全尺寸实验

关键词: 历程 引言 建设 地铁

全尺寸实验(精选七篇)

全尺寸实验 篇1

地铁在英国、美国等国家已经有一百多年的历史, 但在我国的发展历程却只有半个世纪, 但是过去五年乃至未来十年, 我国地铁建设已处于空前的发展时期, 至2011年10月, 我国大陆地区已建成地铁线路总长约为1536公里, 约30个城市正在进行地铁规划和建设, 至2015年前后, 我国地铁线路将达到4189公里规模。未来我国北京、上海和广州的地铁开通里程将成为世界城市的前三位。并且我国地铁的建设规模和承载的客流量都是世界最大的。对于地铁来说, 危害最大的是地铁站台和地铁隧道内火灾、烟气的扩散形成的人员伤亡[1]。地铁火灾与地面或其他地下建筑火灾相比有其特殊性:地铁系统与外界的联系主要为出入口, 人员密集、排除热量及烟气困难, 因此与地面建筑火灾相比具有更大的危险性, 一旦发生火灾, 损失往往十分严重。因此地铁火灾安全设计的内涵包括通风排烟设计、紧急疏散设计以及探测报警等其他防灾系统设计, 均越来越多的引起了国内设计单位和科研学者的重视。

从国内外地铁火灾研究来看, 关于地铁火灾方面的报道多集中在数值模拟方面, 例如Edison Brock[2]对芝加哥地铁隧道火灾进行了模拟分析, 建立了列车活塞效应的计算式。美国交通部开发出SES程序用以模拟地铁内各种运行工况下隧道和通风井中的风速、风量、温度和湿度以及车站的空调负荷。Fox等[3]对地铁车站运行过程中的隧道压力分布进行了模拟研究。日本的平野敏右[4]和英国的Woodburn[5]研究了地铁隧道内纵向通风速度、火源的热释放速率以及湍流模型对烟气回流扩散范围的影响。Chow[6]用场模型对地铁火灾烟气与火灾时通风进行了三维模拟。Simcox[7]对King’s Cross地铁站火灾进行了数值模拟, 研究了火灾烟气在地铁站内的流动情况。Abu.Zaid等人[8]对地铁换乘站火灾进行了模拟, 给出了不同火灾位置下烟气温度场和速度场的分析。Deng等人[9]对地铁火灾计算机模拟中的网格划分、物理模型的选择等方面进行了研究。陈法林[10]对台北地铁火灾烟气蔓延过程进行了数值模拟研究, 对火灾时各种烟控方案进行了讨论。Park等人[11]利用FDS对地铁站排烟下烟气蔓延过程进行了数值模拟, 提出了站台排烟最优方案。国内部分科研院所也做了一些地铁火灾模拟方面的工作[12,13,14]。但总的来说, 国内外开展地铁火灾模型实验的研究较少, 其中Rie等人[15]建立了一个1/40的模型实验台来对地铁站内机械排烟的模式进行了模拟。Drysdale等人[16]建立了1/15尺度的模型来研究国王十字地铁站中楼扶梯井道效应。中国安全生产科学研究院建立了1:10的深埋车站实验模型对深埋地铁火灾进行了模拟实验研究[17,18,19]。中国科学技术大学建立了小尺寸的地铁火灾实验台, 通过基础性实验建立了地铁站火灾时顶棚射流最高温度的预测模型[13]。四川消防研究所利用建立的地铁模拟实验台[20], 研究了轨行区火灾、站厅火灾等场景的火灾特性。

在有限的全尺寸火灾实验方面, 国内科研单位联合地铁企业在深圳地铁1号线[13]、广州地铁5号线和2/8号线、深圳地铁2号线和4号线 (港铁) 、北京地铁亦庄线和8号线二期北段、成都地铁1号线、西安地铁2号线开展了地铁车站站台火灾、站厅火灾、区间隧道火灾的全尺寸实验研究, 得了较多的有参考价值的数据[21]。相比而言, 地铁全尺寸实验更能较实际的反映地铁火灾扩散规律, 并能同时监测地铁各防灾系统的联动状况, 给地铁设计和运营提供更好的数据参考。

本文及后续文章将系列研究笔者在国内不同城市地铁开展的全尺寸火灾实验结果, 探索地铁通风排烟及防灾系统联动等方面的规律和实践经验, 以期望对国内的地铁防灾系统设计提供数据支持和科学的支撑。

1 热烟测试方法的特点

全尺寸火灾实验采用热烟测试的方法, 即采用具有实际火灾功率 (热释放速率) 的火源, 加入示踪烟气粒子, 火源燃烧产生的热的、具有浮力流驱动的烟气流动, 能够较真实的反应烟气运动和控制效果。而对于传统的用于消防检测的冷烟测试来说, 采用发烟物质燃烧产生烟气, 一般不具有真实火灾功率 (热释放速率) , 因此烟气没有浮力驱动, 不能真实反应烟气的运动和控制效果。

因此相比而言, 热烟实验更能较好的测试烟气管理系统的工作状况, 是国内外成熟的测试方法。目前国际上已有的热烟测试标准为澳大利亚的AS4391[22], 我国也正在制定地铁试运营前热烟测试标准。热烟测试方法适用于已建成的建筑或即将竣工的新建筑。对于后者, 在建筑主体结构及防火封堵等已经完工, 而且包括烟气控制系统在内的通风系统、探测报警系统及防灾联动系统已安装并检验完毕后, 测试方能进行。

2 全尺寸火灾实验设计

在实际地铁工程内开展全尺寸火灾热烟测试, 需要事先设计好细致安全的实验系统和实验方案, 因为试运营线路在实验时一般都在按图空载试运行, 留给实验的时间较少。同时地铁内各系统、设备和装修均已基本完成, 对地铁设备系统的保护和紧急状况下的应急预案均需要实验者事先仔细考虑。这里结合多年的实践经验, 介绍在地铁内开展全尺寸火灾实验的设计, 包括实验系统、实验方案和实验步骤等。

2.1 实验系统

全尺寸火灾实验系统主要包括火源系统、测量系统。火源系统用于产生预设火灾功率的热烟气, 包括燃烧器、烟气发生器和烟气发生箱和保护装置, 主体结构见图1。燃烧器包括由钢板焊接形成、根据预设火灾功率改变数量组合及摆放方式的燃烧油盘组成。油盘尺寸为0.841m (内部长) ×0.595m (内部宽) ×0.13m (内部高) , 油盘钢板焊接而成, 实验前和实验时都不能漏油, 在燃烧油盘短边的外部盘壁用0.1m直径的钢焊接两个把手。不同数量油盘组合产生的火源功率见表1。

烟气发生箱的具体结构见图1, 主体为0.5m (长) ×0.5m (宽) ×0.6m (高) 的箱体, 骨架采用角钢, 周围及圆管用铁皮焊接, 确保焊接处的密封性, 底部四周留有通风口, 正面顶部焊接一定直径的圆管, 仰角优选为40°, 水平投影长度0.4m, 背面装配可开启的门, 两侧留有把手, 烟气发生箱距离地面一定高度处 (0.2m) 为钢丝网, 阴燃的烟饼置于其上。烟饼阴燃发出白烟, 由烟气发生箱的圆管注入火羽流加以混和卷吸, 产生白色热烟气。

保护装置包括位于燃烧器的正上方的保护罩 (见图1) , 位于轨行区上由钢板组成的保护支架 (见图2) , 以及位于燃烧油盘下方的防火板。保护罩用于实验过程中保护站台、站厅顶部设备设施不受火焰的灼烧, 保护罩置于火源正上方, 四周开放、顶棚钢板封闭, 下部形成2.5m (长) ×2m (宽) ×2m (高) 的燃烧空间, 为方便拆卸, 横梁、立柱、斜拉之间采用螺栓连接。

测量系统用于获得现场热烟测试的指标参数, 主要测量单元包括温度测量单元、气体浓度测量单元、气流速度测量单元、图像信息采集和显示单元、热像测量单元、烟层高度指示单元等。典型的现场热烟测试设备布置方式见图3。

温度测量单元包括:测温电缆、串连电缆和与串连电缆相连的采集模块、与采集模块相连的通讯模块;测温电缆包括沿竖直方向间隔设置的温度探头, 竖直方向每隔至少0.5m间隔设置1个温度探头, 温度探头为地址可编号、直接输出温度数字信号的温度传感器;测温电缆通过置于地面的串连电缆连接, 或者相邻的两个测温电缆通过其下部的插头连接;采集模块通过RS485采集总线组网且分布布置;通讯模块与数据分析系统相连。典型的网络拓扑结构如图4所示, 后端的温度测量采集模块实体图如图5所示。

气体浓度测量单元包括气体浓度测量模块, 气体浓度测试模块内封装CO和CO2气体传感器, 每个CO和CO2气体传感器为地址可编号、直接输出气体浓度数字信号的传感器, 气体浓度测量模块的电缆下部接口与测温电相同。CO和CO2气体传感器均与采集模块相连且接入总线组网。由于气体传感器布置比较困难, 在一般实验中很少安装。

气流速度测量单元包括速度传感器, 速度传感器分别设置在车站楼扶梯开口位置、屏蔽门和活动门开口位置、车站出入口内楼扶梯开口位置及区间隧道内, 采集流速数据。

图像信息采集和显示单元包括多点布置的CCD摄像系统, 以及与CCD摄像系统相连的分频器、显示器和硬盘录像机;CCD摄像系统设置在火源系统周围、站台、站厅及隧道内。

热像测量单元包括热像仪, 热像仪设置在火源系统周围, 记录火焰及顶棚烟气温度。

烟层高度指示单元包括指示灯和标尺, 设置在火源系统周围, 指示灯和标尺用于配合图像信息采集单元观测记录、指示烟气层的沉降高度。

2.2 实验方案

地铁全尺寸火灾实验测试一般在地铁工程建设完成后、载客试运营前, 采用现场热烟试验方法, 对地铁火灾安全性进行全尺寸实验检测, 评估地铁车站站台、站厅以及区间隧道的火灾探测报警系统、通风排烟系统、事故照明、疏散通道和疏散指示的工作效果、可靠性及联动状况, 判定各消防系统在火灾等事故情况下能否确保乘客安全疏散。

地铁全尺寸火灾实验的车站宜选取地下敷设形式的车站和区间隧道。实验内容包括站台热烟测试、站厅热烟测试和区间隧道热烟测试。

由于在实际工程中进行7.5MW火灾功率的火灾试验具有较大的危险性和破坏性, 因此实验设置的火灾功率进行一定比例的减弱。火源功率不能太大, 否则难以控制火灾的破坏性。但火源功率也不能太小, 否则不能完全反映热烟气的扩散和排烟规律。站台、站厅和区间隧道热烟测试的火源功率宜设置为2-3MW。燃烧时间应不少于10min。根据Mc Cafferey, Quintiere, Harkleroad (MQH) [23]等人提出的相似关系:

其中, Tg, T0为烟气层温度和环境空气温度, AT为顶棚和侧壁总面积 (扣除通风面积) Av为通风口面积, ρ0为空气密度, H为顶棚高度, g为加速度。珚Q为火灾功率, cp为空气比热。在其他参数相同的情况下, 烟气温升ΔTg与火灾功率Q2/3成正比。因此实验的烟气温度可进行比例换算得到预期火灾功率的烟气温度。

同时, 根据烟气产生量与机械排烟量的平衡关系, 地铁空间内烟气层高度Z与换气率ACH的关系表示为[24]:

其中, 为空间的形状因子。因此实验的烟气层高度也可做相应的比例换算得到预期火灾功率的烟气高度。

热烟测试时燃料采用95%级以上的工业甲醇, 发烟材料采用烟饼, 示踪烟气p H值应接近中性, 白色。烟气浓度按照模拟燃烧场景设置, 通过火源系统控制烟气浓度。

全尺寸实验获取的信息一方面是通过测量系统采集的数据, 另一方面是通过实验人员记录和地铁FAS、BAS系统等动作的数据, 还有需要对采集数据进行处理后获得的参数, 典型的实验测量参数见表2所示。

2.3 实验步骤

(1) 根据地铁车站的结构和规模, 确定站台火灾、站厅火灾、车站隧道火灾及区间隧道火灾的火灾工况、火源功率和地铁消防系统联动方案。

(2) 根据所确定的火灾工况、火源功率和地铁消防系统联动方案布置火源系统, 以及调试和标定数据采集和处理系统。将火源系统置于预先设定位置, 搭设保护罩、保护支架, 布置防火板及防火布;安装和连接温度测量单元、气体浓度测量单元、气流速度测量单元、热像测量单元、摄像头、标尺、指示灯和采集模块;对通风排烟系统、探测报警系统及其他系统进行测试前的预调试;对测量采集及数据分析系统进行调试和标定。

(3) 测试开始, 实验人员点燃燃料和烟饼, 对火灾场景中的气体温度、气体浓度、气流速度、图像信息、热像信息、指示灯和标尺显示以及地铁各系统联动时间进行采集。

(4) 火源熄灭后, 测试结束, 待烟气完全排放完毕后, 关闭信号采集系统;切换探测报警系统、通风排烟系统及其他系统进入正常模式, 准备下一组实验测试。

(5) 改变火灾工况、火源功率和地铁消防系统联动方案, 重复测试过程。

(6) 对多次实验测试所得到的数据进行分析, 判定地铁防灾系统安全指标的符合性。地铁防灾系统安全指标的符合性包括地铁火灾探测报警系统、通风排烟系统、事故照明、疏散通道、疏散指示的工作效果、可靠性及地铁各防灾系统联动状况是否符合安全标准;总体可用安全疏散时间是否符合安全标准。

3 结论

这才是全尺寸 篇2

说来惭愧,以鄙人如此娇小的南方人身材要坐进领航员如此庞大的美式全尺寸SUV驾驶座里面,必须像猴子爬树般四肢并用。左脚踏上自动伸缩的迎宾踏板,左手扶着A柱的把手,然后借力“爬”上去。好不容易坐进驾驶座里面,别以为你就马上可以溜之大吉。因为林肯领航员的驾驶座空间实在太大了,需要花费一定时间去调整好适合自己的驾驶姿态。还好并没有太多怪异的设计,挂上D挡,给油就走。

不得不说,驾驶着这款5米长、宽和高都接近2米的大块头穿出酒店的羊肠小道,手心情不自禁冒汗,生怕碰到周边的障碍物。之后在弯道上转动方向盘,刚才的怯意马上消除了不少。那么庞大的SUV转向居然如此轻盈,而且不是轻得虚无缥缈,而是拥有一定质感的转向。驶上大路之后,公交车般的驾驶视野让我信心大增,之前那强烈的压迫感也烟消云散。

除了那威武的车身尺寸,我相信领航员更多争议性的地方莫过于那套动力系统了。3.5L双涡轮增压发动机是目前最大排量的EcoBoost系列发动机,是福特EcoBoost系列的旗舰。作为旗舰,这台发动机的确拥有更好的技术与更好的调校,相比起EcoBoost其它小排量发动机,它功率输出高那自然是情理之中,但是那个运转质感与平顺程度也是充满旗舰风范,三分之一不到的油门开度,足以在打一个哈欠的功夫便可完成超车,但我想告诉大家的是,领航员车身净重已经达到2.8吨,如果再坐四个人装载一些行李,那么达到3吨重根本不在话下。全油门踩下去,发动机并没有出现预期的涡轮迟滞与爆发,依然从容而渐进地将强大的扭矩释放出来。官方给出的数据是这大块头0~100km/h的加速时间大约7秒左右,够不够力那是根本不在考虑范围。有一点可以明确告诉大家,就连崇尚大排量的美国市场,领航员也不再提供V8发动机车型。

另外一个争议点我认为是其变速器,说实话那副6AT变速器自身并无大过,换挡时机与配合度都非常符合领航员这种从容的风格,与发动机乃是非常成熟的匹配。但放眼其它豪华品牌,均配备了更先进更高效的8AT变速器,无论对消费者的宣传还是实际的驾驶质感,都大有补益。当然,我不厌其烦再说一次:其实这副6AT与发动机的匹配度已经非常高,正常行驶几乎看不到有任何短板。

作为豪华品牌,动力系统与底盘质感自然都是高水准,而这个环节林肯领航员更是表现出更淋漓尽致的美式风格。尤其隔音方面,以120km/h速度跑在高速上面,噪音居然和80km/h的时候差不多。虽然是非承载式车身,行驶舒适感也不比城市SUV差。有一点需要值得注意的是,虽然领航员在硬件方面拥有非承载式车身加上适时四驱,应付一般泥泞路面没有太大问题,但是它毕竟车身轴距太长,爬坡或者通过炮弹坑的时候难免会托底。

相信领航员如此庞大威武的造型无人不喜欢,除了它没有V8发动机,几乎可以说是国内能够买得到比较纯粹的美式豪华SUV。但你懂得,越是纯粹的美式风格越显得粗糙。林肯领航员的内饰便是如此,细细打量车内,无一不是用上等的材料,但就是不够精致细腻。

木结构建筑被动防火措施全尺寸实验 篇3

1 丽江古城建筑

丽江古城作为典型的木结构古建筑群,自形成至今,融合了纳西、白、藏、汉各民族建筑艺术的精华,是宝贵的历史文化遗产。土木结构瓦屋面的楼房,木构架结构为主的承重体系,精雕细琢的窗、门以及墙、楼板、挑檐多是木结构。

云南省消防总队在调研的基础上就加强古城消防安全工作进行研究。经过大量的走访、调研发现丽江的古建筑群主要有以下特点:一是丽江常年气候干燥,导致构件木质干燥、含水量低,火灾荷载大,采用的木料具有烟雾生成量大的特点。二是街道狭窄,毗连的木结构建筑间距不足,一般只有2~4 m,一旦起火,若扑救不及时,很可能出现大面积燃烧。三是后立面即后墙多为土坯墙,有一定的耐火等级,而前立面即正门多为木质结构,门、窗较多,通风良好;二层外屋面、挑檐、梁柱多为木结构,屋顶严实;两面有悬山,古建筑火灾蔓延主要通过前立面即正门向对面蔓延,通过悬山向旁边蔓延。

2 实验方案

选择具有丽江古城木结构建筑典型特点的一栋古民居作为实验对象。该古建筑为庭院式居住建筑,以木质材料为主,建筑内房间隔断众多,柱、梁等主要构建都为木质,受火灾的威胁非常大。图1为实验民居实景图。选用纸面石膏板和公安部天津消防研究所提供的新型超薄型防火涂料测试并验证其提高古建筑被动防火能力的效果,通过实验获取古城尤其是丽江特色的古建筑的火灾动力学数据。

图1 实验民居示意图

分别开展纸面石膏板对木结构建筑疏散楼梯的保护作用以及新型超薄防火涂料对木结构建筑楼梯、楼板的防护作用的全尺寸火灾实验。开展两种实验的1#房间与2#房间结构和尺寸一致,房间内部的防火保护不同:1#房间内部安装的是纸面石膏板;2#房间在内部以及吊顶涂刷新型超薄防火涂料。该涂料是一种膨胀型防火涂料,受火后形成隔热层来保护建筑结构,表面温度达到250℃时底部涂层开始变化,底部涂层形成泡沫层,从外向内泡沫层不断增厚炭化,发泡结束表面形成炭化层。

1#房与2#房内部安装,如图2、图3所示。其中,1#房间在火源中心处和屋角竖向布置热电偶树S1和S2,热电偶间距0.50m;在楼梯间处横向布置测量背升温度的热电偶树H1,热电偶间距0.72m。2#房间内在墙角竖向布置热电偶树,热电偶间距0.50 m,在楼梯间侧墙横向布置热点偶数,热电偶间距0.50m。

两个房间内火源设置相同。根据文献和相关标准,实验选取UL711标准所规定的1A木垛作为实验火源。火源下部为引火油盘,油盘内有约1.5L的汽油。

3 实验结果

3.1 木垛燃烧结果

木垛火源中心温度如图4所示。木垛火源中心处最高温度约为850℃。燃烧初期,火源中心处的热电耦测得温度的波动,分析认为是火源汽油燃烧而木垛还未完全燃烧造成的。随后木材充分燃烧,最高温度达到850℃左右,温度曲线反映了房间内部火源中心处的温度变化情况。热释放速率与称量值的关系如式(1)所示。经换算,木垛火产生的热释放速率最大值约为500kW。

式中:HRR为热释放速率;η为燃烧效率,根据实验情况取0.7;ΔH为木材热值,取12 MJ/kg;m0为初质量;m1为末质量;Δt为时间差。

图4 木垛火源中心温度

3.2 1#房间实验结果

在标准火源为1A的情况下,测得最大的辐射值约为9kW/m2,在实验时间内辐射强度的规律与温度的变化较为一致。火源在中心位置产生的辐射值未达到纸张的临界辐射值10kW/m2。图5、图6为1#房间墙角温度曲线以及疏散楼梯背升温度曲线。在防火板的保护下,1#房疏散楼梯背升温未发生较大波动,温度最高达到10℃左右,说明通过防火板保护的疏散楼梯在实验时间内可以满足人员疏散的要求。图7为实验结束后房间内现场图。试验结束后,房间内未进行防火保护的吊顶完全燃烧,在二楼观察,楼板即将被烧穿,其余部位在防火板的保护下几乎未受影响,部分位置出现泛黄痕迹。

图5 1#房间墙角温度曲线

图6 1#房间疏散楼梯背升温度曲线

图7 1#房间火灾实验结束后场景图

3.3 2#房间实验结果

2#房间墙角温度曲线及疏散楼梯背升温度曲线,如图8、图9所示。木垛被引燃后,约260s后屋顶发黑,5min左右楼梯间上涂刷的防火涂料开始起泡,8min后火势蔓延至房间外厦。2#房间墙角处测得的最高温度为1 400℃。考虑1A木材燃烧的实际情况,认为所产生的室内温度不可能达到1 400℃,热电偶损坏,房间墙角处最高温度为800℃左右。580~750s温度产生的波动是由于摆放原因木垛在燃烧过程中部分坍塌所致。

在新型防火涂料的保护下,前12min内2#房间疏散楼梯背部温度没有明显上升,随后快速上升。考虑到热传导的滞后性,在结束实验前测得最高背升温温度约为35℃,如果继续燃烧,疏散楼梯将不能被有效保护。

火灾实验结束后2#房间内场景,如图10所示。对房屋防火涂料产生的发泡层进行铲除作业,发现四周墙壁上的防火涂料发泡附着较为牢固,而疏散楼梯底部的发泡层已大面积脱落。测量掉落的发泡层以及墙壁的发泡层,发泡厚度约为1cm。墙壁进行铲除作业后发现有木质底层露出,而疏散楼梯底部木材已经起火燃烧并炭化,出现较大裂纹。观察后发现疏散楼梯底部存在约2cm的夹层,涂料的涂刷并未真正涂刷在木质基层上面。认为防火涂料的涂刷必须涂刷在木质基层上,且必须有严格的施工工艺,不能有空隙。一旦由于缝隙形成热空气的流窜,涂料就失去了保护作用。

图8 2#房间墙角温度曲线

图9 2#房间疏散楼梯背升温度曲线

图1 0 2#房间火灾实验结束后场景图

对比1#房间和2#房间实验结果可以发现,纸面石膏板可以有效保护木结构建筑,在火灾发生后能够保证充足的人员疏散时间,为消防人员扑灭古建筑火灾提供时间,保存建筑完好性。其缺点是纸面石膏板相当于对木结构建筑进行了隔层保护,无法保证木结构古建筑的美观性和观赏性。新型超薄型防火涂料可以体现出木结构建筑的美观性和观赏性,在发生火灾之后可以迅速发泡,有效对木结构进行防火保护,但其防火能力与纸面石膏板相比较弱,背升温较高(35℃)。两种防火措施可以综合使用,在观赏性和美观性要求高的部位涂刷新型超薄型防火涂料,在火灾隐患较大、承受力载荷较大的部位采用纸面石膏板进行防火保护,或者同时在纸面石膏板外部涂刷新型超薄型防火涂料。

4 结论

在丽江地区,1A标准木垛燃烧最高温度达到约850℃,最大热释放速率约为500kW。在纸面石膏板保护下,1#房疏散楼梯背升温温度并未发生较大波动,温度最高达到10℃左右,可以给予人员疏散逃生充足的时间,并可以在火灾情况下较长时间保证木结构的完整性。在新型超薄型防火涂料保护下,2#房间背升温较大,但仍在接受范围内,其防火能力较纸面石膏板略差,但能充分保证古建筑的美观性和观赏性。两种防火措施可以综合使用,针对不同部位采取不同的措施,或同时在纸面石膏板外部涂刷新型超薄型防火涂料。

参考文献

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全尺寸实验 篇4

1 轰燃实验

轰燃实验在建筑二层的一间走廊尽头的房间进行, 房间尺寸及内部家具的摆设, 如图1所示。

实验选用直径为1mm的K型热电偶, 共布置了19个热电偶, 布置位置如图1所示。编号201~216的热电偶从右至左水平均匀分布在走廊顶棚以下4cm的位置;房间的顶部正中央设了3个热电偶, 这样的布置能够有效估算房间及走廊内烟气层的温度变化。房间和走廊内设置有摄像头以观测烟气层的沉降高度。

2 实验结果

2.1 轰燃房间和走道温度变化

由于主要研究烟气层中的温度分布, 热电偶多集中布置在轰燃房间及走道狭长空间的上部。轰燃实验是在二层一个密闭房间内进行的, 轰燃房间中三个热电偶 (表示为301、302、303) 的温度变化, 如图2所示。

由图可知, 开始点燃至40s是火灾发生的初期阶段, 房间内的温度没有发生大的变化, 该阶段一般是由小火源引燃室内的可燃物, 易燃或可燃的材料开始燃烧, 火源对室内各点的辐射热通量较小。40~188s是火灾的成长阶段, 靠近火源的可燃材料燃烧并传播至室内其他部位, 火焰的燃烧范围进一步扩大并产生大量的燃烧热和高温烟气;在燃烧热和高温烟气的作用下, 一些难燃性的材料也将分解并释放出部分可燃性气体。188~550s密闭房间内由于没有新鲜空气的补给, 火源在氧气浓度较低的情况下以较慢的速率维持燃烧, 着火材料难以充分氧化, 产生大量单体炭粒、CO2、CO及可燃气体, 烟雾浓而黑。此时的燃烧状态为通风控制燃烧, 如果此时消防队员直接打开房门救火则会导致轰燃的发生, 危害消防队员的人身安全。550s以后, 轰燃实验房间侧窗玻璃因高温破裂, 新鲜空气大量涌入, 室内燃烧由通风控制向燃料控制转变, 大量新鲜空气进入室内并与可燃气体掺混, 室内的可燃气体迅速燃烧并发生轰燃。轰燃发生后室内温度开始跳跃式上升, 火源上方温度急剧增长到近1 200℃, 室内所有的可燃物进行不完全燃烧, 产生大量的浓烟和有害气体并向室外扩散。

走廊中上方设有16个热电偶, 分别表示为201~216, 从轰燃房间开始每隔1m设一个热电偶, 以测量走廊内热烟气层的温度。热电偶的设置如图1所示, 热电偶测量的走廊内热烟气层温度, 如图3所示。

由图3可知, 走廊内的温度在100~220s时有所上升, 这是由于实验房间内有焰燃烧逐渐增长, 室内少量高温烟气通过门窗缝隙进入走廊。220~680s走廊内烟气层温度几乎没有变化。680s后由于轰燃房间面向走廊的窗户玻璃部分破裂致使走廊内的温度开始上升。820s时走廊内热烟气层的温度为180℃, 达到了人的耐受极限, 如果此时还有人停留在走廊内则非常危险。随后面向走道的窗户玻璃全部破裂, 导致大量有毒浓烟涌向走廊。走廊内温度急剧升高, 轰燃房间附近走廊的烟气层温度达到900℃, 远离轰燃实验房间处走廊内烟气层温度达到200℃, 均超过了人的耐受极限, 此时二层已错过施救时机。由此可知, 二层人员如果在820s之前还未疏散完毕, 停留在走廊内的人则很难生还。

2.2 轰燃房间和走道烟气变化

火灾过程中会产生大量的烟气, 烟气中游离的固体碳颗粒及高沸点的液滴对光线有吸收、反射和折射等作用, 从而对可见光起到遮蔽的作用, 高浓度烟气弥漫时会降低火场能见度, 且火灾烟气中的HCl、NH3和SO2等气体对眼睛有极大的刺激作用, 影响人的视觉从而影响人员疏散, 给火场中被困人员逃生及消防员灭火救援带来困难。实验在走道和室内的墙面上用黑色记号笔标示刻度, 并用摄像头全程监控的方法研究火场能见度的变化。着火房间能见度变化过程, 如图4所示。

由图4可知, 实验房间在点火后40s时, 室内有少量的烟气, 在点火后55s烟气沉降至距离2层地面180cm处并在点火后70s时充满整个房间, 随后密闭房间内的烟气越来越多。100s时随着室内氧气的含量越来越少, 火势逐渐减小;110~273s房间内处于阴燃时期, 能见度几乎为零;随后房间东侧窗的玻璃由于室内高温影响逐渐炸裂, 火势逐渐增大;在明火的影响下室内能见度逐渐增大;在点火后550s室内家具发生轰燃, 室内所有可燃物均开始燃烧并产生大量的高温烟气, 室内的能见度又再次下降。

由于着火房间封闭, 走廊内能见度变化与着火房间内能见度变化有很大的差别, 走廊内能见度变化过情况, 如图5所示。

由图5可知, 点火后100s走道烟气很少, 110~130s时部分烟气蔓延到走道内, 且沉降至距离二层地面2.4m处;由于一~三层的楼梯是敞开楼梯, 所以烟气到达楼梯口时沿着楼梯向上蔓延, 150~190s时烟气层聚集在距二层地面2.7m处, 且烟气层的浓度逐渐减少;220~440s稀薄的烟气弥漫在整个走道内, 且逐渐向三层蔓延, 此时虽然走道内有烟气, 但人员还是能够看到出口安全疏散至室外的。460s时, 着火房间面向走道的窗户在高温作用下破裂, 烟气蔓延到走道内, 在13s内烟气就充满整个走道且沉降至距地面2.5m;486s时烟气已沉降至距地面2m, 高温烟气将走道内悬挂的塑料标尺熔断, 标尺掉落;500s时整个走道内全部充满烟气, 走道内的能见度几乎为零;随后越来越多的高温烟气聚集在走道内, 走道内面向室外的玻璃在高温烟气的作用下逐渐破裂, 部分高温烟气蔓延至室外, 但由于着火房间发生轰燃, 室内大部分可燃物都开始燃烧, 源源不断地产生大量的烟气蔓延至走道内。

3 实验结果分析

由图2、图3可知, 轰燃发生在550s, 即着火后约9min。轰燃后轰燃房间的温度急剧上升, 烟气急剧下降。室内发生轰燃后会出现1 000℃以上的高温, 并有火焰喷出, 整个房间处于高温中。由于热应力的作用, 某些建筑构件将会被破坏。如果持续时间较长, 还可能引起建筑物更严重的损坏, 如墙壁、顶棚的坍塌等, 并且会迅速蔓延至建筑物的其他部分。轰燃发生后喷出的火焰是造成火灾蔓延的主要因素, 其强烈的辐射热不但会使火灾向上蔓延, 甚至会危及相邻建筑物, 同时也严重妨碍了火灾扑救工作的顺利开展。

取火灾实验的任一时刻 (ti) 温度, 烟气层温度的增长速率可以定义为式 (1) 。

式中:Tg为热烟气层的温度, ℃;Δt为数据采集的间隔时间, s;下标i和i-1分别代表第i s和第 (i-1) s。

此时, 温度上升速率的变化率可表示为式 (2) 。

从初始温度到温度接近峰值时热烟气层温度上升的平均速率可以定义为式 (3) 。

式中:tpeak为从着火开始至达到高峰的温度 (Tgpeak, ℃) 的时间, s;T0为环境空气的温度, ℃。

热烟气层温度上升速率的最高值, 即从一开始着火到tpeak所有平均速率的最大值, 如式 (4) 所示。

式 (1) 和 (2) 将提供一对表示在某一刻正在发生变化的离散率参数, 数据采集的时间间隔相对于封闭室内火灾整个过程的时间足够小。在实验测试中, 6s的采样时间远远小于封闭室内火灾发生的时间, tpeak在大多数情况下长于1 000s。

如果d2Tg/dt2是正值, 热烟气层温度会增加, 封闭室内的火也将快速发展;相反, 如果d2Tg/dt2是负值, 热烟气层的温度将降低, 封闭室内的火将发展缓慢。除了最初使用助燃剂快速生成火焰吞没整个燃料表面的火灾外, 持续的正的变化率表明可能即将发生轰燃。

由图2、图3可知, 室内最高温度为1 155℃, 时间为着火后1 246s;走廊最高温度为891℃, 时间为着火后1 266s。将测得的数据进行整理, 依据式 (1) ~式 (4) 得到室内和走廊内烟气层温度的变化情况, 如表1所示。

由表1可知, 室内烟气层温度增长速率的最大值为20.21℃/s, 温度上升速率的最大值为31.05℃/s;走廊烟气层温度上升的平均速率为4.09℃/s, 温度上升速率的最大值为25.6℃/s。

4 结论

(1) 办公建筑封闭室内轰燃发生在着火后约9 min, 轰燃发生前室内温度为130℃, 轰燃后极短的时间内房间的温度急剧上升, 最高值达到1 155℃;轰燃发生后300s, 走廊温度从50℃上升到700℃以上。

(2) 从走廊和室内温度随时间变化情况可看出, 轰燃发生后一段时间内, 温度急剧上升, 走廊和室内烟气层温度增长速率的最大值分别为25.63℃/s和20.21℃/s。

(3) 室内烟气在着火后55s时沉降至距离二层地面180cm处, 着火后70s时充满整个房间, 走道内烟气在400s前不影响人员疏散, 486s时走道内的烟气沉降到距地面2m处, 影响人员安全疏散。

参考文献

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[4]宗若雯.特殊受限空间火灾轰燃的重构研究[D].合肥:中国科学技术大学, 2008.

[5]李利敏, 朱国庆, 黄丽丽.含内天井的高层SOHO办公建筑人员疏散[J].消防科学与技术, 2012, 31 (12) :1276-1279.

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[8]李松阳, 宗若雯, 谭家磊, 等.室内轰燃试验及数值模拟分析[J].安全与环境学报, 2008, 8 (5) :141-145.

[9]陆时正, 时颖倩, 李璞.火源对标准房间轰燃影响的数值模拟[J].安全与环境工程, 2010, 17 (2) :98-102.

应用全微分解平面尺寸链 篇5

在产品设计和工艺设计中,常常需要解尺寸链。目前,对尺寸链按应用场合分为零件尺寸链、工艺尺寸链和装配尺寸链;按各尺寸的空间位置分为直线尺寸链、平面尺寸链和空间尺寸链;按各尺寸的几何特征分为长度尺寸链和角度尺寸链。

用极值法解尺寸链时,对于直线尺寸链只是对各组成环运用简单的代数加减运算;对于平面尺寸链,常用投影法将其转化为直线尺寸链求解(见图1)。将平面尺寸链中各有关组成环按平行于封闭环方向投影,就可将平面尺寸链简化为直线尺寸链来计算,即A0=A1+A2cosθ。对于不能简化为直线尺寸链的平面尺寸链,求解较为困难,不能运用简单的代数和求解。

2全微分基本理论

现运用全微分概念,把封闭环尺寸视为各组成环的函数。设各组成环尺寸Ai为自变量,则封闭环尺寸A0为多元函数:

A0=f(A1,A2,…,Ai) 。 (1)

根据全微分的概念,当各组成环变量产生微小增量时,则封闭环尺寸的增量为:

undefined。 (2)

其中:undefined为转递系数ζi,可能为正或负。当undefined为正时,Ai为增环;当undefined为负时,Ai为减环。

现设某尺寸链有n个组成环,其中有m个增环,记为Ai;则有n-m个减环,记为Aj。用各环的上偏差或下偏差代替微小增量dAi,即可近似求得封闭环A0的上、下偏差。封闭环上偏差ES0为:

undefined。 (3)

封闭环的下偏差EI0为:

undefined。 (4)

其中:ESi、EIi分别为各增环的上、下偏差;ESj、EIj分别为各减环的上、下偏差。

封闭环公差T0为:

undefined。 (5)

式中:Ti——各组成环公差。

3应用举例

图2为某镗削加工中的平面尺寸链,已知:A1=100±0.07,A2=60±0.06。则:

undefined。

undefined。

undefined。

所以A1、A2均为增环。

(1)A0的基本尺寸为:

undefined。

(2)封闭环的上偏差为:

undefined。

(3) 封闭环的下偏差为:

undefined。

即:两孔距尺寸A0≈116.62±0.091。

4结论

应用全微分解尺寸链,概念清晰,判断增减环计算简便,可以快速求解平面尺寸链。

参考文献

[1]孔庆华,刘传绍.极限配合与测量技术基础[M].上海:同济大学出版社,2002.

油罐火灾特性的小尺寸实验研究 篇6

近年来,随着经济的发展,特别是现代石油、石化工业的迅速发展,国家对能源的需求越来越大,大型储油罐区日趋增多。“十五”期间,我国开始建立石油战略储备制度,以应对石油供应中断可能带来的安全风险。油品作为易燃易爆的危险品,使得储油罐区成为典型的重大工业危险源,其火灾燃烧迅速,火焰温度高,辐射热强,常伴随着爆炸、沸溢等现象,一旦发生火灾扑救非常困难,不但造成巨大的财产损失,还可能导致人员伤亡及环境污染。工业作业场所灾情统计资料表明:火灾爆炸历来是油罐区的首位事故,因此保证油品的安全储存,成为当前形势下的一项重要任务。

由于全尺寸实验的实验条件不易控制,实验现场的不确定因素多,测得的实验数据精度不高,再加上实验成本高,难以重复多次开展实验以得到定量的变化规律,因此,笔者进行了一系列小尺度的油罐火灾实验以研究油罐稳定燃烧及沸溢时的燃烧特性、温度场分布规律及周围辐射热通量的变化规律,为提高油罐火灾的预测能力提供理论依据。

2 实验方法

2.1 实验装置

实验装置如图1所示,实验系统主要由油罐本体以及数据采集系统两部分构成。实验中采用了两种不同内径的油罐,第一种油罐直径1.0 m,高度0.5 m;第二种油罐直径0.6 m,高度0.6 m。油罐壁面厚度为3 mm的普通碳钢。实验所用的燃料为煤油与机油的混合体,其体积比为1∶1。

实验过程中主要采集了不同距离处热辐射通量和油罐内不同高度处的温度。热辐射通量由热辐射通量计采集,热辐射通量计布置在距离油罐4 m和2 m的位置。油罐内不同高度的温度则通过两组热电偶耙来测量,两支热电偶之间的距离为5 cm,16支热电偶平均布置在罐内0~40 cm的范围内,热电偶测点位于油罐中心位置。

为了得到油罐燃烧时火焰及周围环境的温度分布规律,采用了美国Fluke Ti45红外热像仪对油罐燃烧时的情况进行成像。

2.2 实验工况

为了研究油罐燃烧以及火焰热辐射的规律,实验中采用了不同直径的油罐以及不同厚度的水垫层和油层,共开展了4组小尺寸的油罐燃烧模拟实验。实验工况如表1所示。

3 典型实验结果的分析与讨论

3.1 实验现象描述

实验1和实验2的燃烧过程如图2所示,点火后,火焰迅速蔓延到整个油罐的表面,火焰高度比较高,且有振荡现象发生,火焰上方伴随着大量的浓烟,整个区域可以清晰地分为连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区三个区域。实验过程中没有发生沸溢现象。

发生沸溢前后的火焰结构如图3所示,沸溢现象发生后,火焰范围增大,火焰高度增高,大量正在燃烧的油

火从油罐中喷溅而出,显示出了极强的破坏力。这是因为油面燃烧产生的大量热量以热波的形式传到了水垫层,热量不断积累使得温度不断升高,当温度超过水的沸点后使水垫层沸腾,产生大量的气泡向上运动,带动燃烧的油火向外喷溅。

3.2 实验测量结果与讨论

实验1的热辐射通量以及温度变化如图4所示。距离油罐4 m处,即4D处,热辐射通量约为0.13 kW/m2。热电偶的温度分布呈现出明显的分层效果。在水垫层内,热电偶测得的温度比较低,没有达到水的沸点温度。这说明油罐的燃烧没有导致沸溢发生。而布置在油层以及空气中的热电偶,由于火焰燃烧导致温度急剧上升,最高达到约900 ℃。

实验2的热辐射通量及温度变化如图5所示,在距离油罐4 m处,即4D处,热辐射通量约为0.12 kW/m2。热电偶的温度分布也呈现出明显的分层效果,在水垫层内,热电偶测得的温度比较低,没有达到水的沸点温度,说明油罐的燃烧没有导致沸溢发生。在500 s前,靠近油层底部的两支热电偶温度没有升高,这说明燃烧产生的热量还没有传到油层底部。而在500 s后,两支热电偶温度有所上升,但温度不太高。

实验3的热辐射通量以及温度变化如图6所示,距离油罐4 m处,即4 D处,热辐射通量约为0.12 kW/m2。对比前面实验1和实验2,3次实验相同距离处的热辐射通量值相差不大,说明对于相同直径的油罐,总的来说油面的燃烧比较稳定。但是对于实验3,热电偶的温度分布已经不存在分层的效果,在下面0.05 m的水垫层内,300 s以前,热电偶测得的温度比较低,约为环境温度,但在300 s后水垫层内的热电偶测得的温度都发生了上升,而且温度比较高,达到了850 ℃,这说明油罐的燃烧导致沸溢发生。

对比实验2和实验3,水垫层厚度均为0.05 m,但实验2的油层厚度较薄,约为0.10 m,而实验3的油层厚度较实验2厚,约为0.15 m。实验3发生了沸溢,而实验2没有发生沸溢,这说明在相同的水垫层厚度下,油层越厚越容易发生沸溢。这是因为油层越厚,可燃烧的燃料油越多,燃烧产生的热量越多,因而向下传到水垫层的热量就越多。随着持续的燃烧,热量不断积累,水温不断升高,当达到水的沸点后,水发生沸腾,产生气泡,在向上升的过程中带动燃烧的油品喷溅而出,产生沸溢现象。

对比实验1和实验3,两次实验的油层厚度相差不大,实验3的油层厚度约为0.15 m,实验1的油层厚度约为0.20 m,但是实验3的水垫层厚度约为0.05 m,比实验1的水垫层厚度0.15 m薄不少,最终的结果是实验3发生了沸溢,而实验1没有发生沸溢。这说明在油层厚度差不多的情况下,水垫层越薄越容易发生沸溢。这是因为水垫层越薄,要使水垫层的温度升高到沸点需要吸收的热量越少,越容易产生沸溢现象。

实验4的热辐射通量以及温度变化如图7所示,对于直径0.6 m的油罐,距离油罐2 m处,即约3D处,发生沸溢前的平均热辐射通量约为0.12 kW/m2,沸溢阶段的最大热辐射通量约为2.5 kW/m2。热电偶的温度分布呈现出明显的分层效果,在下面0.2 m水垫层内,特别是在油水界面处,在燃烧末期热电偶测得的温度存在一个突然上升过程,这说明油罐内发生了沸溢。由于沸溢导致大量油品参与到燃烧中,从而使得火焰急剧上升,温度最高达750 ℃。

实验2和实验3的红外热像仪成像如图8所示。对于实验2,油罐燃烧产生的火焰有比较清晰的结构和分层现象,而且温度较高,而对于发生了沸溢的实验3,油罐燃烧产生的火焰已经没有清晰的结构和分层现象,且温度比没有发生沸溢时略低,与油罐中心处热电偶测得的温度分布类似。这是因为在发生沸溢时,水沸腾后产生的气泡加剧了燃烧区的混合程度,所以火焰没有清晰的结构。而且水蒸发要带走部分热量,所以温度较没有发生沸溢时略低。

4 结 论

针对油罐火灾的燃烧特性以及周围热辐射通量的分布规律,采用两种不同内径的油罐进行实验模拟研究,得出了如下结论:

(1)对于直径为1 m的油罐,在距离油罐4D处,热辐射通量约为0.12~0.13 kW/m2,对于直径0.6 m的油罐,距离油罐约3D处,热辐射通量约为0.12 kW/m2;

(2)在相同的水垫层厚度下,油层越厚,油罐燃烧越容易发生沸溢;

(3)在油层厚度相差不多的情况下,水垫层越薄,油罐燃烧越容易发生沸溢;

(4)在没有发生沸溢时,油罐燃烧产生的火焰有比较清晰的结构和分层现象,而且温度较高;发生沸溢时,油罐燃烧产生的火焰已经没有清晰的结构和分层现象,且温度比没有发生沸溢时略低,与油罐中心处热电偶测得的温度分布类似。

摘要:采用两种不同内径的油罐,开展了4组小尺寸的油罐燃烧模拟实验。研究了不同油罐直径、油罐高度、水垫层厚度、油层厚度下油罐火灾的燃烧特性以及周围热辐射通量的分布规律,分析了这些因素对燃烧过程及沸溢现象的影响,认为油层越厚,水垫层越薄,越容易发生沸溢;没有发生沸溢时,油罐燃烧产生的火焰结构比较清晰,且温度较高,发生沸溢时,油罐燃烧产生的火焰没有清晰的结构,且温度略低。

关键词:油罐火灾,沸溢,小尺寸实验,热辐射通量

参考文献

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[2]李思成,杜玉龙,张学魁,等.油罐火灾的统计分析[J].消防科学与技术,2004,23(2):117-121.

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[4]刘万福,薛岗,赵大林.油罐在火灾辐射热流场中安全性能实验研究[C].2003工程热物理学会传热传质学会议论文集,北京,2003.

全尺寸实验 篇7

近日,中国科大中科院材料力学行为和设计重点实验室研究团队与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授研究团队合作,在石墨烯纳米通道水输运方面取得重要研究进展,实验制备出最小尺寸的纳米通道,为新型纳米流体器件的设计和开发提供了重要参考。

纳米尺度下的物质输运一直是当今实验和理论研究的焦点之一,尤其是当通道尺寸小至分子级别时,通道的表面性质及石墨烯与水之间的固液界面相互作用会对物质输运起决定性作用。研究结果表明,在该纳米通道中,水以一种近似无摩擦的状态高速运动,但该通道中的流动细节和机理用目前的实验手段难以表征和分析。

中国科大研究团队采用理论分析和分子模拟方法,研究了纳米通道中的水传输机理,发现分子尺度下固液界面作用将增大水传输的驱动力,从而大大提高了水的输运效率,使得纳米尺度下的流体输运表现出跟宏观尺度截然不同的尺寸效应。该研究揭示了固液界面相互作用对纳米流动行为具有决定性影响。

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