓度耦合的火蔓延熄灭极限,发现极限氧气浓度下的火蔓延速度,火焰宽度和火焰厚度变化规律一致,均随着压力的升高而逐渐降低,但在30 kPa时均出现了突然增大的现象。
  其次研究了压力和氧气浓度单一变量下的火蔓延规律,发现压力25 kPa时,火蔓延速度开始线性增长,火焰图像的内部蓝色火焰逐渐变黄,火焰亮度增大,形状也由椭圆形逐渐变成三角形,火焰辐射也突然增大。
  最后结合实验结果与文献数据,研究了低压火蔓延近熄灭极限区转捩幂指数区机理,通过深入分析热边界层厚度和热反馈能量,提出25 kPa为火蔓延近熄灭极限区与幂指数区分界压力,揭示了火蔓延分区转捩机理,并建立了纸火蔓延在压力和氧气浓度耦合作用下的全局模型。
[硕士论文] 薛岩
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:导线的绝缘层往往是聚合物材料,着火后容易发生持续的火蔓延现象。导线的火蔓延过程中间伴随着绝缘层的熔融滴落现象,这是一个复杂、多相、物理与化学反应的过程,并且给航空航天飞行带来了非常大的火灾安全隐患。此外,由于航空航天器自身环境特殊性,飞机所处的环境压力大约为80千帕,而空间站所处的又是微重力环境,氧浓度一般控制在30%左右,与地面环境有很大的不同。如果仅仅依靠地面常规的实验来判断导线火蔓延的危险性,往往不能准确预测航空航天器实际应用中的环境情况。因此,在地面环境下,建立适宜的实验设备模拟低压条件和高氧浓度空间,意义显得非常重要。
  本文在总结调研前人对导线火蔓延研究的基础上,选取镍铬合金线芯聚乙烯绝缘层(NiCr-PE)导线,铜芯聚乙烯绝缘层(Cu-PE)导线和镍铬合金乙烯四氟乙烯绝缘层(NiCr-ETFE)导线为研究对象,自主设计了低压实验舱设备和导线火蔓延实验平台,研究了不同压力,不同氧浓度下三种导线的火蔓延速度和火焰形态特点,重点分析了NiCr-PE导线与Cu-PE导线熔融的熔融滴落过程,揭示了导线火蔓延过程中熔融滴落现象的机制。
  在理论研究方面,本文参照液滴蒸发燃烧模型,分析了PE导线熔融滴落的物理过程和传热传质特点,建立了熔融滴落的质量守恒方程,得出了液滴直径(D(t))的增长公式。通过对熔融液滴的受力分析,得出了熔融液滴的理论滴落周期(t0)和临界滴落直径(Dcr)值。
  在实验研究方面,首先根据不同压力下的PE实验结果,验证了理论t0与Dcr的正确性。然后对比分析了NiCr-PE导线与Cu-PE导线的火蔓延速度随氧浓度和压力的变化关系的区别,定义了PE导线熔融滴落上限和滴落下限的概念,得出了不同氧浓度下,两种导线滴落上限和滴落下限的变化规律。最后分析NiCr-PE导线与NiCr-ETFE导线的实验结果,对比了两种绝缘层材料对火蔓延速度与火焰形态的影响。
[硕士论文] 陶奇
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:森林地表火蔓延是森林火灾最主要的形式。本文主要研究点火源引燃条件下坡度和燃料载荷对火蔓延过程的影响。在变坡度火蔓延实验台上,用刨花丝为燃料,分别开展变化7个坡度角和3种燃料载荷的点火源引燃火蔓延实验研究。重点分析火焰几何参数(火线夹角,火焰倾斜角,火焰长度)、火线形状、全局火蔓延速率、局部火蔓延速率以及火前锋阻滞时间的变化规律。
  上坡火线夹角、火焰倾斜角随坡度角的增大而减小,火焰长度随坡度角的增大而增大。平坡条件下,火线呈规则的圆形,阻滞时间高于上坡火前锋的阻滞时间。坡度条件下,火线形状会呈泪滴状,当坡度角低于20°时,上坡火蔓延速率随坡度角缓慢增大;当坡度角高于20°时,上坡火蔓延速率随坡度角迅速增大。上坡火蔓延表现出整体稳定和局部波动的特征。自引燃点向下、左、右的火蔓延速率随坡度角的增大震荡变化。
  上坡火焰长度随着载荷的增大而增大,引燃点位置向上、下、左、右的火蔓延速率均随载荷的增大而增大。高坡度条件下(22.5~30°)上坡火蔓延速率随着载荷增大的速率,高于低坡度条件(0~20°)。除平坡外,任意坡度下4个方向上的火前锋平均阻滞时间均随载荷的增大而增大。
  上坡火蔓延过程中,随坡度角增加,火焰长度增长且火焰倾斜角增大,火焰对燃料的辐射传热增强,引发了火蔓延速率的增大。
[硕士论文] 崔杰
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:汽车作为代步工具慢慢进入我们的平日出行,提供便捷的同时也带来一系列安全问题。汽车油品是一类热值高、危险性强的材料,是车辆火灾主要危险源之一。汽车在运行过程中发动机舱积聚着大量热量,各类油品暴露于热辐射下,且行车过程中由于颠簸、碰撞导致的燃油泄漏、滴落而引发的火灾举不胜数。因此,研究汽车油品在外部辐射条件下的燃烧特性和火灾危险性对汽车油池火蔓延的预防和控制,降低火灾危害程度具有重要意义。
  目前国内外关于汽车油品在外部辐射条件下的研究较少,本文在对汽车油品火灾现状调研的基础上总结出油品燃烧的原因主要有两个,一个是外部火源引燃,即油品遇到电火花或其他火源引起火灾;另一个是油品自燃,即油品在车内热辐射条件下自身发生物理化学反应达到自燃点引发火灾。本文在辐射条件下对两种情况都进行了研究,所选取的油品样品均为目前市场上通用的油品,由江淮汽车提供。
  本文在锥形量热仪上对汽车上典型非动力油即变速器油(ATF和CVTF)、防冻液(JHOA)和润滑油(PAG)在不同辐射条件下的燃烧危险性进行研究,测得点燃时间、热释放速率、放热总量等一系列参数来表征其着火危险性。可以发现ATF和CVTF-EXI着火时燃烧时间较长,而JHOA和PAG着火时火势增长较快。基于实验结果,从火灾增长指数、火灾性能指数、热危险性评价等多方面分析讨论了四种油品的火灾危险性。综合考虑可得ATF危险性高于CVTF,JHOA危险性最低。同时研究了变速器油ATF和CVTF在外部辐射强度下的自燃情况,通过对点燃时间和辐射强度的拟合得到了ATF和CVTF的临界辐射强度,并同电火花点燃进行了对比,由于点燃主要为热解控制,而自燃属于热解同自身反应等共同控制的,故自燃所需临界辐射强度高于电火花点燃所需辐射强度。利用Petrella评价体系对油品自燃和点燃时的危险性进行判定,发现相同辐射强度下明火引燃时油品危险性远大于自燃危险。最后在自制测试台上分析了不同辐射强度下油池稳定燃烧阶段燃烧速率和火焰高度的变化特征,通过理论分析,得到了无量纲火焰高度同外部辐射强度成2/3的幂指数关系。根据实验数据,确定模型中所需参量,得到不同外部辐射强度下火焰高度的预测公式。
  本文的实验数据可丰富汽车可燃材料燃烧特性参数数据库,也可为汽车火蔓延的数值模拟提供基础数据。
[硕士论文] 刘义
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:船舶火灾是船舶海难事故中危害性较大的一种事故,是船舶安全研究的重大课题。船舶火灾可发生在机舱、货舱、客舱和甲板等含可燃物的位置,其中机舱、货舱和客舱属于封闭腔室火灾,火灾烟气的危险性较大,疏散困难。而机舱内的可燃物的危险性远大于货舱和客舱,是船舶火灾的最常见也是研究最多的火灾模式。由于机舱火灾的复杂性和特殊性,研究者们对机舱火灾发展过程认识不足,机舱火灾烟气控制技术发展缓慢。因此对船舶机舱内火灾烟气运动和控制技术进行研究具有重要意义。
  本论文在22m(长)×12m(宽)×14m(高)的实验舱内开展了烟气自然填充实验和烟气控制实验,烟气自然填充实验研究不同火灾规模和不同火源位置的烟气运动规律,机械排烟控制实验研究了送风口位置、排烟风机启动时间以及排烟风机排烟量大小对烟气控制效果的影响。本论文测量的参数有燃料的质量损失速率、舱室内烟气温度以及舱室内烟气的沉降时间,得出以下几点结论:
  通过分析不同火灾规模、不同火源位置的对烟气沉降和舱室烟气温度的影响,发现舱室内烟气温度随着火源功率的增大而增大,烟气沉降速率随着火源功率的增大而加快,当火源功率较小时,顶棚温度较低,喷淋的喷头无法启动。当火源被移至墙边时舱室内的温度和烟气沉降的速率都降低;火源被抬升4m后,顶棚温度较高,消防喷头能启动,烟气的卷吸高度降低,烟气产生减少,烟气沉降速率变慢,烟气稳定在8m高度,火源抬升后对地面的工作人员疏散有利。实验舱室内设置有不同尺寸的填充物,发展了有填充物舱室的烟气沉降时间的预测模型,与前人推导的烟气沉降模型对比,发现本文推导的模型能更准确的预测烟气沉降的时间。
  通过分析送风口位置、风机启动时间和排烟量对烟气控制的影响,发现送风口在1.5m高度时烟气控制效果较差,送风促进燃料燃烧,加速烟气的沉降;送风口在5m高度时,火焰发生倾斜,送风对燃烧有冷却作用,控烟效果较好;送风口在9.5m高度时,对烟气层有冷却效果。对比点火后立即开启风机和点火90s之后开启风机,风机立即开启,烟气沉降较慢,火灾发生后,应尽早开启风机。通过对排烟量的大小对控烟效果的分析,可知排烟效果并不是一直随着风量的增加而变好,当排烟量从34.57m3/s增至47.11m3/s,温度降低的幅度不大,部分测点温度没有变化,烟气沉降的变化也不大,最佳排烟量是34.57m3/s。
[硕士论文] 王娟
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国城市人口和机动车数量快速增长,很多城市道路交通出现拥堵状况。特别是对于山体城市重庆,地势起伏大,平地少、山路多,在交通枢纽地段,商业建筑用地往往会和道路改建策略发生冲突,此种情况下,设计者大胆创新提出道路下穿商业建筑的方案。本文研究的十字平交通道是主、辅通道在中间位置十字相交的一种较为少见的新型城市道路形式,通道上方是大型商业综合体建筑,两侧有商业店铺,通道内车流量和人流量十分繁杂,火灾隐患多且复杂难控制,一旦发生火灾,人员往往需借助十字平交通道进行疏散,因此需设置必要的通风排烟设施来提高其消防安全性。
  笔者通过调研,发现十字平交通道缺乏规范定性,目前类似工程案例在通风排烟设置方面没有统一的标准做法,前人研究成果也缺乏对十字平交通道内通风排烟模式的研究,需采用一定的研究方法进行论证。
  本文采用数值模拟软件FDS着手研究主通道内发生不同火灾规模火灾时,辅通道三种通风排烟模式的烟控效果,综合考虑不同火灾规模、火源位置、射流风机位置、射流形式、射流风速等的影响作用。模拟结果表明:
  (1)辅通道单侧射流、两侧同向射流和两侧相向射流作用均存在最小临界风速。火灾规模为0~30MW,最小临界风速值随火灾规模变化关系为:Y=Y0+bX,其中b的大小取决于风机射流形式。
  (2)两侧风机相向射流对应最小临界风速最大,烟层结构破坏严重,火场温降效果最差;单侧风机射流和两侧风机同向射流对应的最小临界风速值较小且差别不大,结合工程实际情况,考虑单侧风机射流模式为较合理优化的方式。
  (3)辅通道单侧风机射流所用下,主通道发生5~100MW火灾时,辅通道最小临界风速Y随火灾规模X呈指数增长关系Y=Y0+A*exp(R0*X),当火灾规模增大到90MW时,辅通道对应最小临界风速值趋于定值。针对市区道路常见火灾规模,辅通道射流风速一定时,主通道最大可控火灾规模Y与火源坐标位置X呈线性关系式Y=Y0+bX。
  本文对十字平交通道内烟气运动和机械通风排烟方面的研究成果可以为类似工程案例的通风排烟设计提供参考。
[硕士论文] 周巍
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:轧制加工是当今钢铁工业以及有色金属制品工业的主干工程,热轧机车间中生产工艺布局复杂,用电设备众多,大量使用可燃液体以及动力电缆,一旦发生火灾,危险性很高,造成极大的经济财产损失,生产企业常选用防火布来保护生产设备设施的消防安全。
  本文通过锥形量热仪实验和实体火灾实验研究了热轧机车间动力电缆的被动防火系统具体应用方案。
  1、锥形量热仪实验
  本文选取五种常用的防火布石棉纤维防火布、陶瓷纤维防火布、硅胶防火布、涂胶防火布、碳素纤维防火布,通过锥形量热实验研究不同辐射强度对防火布燃烧性能的影响。结果表明:所选五种样品在受热辐射作用时均可被点燃,点燃时间的均方根倒数与辐射强度之间呈现线性关系;在35 kW/m2辐射强度工况下,碳素纤维防火布的热释放速率最大,达到272.59 kW/m2,有效燃烧热的峰值也最大,达到529.52 kJ/g;综合比较各样品的燃烧性能,防火能力强弱顺序为硅胶防火布>石棉纤维防火布>陶瓷纤维防火布>碳素纤维防火布>涂胶防火布。
  2、实体火灾实验
  通过实体火灾实验分析研究了热轧机车间不同类型防火布对动力电缆包裹的具体应用方式:
  通过预实验,对比了庚烷池火和液压油池火在6mm石棉纤维防火布包裹状态,庚烷的火焰温度高于液压油火焰温度,但是防火布内层温度比较一致,实验时间5min内,对电缆的保护效果比较一致,温升情况也比较接近。6mm厚度防火布在300s内能够实现包裹和保护电缆的作用,同种包裹厚度下,三种耐高温防火布中,石棉纤维和陶瓷纤维防火布包裹性能较优,两种防水防护布材料中,硅胶防火布包裹性能较优。
  通过正式实验,五种防火布的包裹顺序为陶瓷纤维防火布>石棉纤维防火布>硅胶防火布>碳素纤维防火布>涂胶防火布。选取石棉纤维防火布和陶瓷纤维防火布与硅胶防火布组合包裹发现,外层不刷油时,硅胶防火布(内层)+陶瓷纤维(外层)包裹性能最优;外层刷油时,石棉纤维防火布(内层)+硅胶防火布(外层)包裹性能最优。
  通过本文的研究,在实际生产应用中,硅胶防火布、石棉纤维防火布、陶瓷纤维防火布的防火能力较强,在机器漏油情况少的车间,选取硅胶防火布(内层)+陶瓷纤维防火布(外层)包裹性能最优,在机器漏油较多的车间,石棉纤维防火布(内层)+硅胶防火布(外层)包裹性能最优。本文研究能够为同类型生产企业设置被动防火系统时提供指导和借鉴。
[博士论文] 刘家豪
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:由于环境压力对燃烧过程中的物理和化学反应有着显著的影响,低压下的火灾现象在最近引起了越来越多的关注。我国拥有四大高原,覆盖了大约1/3的国土,特别是青藏高原,其平均海拔高度超过4500 m,并且拥有数量众多的古建筑。高原上的低压环境导致了不一样的火灾特点,因此,也需要更加实用的理论支撑来发展相应的防火和灭火技术。此外,全球蓬勃发展的航空业也为识别和抑制航空运输中潜在的火灾危险性提出了新的挑战,因为货物在运输过程中通常都处于低气压环境。同时,在高高原地区(海拔大于2438 m)也相继建设了一批机场,其中我国就有超过12个高高原机场,这些场所内航空燃油的火灾危险性也需要进一步关注。明确了压力不同导致的燃烧行为的不同,将会对高原和航空环境下的防火提供有效的指导。
  在研究低压对火灾行为的影响中,最常用的两种模拟低压环境的方法就是高原实地或者是采用压力可控的低压实验舱。为了研究低压舱能否真实地模拟高原环境以及低压实验舱的应用范围,本文分别采用了这两种实验方法,开展了不同油盆尺寸的正庚烷池火,对比分析了两者在燃烧强度、火焰形态以及轴向羽流分布等参数上的区别。结果发现:仅对于直径6~12 cm的池火,低压舱实验可以较好地模拟准稳态阶段的燃烧强度;所有工况条件下,火焰形态均存在差异,低压舱实验的火焰细长度较高;在考虑压力影响的情况下,准稳态阶段的轴向温度分布与经典的火羽流理论符合较好,而对14 cm的池火,实地实验和低压舱实验的羽流温度表现出明显的差异。
  基于上述的结论,在低压舱内开展了直径6~10 cm的正庚烷池火实验,实验在四种静态压力下进行,分别为101、80、60、40 kPa。质量燃烧强度主要由对燃料的热传导、对流和辐射热反馈决定,分析表明,对流项是燃料汽化的主要热源。当油盆直径为6 cm时,建立了新的理论模型解释燃烧强度与环境压力的依赖关系。视频记录显示,火焰高度随压力下降而上升,无量纲分析结果与实验现象相符。为了进一步验证压力模型和辐射模型在低压下的适用性,在高原实地开展了一系列较大尺寸的池火实验,实验采用三种不同碳烟水平的燃料,包括乙醇、正庚烷和航煤,每组实验均记录了质量损失、辐射温度分布和辐射热流三个参数。从对实验数据的分析看出,无量纲燃烧强度(m)"μ/D与Gr数存在指数关系,且指数因子随着燃料碳烟水平的上升而上升。关系式△T~[z(P/Q)2/5]η可用于拟合轴向羽流温升,修正的分界线0.42和1.06可以很好地划分三种燃料池火的火焰区、间歇区和羽流区。此外,随着燃料发烟水平的下降,其火焰温度呈上升趋势,而辐射热流值则相应下降。不同燃料的辐射热流均正比于LmT5f,并且在低压条件下碳烟体积分数随着燃料发烟水平的下降而下降。
  为了研究火焰触及顶棚情况下不同顶棚高度对池火燃烧行为的影响,利用缩小尺寸的锥形量热仪在顶棚高度Hef/D=0.43~2.5下开展了一系列正庚烷池火实验,定量分析了燃烧强度、燃烧产物浓度及燃烧效率等典型参数。研究结果表明,随着顶棚高度的持续下降,燃烧强度首先在Hef/D=1.38上升到最大值,然后下降,呈现出抛物线变化趋势。燃烧产物CO和CO2的最大浓度表现出与燃烧强度相似的变化规律,然而CO总产生量随着顶棚高度的下降单调上升。另外,碳转化率与燃烧效率求得的结果相类似,它们均呈抛物线变化规律。除此之外,还在高原地区开展了一系列不同油盆尺寸、不同燃料的池火实验,实验在水平非受限顶棚下方开展,研究顶棚下方的最大温升,实验结果表明,高原上顶棚下方最大烟气温升比Alpert模型的预测值要高很多。考虑到环境压力和卷吸系数的影响,基于理想羽流模型,提出了预测不同环境压力下顶棚最大温升的理论模型,且在采用此模型时,可以很好地统一常压和低压下的实验结果。
[博士论文] 曹淑超
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着经济社会的快速发展,各种结构复杂的建筑设施大量涌现,同时伴随着行人出行频率的增加和大型公共活动的增多,在一些公共场所如学校、体育馆、地铁站、火车站等经常出现大规模人群的聚集。在高密度人群环境中,个体运动严重受阻,容易引发拥挤踩踏。当前针对行人疏散的研究绝大多数都集中在行人视野正常、外界能见度良好的情况下,然而当火灾发生时产生的烟尘或其它原因造成电力照明系统崩溃会导致外界能见度下降,此时行人的视野会受到不同程度的影响。所以本文采用实验和模型相结合的方法,对视野受限下行人微观运动和疏散过程进行了研究。
  为获取行人在视野受限条件下运动的基础数据,我们首先开展了基本的单列行人运动实验。后期基于实验视频和轨迹分析,发现行人在视野受限情况下倾向于寻找边界和跟随前方行人运动;随着人员密度的增加,行人轨迹的侧向摆幅增大;随着能见度的降低,高密度下走停现象开始占据交通主导,并逐渐向中等密度延伸;前向距离与运动速度关系可以分为运动受限和自由运动两个阶段:在运动受限阶段,前向距离与运动速度之间的相关性随着视野受限程度的加重而越来越弱;而在自由运动阶段,不同透光率下行人的自由运动速度都符合高斯分布(vLT=0.3%~N(1.31,0.072),vLT=0.1%~N(0.71,0.092)和vLT=0.0%~N(0.45,0.102));视野受限条件下密度与流量关系大致可以分为三个阶段:自由流阶段、最大流阶段和拥挤流阶段。透光率0.3%、0.1%和0.0%下的最大流量分别为1.3s-1、1.1s-1和0.9s-1左右。
  为研究视野受限情况下行人的疏散过程,我们分别针对视野部分受限和完全受限两种情况开展了疏散实验和模型模拟。在部分受限的超市疏散实验中,观察到行人的一些典型行为包括跟随行为、帮助行为和寻找依附物行为。随后又设计了调查问卷进一步对受限视野下的行人疏散进行研究,发现问卷结果与实验观察结果存在一定差异。最后构建了考虑视野受限情况下行人典型行为特征的疏散模型,不同场景下模拟结果与实验结果的高度吻合验证了模型的可靠性。针对完全受限的情况,实验观察到行人首先会沿着当前的朝向运动去寻找墙壁;在找到墙后此时行人有选择左手侧方向运动的倾向;之后行人会继续沿墙运动,运动过程中行人会采取不同的策略来解决与他人的冲突,直至最后找到出口离开。此外T检验结果表明行人沿墙运动速度大于未找到墙的运动速度。随后基于实验观察和分析结果,建立了多格子人员疏散模型,模拟重现了实验中行人的典型运动特征。最后通过对比正常视野和视野完全受限下的疏散,发现两者既有相同点也有不同点。相同点是:人员在均匀分布、随机分布和集中分布下,整体的疏散时间差别不大;两种视野情况下的行人疏散时间都随着初始人员密度的增加而上升;增加出口数量能降低人员疏散时间,视野完全受限情况下效果更显著;疏散过程中连续两人通过出口的时间间隔都呈现幂律关系。不同点是:正常视野下行人运动速度更快并且疏散距离更短,故其所需的疏散时间明显要短于视野完全受限下的疏散;增加出口宽度对于正常视野下的疏散十分有利而对于视野完全受限下的疏散几乎没有影响;正常视野条件下疏散中行人大多集中在出口附近,而在视野完全受限下墙的周边是人员高密度区域。
  通过以上研究我们对视野受限条件下的行人运动和疏散有了更深的认识,接下来将探讨该如何对视野受限环境中的行人进行疏散引导。首先,基于多格子模型我们建立了考虑引导员存在的人员疏散模型。模型中一共设置两种行人类型:引导员和跟随者。其次,针对视野受限情况下的引导员数量、类型、分布、运动速度及引导策略对疏散时间的影响开展了模拟研究。最终模拟结果表明:有标识的引导员在人群中容易被其他行人识别,从而能发挥更大引导作用,其疏散时间较无标识的引导员情况降低了7%;动态引导中引导员通过自身运动扩大了引导范围,疏散时间较静态引导下减少了20%;综合考虑人力成本和疏散时间的情况下存在一个相对较优的引导员数量;引导员的均匀分布能覆盖更大的引导面积从而更有利于整体疏散,但这跟实际中其他行人的分布有关;引导员的运动速度约为其他行人速度的75%时,疏散引导效果最优;对比不同的疏散引导策略,发现综合考虑与目标行人的距离和目标行人周围人数策略下的整体疏散时间最短;多个引导员之间的交流合作能避免在选择引导目标时产生冲突,此时整体疏散效率提高了6%。
[博士论文] 朱培
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:传统化石能源的使用带来的环境问题日益严峻,天然气作为一种低碳清洁能源逐步成为工业生产、交通运输及居民生活等过程中的主要能源。然而在天然气的运输和存储过程中极易因管道腐蚀、设备老化、人为破坏等因素导致天然气泄漏事故的发生。天然气泄漏后往往会大面积扩散,极易引发重大的火灾爆炸中毒事故,往往会造成重大的人员伤亡和经济损失。因此开展天然气泄漏及其火灾事故的防治工作具有重要的科学意义和实用价值。
  细水雾灭火技术因其清洁、灭火效率高、用水量少等优点,已经被广泛应用于工业生产中的诸多领域,然而基于细水雾灭火技术的天然气泄漏事故防灭火研究相对较少。细水雾与天然气冷态高速射流相互作用的研究目前依然缺乏,仅部分研究开展了细水雾熄灭气体射流火的实验研究,但仅从宏观角度得到了典型灭火现象及灭火有效性等结果,而相互作用流场特性则是从本质上揭示其作用效能及相互影响机制。因此,本文通过小尺度实验和数值模拟方法,基于2D-PIV速度测量技术,开展了细水雾与冷/热态天然气泄漏射流相互作用的模拟研究。
  为了获得细水雾对冷态天然气泄漏射流的控制和衰减机制,采用氮气代替天然气作为泄漏气体,开展了细水雾与冷态气体泄漏射流垂直和倾斜相互作用的实验研究。考虑到实际小孔泄漏场景,本文研究中气体泄漏射流速度涵盖亚音速和音速范围。研究发现:对于气雾垂直作用场景,气体射流羽流上升高度主要由气雾动量比和气雾射流张角共同决定的。根据临界气体羽流上升高度,气雾流场可以被划分为气体主导模式和喷雾主导模式,后者应为实际应用遵循的模式。由于高速气体射流卷吸作用,气雾作用流场两侧形成CVP涡结构,这会增强气雾混合程度及对气体泄漏扩散的衰减效果。气雾作用界面Zb可以用基于有效气雾动量比φEff的指数函数模型进行预测。在实际应用,对于细水雾,应考虑设计成雾锥角相对较大,喷雾中心区域雾滴速度和粒径较大,边缘处为小雾滴的喷雾特征。对于气雾倾斜作用场景,当气雾射流主体中心线交点位于气雾流场垂直中间位置时,气雾混合作用效果最好。喷雾锥角大,覆盖面积大对倾斜气流射流具有更好的控制和衰减作用。速度流场结构表明在气体羽流两侧形成非对称的气雾作用界面,气雾剪切作用较大的一侧气雾掺混程度最剧烈,且存在一个明显的顺时针涡结构;此外,在竖直方向仍然存在一个气雾作用界面。
  针对细水雾与热态天然气泄漏射流相互作用,开展了细水雾与甲烷气体泄漏射流火相互作用的实验研究。灭火实验结果表明:对于气体射流火,火焰功率较小时,其灭火有效性主要由喷雾动力学效应决定。而当火焰功率较大时,其灭火有效性主要由火焰流动状态和喷雾动力学效应共同决定;当雾滴粒径和喷雾压力均较大时,灭火时间随火焰功率的增大,呈现先增加后减小的趋势,且在一定喷雾压力范围内存在一个最难熄灭临界状态,其灭火时间的减小主要由于喷雾作用下火焰自我吹熄现象造成的。相对于圆形喷口,细缝形喷口射流火较难熄灭,主要由于后者火焰宽度大,灭火过程中空气卷吸能力较强。流场测量结果表明:当雾滴粒径和雾动量均较小时,火焰较难扑灭,形成明显的雾火作用界面,火焰上方雾场区域受热羽流影响雾滴速度均有所降低;随着火焰功率的增加,雾火作用界面上升,雾滴很难直接穿透火羽流,此时火焰区域雾滴主要是从两侧卷吸进入;边缘处雾滴受热浮力作用向上运动,在喷雾两侧形成CVP涡结构。当雾滴粒径和喷雾动量均较大时,火焰较易被扑灭,雾火作用剧烈程度增加,火焰不稳定性增强;部分液滴可以穿透火羽流端部区域,导致流场测量竖直雾火作用界面低于实际灭火过程火焰高度,且雾场区域雾滴速度呈现不同程度的降低;雾场边缘处雾滴基本不受火羽流的影响而向下运动,同样在雾火作用边界会形成涡旋结构。
  基于ANSYS Fluent14.5的细水雾与冷态高速气体射流模拟结果表明:气雾作用界面变化趋势与实验相同,但气雾作用界面位置的预测值高于实验测量值,这是由于数值模拟对高速气流卷吸雾滴作用的预测有限。但对水流率和雾锥角较大的喷雾工况,预测结果相对较好。基于FDS6.3的细水雾与甲烷射流火相互作用模拟研究表明FDS可以较好的预测喷雾动力学特性;对快速灭火和灭火失败典型灭火过程也可以进行很好的预测,同时再现了灭火过程中HRR、温度、蒸汽质量分数等参数变化特性。
[博士论文] 陶骏骏
安全科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:针对树冠火发生和蔓延规律的研究是森林火灾预防和控制技术中的重要研究课题。生物防火林带作为林火防控的关键技术,针对其阻火机理的研究目前停留在树冠叶片可燃性层面,没有形成有说服力的认识并建立相应的技术理论体系。阔叶树叶在树冠中呈现显著分层特性,针对分层树叶燃料可燃性的研究不仅可以加深对树冠火蔓延规律的认识,同时也增进对生物防火林带阻火机理的科学认识,从而推动该项技术的完善与发展。
  对典型阔叶树树叶的热解特性及燃烧热值进行测试和分析,一方面可以直观呈现阔叶树叶形成明火的潜力,另一方面也为后续工作奠定数据基础。利用综合热分析仪开展热解实验,并利用单组分反应和多组分平行反应模型分别进行动力学解析。结果表明,不同种类树叶热解反应的表观活化能范围为43~80 kJ mol-1,而茎(枝)的在84~110 kJ mol-1之间。分析表明,表观活化能在很大程度上反映叶片中纤维素含量,并不表征特定组分热解反应的能垒信息。实验测得失重峰处对应转化率越低,单组分反应模型对植物热解反应过程描述的贴近程度越高。
  选取了27种不同科属的木本植物叶样,开展元素分析、工业分析及热值测试。结果表明,植物叶样的干基高位热值HHVd在17.48~24.01 MJ kg-1之间变化,平均值为21.30 MJ kg-1。其中,同种科的植物叶片热值大小一般较为接近。干基高位热值受样品自身灰分含量影响可以忽略。分析表明,叶样干基高位热值波动与其挥发分和固定碳的含量分布密切相关。叶片中挥发分和固定碳间含量比值随着样品中氧碳摩尔比增加而增大,并且固定碳在可燃组分中的相对含量对应样品中木质素含量。样品氧碳摩尔比和氢碳摩尔比的增加意味着其木质素含量降低,使得其干基高位热值减小。植物叶片的干基高位热值可以分别由经验式HHVd=18.93VMd+36.95FCd和HHVd=0.4478Cd+1.4072Hd-0.2837Od来准确计算获得,据此还可以迅速确定样品收到基热值。
  利用锥形量热仪开展具有分层特性的树叶样品的着火实验,以模拟野外林火环境下树冠层叶片的辐射引燃过程。实验结果表明,在特定辐射热流强度下,新鲜树叶样品主要呈现两种典型着火模式:一种是在点燃初期出现短时间气相火焰厚转为阴燃;另一种是在测试过程中仅出现阴燃。随着外部辐射热流强度提高或挥发分含量增加,样品在点燃初期的着火模式会由纯阴燃向有焰燃烧转变。理论分析表明,样品表层初始挥发分含量及表层温升速率是影响样品产生挥发分质量通量水平的主要因素,进而决定样品在点燃过程中是否出现明火。
  根据树叶样品的分层特性,将样品分离成具有热薄特性的表层和热厚特性的内层,由此建立起两部分的能量守恒和质量守恒的积分模型。计算结果表明,表层在样品点燃过程中接受的辐射能量主要用于表层水分蒸发和内能增加,向内层的热量输运占份额相当小。这导致能量分配关系呈现出典型的表层效应,进而使得内层对点燃现象的影响被严重削弱。水分含量降低会削弱样品表层吸收和遮挡热量的效应,相应导致内层传热项的量阶显著增加。
  构建考虑热解反应的分层样品辐射引燃模型,并以临界挥发分质量通量为点燃判据,可以对分层燃料出现明火的临界条件作进一步分析。结果表明,树叶样品产生挥发分主要来自于表层,并且表层贡献比例会随着辐射热流强度提高而增加。树叶含水量越低,表层对样品挥发分质量通量的贡献比例相应越小,意味着树叶样品分层特性被明显削弱。分析表明,随着树叶样品含水量减少,内层产生挥发分质量通量会增加,这导致样品出现明火的临界辐射热流强度降低。
  作为比对,构建出针对连续性可燃物的点燃模型,以直观呈现致密性材料与分层燃料间点燃条件和现象的差异。计算结果表明,样品点燃过程中实际吸收净能量会因外部辐射热流强度提高或环境风速减小而相应降低,并随着样品含水量增加而增加。净吸收能量与表观能量比值Eig/Ea主要取决于外部辐射热流强度和点燃时刻表面热损速率,基本与样品种类和含水量无关。分析表明,比值Eig/Ea可以表示为表征点燃条件优劣程度的参数γig的函数。建立的认识不仅可以由表观能量以及经验式来精确计算出点燃过程中固体净吸收能量,同时也为构建基于“最小所需能量”的着火判据奠定基础。
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