墻壁與頂棚限制下的火羽流及火焰擴(kuò)散燃燒特性：多維度解析與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義火災(zāi)，作為一種極具破壞力的災(zāi)害，始終是威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重大隱患。僅在2023年，我國(guó)消防救援隊(duì)伍就接報(bào)火災(zāi)達(dá)74.7萬起，造成4347人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失更是高達(dá)157.5億元。這些冰冷的數(shù)據(jù)背后，是無數(shù)家庭的破碎和難以估量的社會(huì)財(cái)富損失。火災(zāi)不僅會(huì)在瞬間吞噬人們的生命和家園，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期的負(fù)面影響，如森林火災(zāi)會(huì)破壞生態(tài)平衡，導(dǎo)致水土流失、生物多樣性減少等問題。在火災(zāi)的發(fā)展過程中，火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒特性起著關(guān)鍵作用?；鹩鹆魇腔馂?zāi)中熾熱氣體和燃燒產(chǎn)物形成的上升氣流，它攜帶大量的熱量和有害物質(zhì)，是火災(zāi)蔓延和危害擴(kuò)大的重要因素。而火焰的擴(kuò)散燃燒則決定了火災(zāi)的發(fā)展速度和范圍。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在室內(nèi)等受限空間時(shí)，墻壁與頂棚的存在會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生顯著的限制作用。這種限制作用改變了火羽流和火焰的流動(dòng)形態(tài)、熱量傳遞方式以及燃燒速率，使得火災(zāi)的發(fā)展過程變得更加復(fù)雜。研究墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性，對(duì)于火災(zāi)預(yù)防與控制具有至關(guān)重要的意義。通過深入了解這些特性，我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)，為火災(zāi)防控提供科學(xué)依據(jù)。例如，在建筑設(shè)計(jì)階段，根據(jù)火羽流和火焰在受限空間內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，合理設(shè)計(jì)建筑的布局、通風(fēng)系統(tǒng)和防火分區(qū)，能夠有效降低火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和蔓延的速度。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防人員可以根據(jù)這些特性制定更有效的滅火和救援策略，提高滅火效率，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。從建筑安全設(shè)計(jì)的角度來看，這一研究也具有不可忽視的價(jià)值。隨著城市化進(jìn)程的加速，各類建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，建筑的功能和結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜。在這些建筑中，一旦發(fā)生火災(zāi)，受限空間內(nèi)的火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果。因此，將墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性的研究成果應(yīng)用于建筑安全設(shè)計(jì)中，能夠提高建筑的防火性能，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為人們提供更安全的居住和工作環(huán)境。在火災(zāi)研究領(lǐng)域，盡管已經(jīng)取得了一定的成果，但對(duì)于墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性的研究仍存在許多空白和不足。不同的建筑結(jié)構(gòu)和材料會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生不同的影響，目前對(duì)于這些影響因素的綜合研究還不夠深入。此外，現(xiàn)有的研究方法和模型在模擬復(fù)雜受限空間內(nèi)的火災(zāi)情況時(shí)，還存在一定的局限性。因此，深入開展這方面的研究，不僅有助于填補(bǔ)學(xué)術(shù)空白，推動(dòng)火災(zāi)科學(xué)的發(fā)展，還能為實(shí)際工程應(yīng)用提供更可靠的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域，墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性的研究一直是重要的課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多個(gè)角度展開了深入探索。在實(shí)驗(yàn)研究方面，許多學(xué)者通過搭建不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)受限空間內(nèi)的火羽流和火焰行為進(jìn)行了細(xì)致觀察和測(cè)量。例如，胡隆華研究員和方俊副研究員團(tuán)隊(duì)聚焦池火擴(kuò)散燃燒與火災(zāi)動(dòng)力學(xué)行為，針對(duì)燃燒速率與熱反饋機(jī)制、卷吸行為與火焰形貌特征參數(shù)、碳煙生成與火焰輻射的關(guān)鍵科學(xué)問題，開展了系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究，揭示了環(huán)境風(fēng)、低壓等環(huán)境條件下池火熱反饋主控機(jī)制轉(zhuǎn)變、尺度效應(yīng)以及燃燒速率的非線性演化規(guī)律，量化表征了側(cè)墻、頂棚等受限邊界和開放空間條件下湍流擴(kuò)散池火的卷吸差異機(jī)制。鐘委等人通過全尺寸試驗(yàn)研究不同工作壓力對(duì)射流火焰蔓延形態(tài)、霧幕隔熱效果及煙氣沉降的影響，發(fā)現(xiàn)隨著工作壓力的增加，霧滴的動(dòng)量隨之增大，霧幕對(duì)射流火焰的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，強(qiáng)化霧幕對(duì)射流火焰的阻擋效果，同時(shí)，霧幕的隔熱效率有明顯改善，但過大的工作壓力會(huì)造成煙氣層的沉降。數(shù)值模擬也是研究該領(lǐng)域的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)值模擬軟件如FDS（FireDynamicsSimulator）、CFD（ComputationalFluidDynamics）等被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)模擬。通過建立合理的數(shù)學(xué)模型，能夠模擬火羽流和火焰在受限空間內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和燃燒過程，預(yù)測(cè)火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)。一些研究利用FDS軟件對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)場(chǎng)景下的火羽流和火焰擴(kuò)散進(jìn)行模擬，分析了墻壁和頂棚對(duì)熱煙氣層厚度、溫度分布以及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。然而，?shù)值模擬的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取，對(duì)于復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)象，仍存在一定的不確定性。理論分析方面，學(xué)者們提出了一系列理論模型來描述火羽流和火焰在受限空間內(nèi)的行為。例如，阿爾伯特（Alpert）相關(guān)用于天花板處的無約束流動(dòng)，當(dāng)火災(zāi)距任一墻壁的距離至少為天花板高度的1.8倍時(shí)，可通過特定公式預(yù)測(cè)天花板氣流在轉(zhuǎn)折半徑之內(nèi)和之外的速率以及溫升。這些理論模型為理解火災(zāi)現(xiàn)象提供了重要的理論基礎(chǔ)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于火災(zāi)場(chǎng)景的復(fù)雜性，理論模型往往需要進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。盡管國(guó)內(nèi)外在墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究對(duì)于不同建筑材料和結(jié)構(gòu)對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的綜合影響研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論分析。在數(shù)值模擬中，如何更準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)中的復(fù)雜物理過程，如多相流、化學(xué)反應(yīng)等，仍是亟待解決的問題。此外，對(duì)于火災(zāi)早期階段火羽流和火焰的細(xì)微變化以及其對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響，研究還相對(duì)較少。這些問題都為未來的研究指明了方向，需要進(jìn)一步深入探討和解決。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)為深入探究墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性，本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析三種方法，從不同角度揭示其內(nèi)在規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)研究方面，將搭建一系列模擬受限空間火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過精確控制火源類型、功率以及受限空間的尺寸、形狀和材料等參數(shù)，模擬出多種典型的火災(zāi)場(chǎng)景。利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，如粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)和熱電偶溫度測(cè)量技術(shù)等，對(duì)火羽流和火焰的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及火焰的形態(tài)和傳播特性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過程中，將重點(diǎn)關(guān)注不同墻壁和頂棚條件下，火羽流和火焰在各個(gè)發(fā)展階段的變化規(guī)律，為后續(xù)的研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬是本研究的重要手段之一。將采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立三維的火災(zāi)模型。在模型中，充分考慮火羽流和火焰的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜物理過程，通過合理選擇湍流模型、燃燒模型和輻射模型，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。利用數(shù)值模擬可以對(duì)不同工況下的火災(zāi)進(jìn)行快速、高效的模擬分析，深入研究墻壁和頂棚對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒的影響機(jī)制，預(yù)測(cè)火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究在工況變化和參數(shù)調(diào)整方面的局限性。理論分析將基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)和燃燒學(xué)等基本理論，建立火羽流和火焰在受限空間內(nèi)的理論模型。通過對(duì)模型的求解和分析，揭示火羽流和火焰的流動(dòng)、傳熱和燃燒規(guī)律，推導(dǎo)相關(guān)的理論公式和參數(shù)關(guān)系。將理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善理論模型，提高理論分析的準(zhǔn)確性和可靠性。理論分析不僅有助于深入理解墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒的物理本質(zhì)，還能為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，將采用多參數(shù)協(xié)同控制的方法，系統(tǒng)研究不同墻壁和頂棚材料、結(jié)構(gòu)以及火源位置等因素對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性的綜合影響，克服以往研究中單一因素分析的局限性。在數(shù)值模擬方面，將開發(fā)考慮多物理場(chǎng)耦合作用的精細(xì)化模型，更準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)中的復(fù)雜物理過程，提高數(shù)值模擬的精度和可靠性。在理論推導(dǎo)方面，將結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，提出新的理論模型和分析方法，更加全面、深入地描述墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒特性，為火災(zāi)科學(xué)的發(fā)展提供新的理論支持。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1火羽流與火焰的基本概念2.1.1火羽流的定義與分類火羽流是火焰產(chǎn)生的由浮力作為主要驅(qū)動(dòng)力的上升熱氣柱，是伴隨燃燒的熱源形成的熱羽流。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，熱浮力驅(qū)使火源上方的熱氣流上升，同時(shí)誘導(dǎo)周邊冷空氣進(jìn)入，進(jìn)而形成火羽流。根據(jù)火源尺寸的大小，火羽流可能呈現(xiàn)層流或湍流流動(dòng)狀態(tài)。一般火災(zāi)中的火羽流多為浮力主導(dǎo)的湍流羽流，其燃燒形式為湍流擴(kuò)散燃燒，此時(shí)空氣和氣態(tài)燃料的湍流混合速率控制了整個(gè)燃燒過程；而僅在火源強(qiáng)度極其微弱時(shí)，火羽流才表現(xiàn)出層流特征?；鹩鹆髦械母邷貧怏w在浮力的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，由于開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性，在羽流邊緣會(huì)形成大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，這些渦旋不斷卷吸外部空氣進(jìn)入羽流內(nèi)部，使得火羽流的質(zhì)量、熱量和動(dòng)量不斷發(fā)生變化。研究表明，普通浮力燃燒的火焰高度與弗勞德數(shù)密切相關(guān)，羽流的半寬、速度、溫度和質(zhì)量通量是軸向位置、熱釋放速率及環(huán)境密度梯度的函數(shù)，火羽流中的混合物分?jǐn)?shù)是溫度及主要組分的函數(shù)。浮力燃燒中火焰的大尺度渦旋脈動(dòng)還會(huì)引起火羽流卷吸過程的波動(dòng)性，其脈動(dòng)頻率和火源尺寸的二分之一次方成正比。按照形態(tài)來劃分，火羽流可分為點(diǎn)源火羽流、線火羽流和面源火羽流。點(diǎn)源火羽流是指火源尺寸可以忽略不計(jì)的對(duì)稱軸火羽流，又被稱為理想羽流，通常在燃燒著的燃料上方形成擴(kuò)散火焰時(shí)出現(xiàn)，假定羽流沿豎直中心線有一條對(duì)稱軸；線火羽流由長(zhǎng)、窄的火焰形成，如森林地表火蔓延的火前鋒，熱煙氣上升時(shí)空氣卷吸主要發(fā)生在兩側(cè)；面源火羽流則是由面積不可忽略的有限面火源產(chǎn)生的火羽流。依據(jù)邊界是否受到限制，火羽流又可分為自由火羽流和受限火羽流。自由火羽流在蔓延過程及空氣卷吸方面不受任何障礙限制，能夠自由地向上運(yùn)動(dòng)并卷吸周圍空氣；而受限火羽流則受到周圍物理表面的限制，例如墻面火羽流及頂棚射流，當(dāng)火羽流撞擊到頂棚時(shí)，會(huì)發(fā)生水平偏移而形成頂棚射流，此時(shí)羽流卷吸的空氣量會(huì)降低，若火羽流一側(cè)為墻，空氣的卷吸面積也將減小。此外，通常將火羽流分為三個(gè)區(qū)域：連續(xù)火焰區(qū)，此區(qū)域伴隨持續(xù)燃燒；間歇火焰區(qū)，伴隨微弱燃燒，火焰時(shí)斷時(shí)續(xù)；浮力羽流區(qū)，該區(qū)域不發(fā)生燃燒。2.1.2火焰的傳播與擴(kuò)散機(jī)制火焰的傳播是指燃燒反應(yīng)在空間中的擴(kuò)展過程，其基本原理涉及熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種熱量傳遞方式。熱傳導(dǎo)是指火焰通過直接接觸將熱量傳遞給附近的可燃物，使可燃物分子獲得能量，溫度升高，當(dāng)達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)，可燃物開始燃燒，從而使火焰得以傳播。在固體可燃物中，熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的重要方式之一，例如木材著火時(shí)，火焰的熱量通過熱傳導(dǎo)逐漸深入木材內(nèi)部，使木材不斷分解出可燃?xì)怏w，維持燃燒的進(jìn)行。熱對(duì)流是指火焰通過熱空氣的上升運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)周圍的空氣流動(dòng)，從而將熱量傳遞給周圍的可燃物。在火災(zāi)中，熱對(duì)流起著至關(guān)重要的作用，尤其是在火災(zāi)初期，熱空氣從起火點(diǎn)向周圍擴(kuò)散，將熱量傳遞給附近的可燃物，促使火勢(shì)蔓延。熱對(duì)流還會(huì)影響火焰的形狀和高度，例如在通風(fēng)良好的環(huán)境中，熱對(duì)流作用較強(qiáng)，火焰會(huì)呈現(xiàn)出較高且細(xì)長(zhǎng)的形狀。熱輻射則是火焰通過輻射電磁波的方式將熱量傳遞給遠(yuǎn)處的可燃物，使遠(yuǎn)處的可燃物達(dá)到著火點(diǎn)并燃燒。熱輻射不需要介質(zhì)即可傳播，其傳播速度極快，在火災(zāi)中，熱輻射能夠在較大范圍內(nèi)傳播熱量，引燃周圍的可燃物，對(duì)火災(zāi)的蔓延起到重要的推動(dòng)作用。例如，在一場(chǎng)大型火災(zāi)中，火焰的熱輻射可以使距離較遠(yuǎn)的建筑物表面溫度升高，當(dāng)達(dá)到建筑物表面可燃物的著火點(diǎn)時(shí)，就會(huì)引發(fā)新的火災(zāi)。不同可燃物的火焰擴(kuò)散特點(diǎn)存在顯著差異。固體可燃物的燃燒通常發(fā)生在其表面受熱產(chǎn)生的蒸氣區(qū)中，固體受熱時(shí)，產(chǎn)生的可燃蒸氣或熱解產(chǎn)物釋放到大氣中，與空氣適當(dāng)?shù)鼗旌希舸嬖诤线m的引火源或溫度達(dá)到了其自燃點(diǎn)，那么它們才能被引燃。影響固體可燃物火焰擴(kuò)散的因素眾多，如可燃物的密度、比表面積和厚度等。密度大的物質(zhì)向外傳導(dǎo)的能量較快，而密度小的物質(zhì)有絕緣體的作用，能讓能量保持在表面，使得密度小的物質(zhì)更容易被點(diǎn)燃和維持燃燒；比表面積大的可燃物質(zhì)與氧氣的接觸面積大，更容易發(fā)生燃燒反應(yīng)，火焰擴(kuò)散速度也相對(duì)較快；薄材料比厚材料更容易燃燒，因?yàn)楸〔牧鲜軣嵘郎乜?，達(dá)到著火點(diǎn)所需的時(shí)間短，且燃燒時(shí)熱量更容易傳遞，使得火焰能夠迅速在薄材料上蔓延?？扇家后w的火焰擴(kuò)散與液體的揮發(fā)性密切相關(guān)。液體蒸氣欲形成可點(diǎn)燃的混合氣，液體應(yīng)當(dāng)處在或高于它的閃點(diǎn)溫度條件下。大多數(shù)液體即使在稍低于其閃點(diǎn)時(shí)，但由于引火源能夠產(chǎn)生一個(gè)局部加熱區(qū)，也可以引燃。霧化的液體或霧滴具有大比表面積，與空氣的接觸更加充分，更容易被引燃，且火焰在霧化液體中的擴(kuò)散速度較快。可燃?xì)怏w的火焰擴(kuò)散速度則與氣體的種類、濃度、壓力以及混合程度等因素有關(guān)。在石油化工企業(yè)生產(chǎn)中，會(huì)產(chǎn)生各種可燃?xì)怏w，或使用可燃?xì)怏w作原料，在日常生活中，也會(huì)使用液化石油氣、天然氣做燃料。這些氣體與空氣混合后遇合適的引火源，不但可以燃燒，甚至可能產(chǎn)生爆炸。當(dāng)可燃?xì)怏w與空氣混合達(dá)到一定比例時(shí)，形成的混合氣具有較高的燃燒活性，一旦遇到火源，火焰會(huì)迅速在混合氣中傳播，引發(fā)劇烈的燃燒反應(yīng)。2.2墻壁與頂棚對(duì)火羽流和火焰的限制作用原理當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在受限空間內(nèi)，墻壁與頂棚的存在會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生顯著的限制作用，改變其流動(dòng)形態(tài)、熱量傳遞方式以及燃燒速率，使火災(zāi)發(fā)展過程更為復(fù)雜。從火羽流的角度來看，墻壁和頂棚會(huì)改變火羽流的上升路徑。在自由空間中，火羽流通常會(huì)沿豎直方向向上運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出較為規(guī)則的軸對(duì)稱形態(tài)。然而，當(dāng)存在墻壁時(shí)，靠近墻壁一側(cè)的火羽流會(huì)受到墻壁的阻擋，導(dǎo)致其上升路徑發(fā)生偏移。這是因?yàn)閴Ρ谙拗屏嘶鹩鹆髟谠摲较蛏系目諝饩砦?，使得火羽流的?dòng)量分布發(fā)生變化，從而迫使火羽流向遠(yuǎn)離墻壁的方向彎曲。例如，在狹長(zhǎng)的走廊中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火羽流會(huì)沿著走廊的墻壁向上攀升，并在墻壁的引導(dǎo)下向走廊的兩端擴(kuò)散，而不是像在開闊空間中那樣垂直上升。頂棚對(duì)火羽流的影響同樣顯著。當(dāng)火羽流撞擊到頂棚時(shí)，由于頂棚的阻擋，火羽流無法繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，只能沿著頂棚水平擴(kuò)散，形成頂棚射流。在這個(gè)過程中，火羽流的上升速度會(huì)急劇降低，同時(shí)其水平速度會(huì)逐漸增大。這是因?yàn)榛鹩鹆鞯膭?dòng)能在撞擊頂棚時(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)化，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水平方向的動(dòng)能，使得火羽流在頂棚下形成了一個(gè)速度分布不均勻的射流層。研究表明，頂棚射流層的厚度一般較薄，通常在距離頂棚以下高度的5%-12%范圍內(nèi)，而在距離頂棚以下高度的1%處，頂棚射流層內(nèi)的溫度和速度達(dá)到最大值。墻壁和頂棚的存在還會(huì)改變火羽流的速度分布和溫度分布。在受限空間內(nèi)，由于空氣卷吸受到限制，火羽流的質(zhì)量流量和速度會(huì)發(fā)生變化。例如，當(dāng)火羽流一側(cè)靠近墻壁時(shí)，空氣卷吸面積減小，導(dǎo)致火羽流的質(zhì)量流量降低，速度也相應(yīng)減小。同時(shí)，墻壁和頂棚會(huì)吸收火羽流的部分熱量，使得火羽流的溫度分布變得不均勻。靠近墻壁和頂棚的區(qū)域，火羽流的溫度會(huì)相對(duì)較低，而在火羽流的中心區(qū)域，溫度則相對(duì)較高。這種溫度分布的差異會(huì)進(jìn)一步影響火羽流的流動(dòng)特性和燃燒過程。對(duì)于火焰而言，墻壁和頂棚的阻擋作用會(huì)改變火焰的傳播方向和形態(tài)。在自由空間中，火焰通常以球形或錐形向外擴(kuò)散。但在受限空間內(nèi)，墻壁會(huì)阻擋火焰在水平方向上的傳播，使得火焰只能沿著墻壁向上或向兩側(cè)蔓延。當(dāng)火焰遇到墻角時(shí)，會(huì)發(fā)生火焰的匯聚和增強(qiáng)現(xiàn)象，導(dǎo)致墻角處的火勢(shì)更加猛烈。這是因?yàn)閴翘幍幕鹧媸艿絻蓚?cè)墻壁的阻擋，熱量難以散失，從而使得火焰的溫度和燃燒強(qiáng)度增加。頂棚對(duì)火焰的阻擋會(huì)導(dǎo)致火焰在頂棚下形成貼壁燃燒的現(xiàn)象?；鹧嬖谧矒繇斉锖螅瑫?huì)沿著頂棚表面水平擴(kuò)展，形成一個(gè)薄的火焰層。在這個(gè)過程中，火焰的輻射熱量會(huì)對(duì)頂棚和周圍的可燃物產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射反饋，加速周圍可燃物的升溫、分解和燃燒，從而進(jìn)一步推動(dòng)火災(zāi)的發(fā)展。例如，在一個(gè)房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰在撞擊頂棚后，會(huì)沿著頂棚向四周蔓延，使得頂棚下的物品迅速被引燃，火勢(shì)迅速擴(kuò)大。墻壁和頂棚還會(huì)對(duì)火焰產(chǎn)生反射和熱輻射反饋?zhàn)饔谩；鹧娴臒彷椛溆龅綁Ρ诤晚斉锖螅瑫?huì)發(fā)生反射，使得部分熱量重新返回火焰區(qū)域，增加了火焰的能量輸入，促進(jìn)了火焰的燃燒。墻壁和頂棚在吸收火焰的熱量后，自身溫度升高，也會(huì)向周圍環(huán)境和火焰區(qū)域進(jìn)行熱輻射，進(jìn)一步加劇了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的熱環(huán)境，對(duì)火焰的擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生重要影響。這種熱輻射反饋?zhàn)饔迷诨馂?zāi)發(fā)展的后期尤為明顯，會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的規(guī)模迅速擴(kuò)大，難以控制。2.3相關(guān)理論模型介紹在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域，為了更深入地理解和預(yù)測(cè)火羽流和火焰的擴(kuò)散行為，學(xué)者們建立了多種理論模型，其中Heskestad羽流模型和Zukoski羽流模型是較為經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的模型。Heskestad羽流模型引入了虛點(diǎn)源Z_0的概念，同時(shí)取消了理想羽流模型中無輻射假定和Top-hat假定，充分考慮到大多數(shù)可燃物羽流中的輻射熱損失以及羽流的軸線流速u_0與軸線溫度T_0，使其較理想羽流更貼近火羽流的實(shí)際情況。在該模型中，火焰高度L的計(jì)算公式為L(zhǎng)=0.235\dot{Q}^{2/5}-1.02D，其中\(zhòng)dot{Q}為熱釋放速率，D為火源直徑。虛點(diǎn)源高度Z_0的表達(dá)式為Z_0=0.083\dot{Q}^{2/5}-1.02D。羽流半徑b可通過公式b=0.12(T_0-T_{\infty})^{1/2}(Z-Z_0)計(jì)算，其中T_{\infty}為環(huán)境溫度，Z為高度。軸線流速u_0和軸線溫度與環(huán)境溫度差\DeltaT的公式分別為u_0=1.0(\frac{\dot{Q}_c}{Z-Z_0})^{1/3}、\DeltaT=T_0-T_{\infty}=25(\frac{\dot{Q}_c^{2/5}}{z-z_0})^{5/3}，但這幾個(gè)公式僅適用于火焰平均高度以上的羽流區(qū)域，即Z>L時(shí)。在質(zhì)量流量\dot{m}_p的研究中，Heskestad模型進(jìn)行了Z<L和Z>L的分段研究，當(dāng)Z<L時(shí)，\dot{m}_p=0.0056\dot{Q}_cZ/L；當(dāng)Z>L時(shí)，\dot{m}_p=0.071\dot{Q}_c^{1/3}(Z-Z_0)^{5/3}+1.92??10^{-3}\dot{Q}_c。該模型的優(yōu)勢(shì)在于綜合考慮了多種實(shí)際因素，能夠較為準(zhǔn)確地描述火羽流在復(fù)雜情況下的特性，在火災(zāi)模擬和工程應(yīng)用中具有較高的參考價(jià)值。然而，其計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，需要準(zhǔn)確獲取多個(gè)參數(shù)，且在某些特殊情況下，如極端火源條件或復(fù)雜的受限空間環(huán)境中，模型的準(zhǔn)確性可能會(huì)受到一定影響。Zukoski羽流模型主要研究了羽流的質(zhì)量流量和高度的關(guān)系，適用于Z>L的情況，但在Z>L的情況下均有較好的近似性。其質(zhì)量流量\dot{m}_p的計(jì)算公式為\dot{m}_p=0.21(\frac{\rho_{\infty}}{\rho_{\infty}g})^{1/3}\dot{Q}^{1/3}Z^{5/3}=0.071\dot{Q}^{1/3}Z^{5/3}，該模型形式相對(duì)簡(jiǎn)潔，計(jì)算較為方便，在一些對(duì)計(jì)算精度要求不是特別高的初步分析和估算中具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，由于其假定條件較為理想化，未充分考慮輻射熱損失等實(shí)際因素，在實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中，尤其是對(duì)于輻射熱損失較大的情況，該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能存在較大偏差，應(yīng)用范圍受到一定限制。除了上述兩種模型，還有McCaffrey模型、Thomas模型等多種火羽流模型。McCaffrey模型通過利用甲烷燃燒器進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)火羽流的連續(xù)火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)、羽流區(qū)三個(gè)區(qū)域進(jìn)行了分段描述，得出不同區(qū)域的軸線流速u_0與軸線溫度T_0表達(dá)式，能較好地反映火羽流在不同區(qū)域的特性，但該模型是基于特定實(shí)驗(yàn)條件得出的，在應(yīng)用到其他場(chǎng)景時(shí)可能需要進(jìn)行修正。Thomas模型則研究了大面積火源質(zhì)量流量\dot{m}_p，在L<D時(shí)，火焰平均高度以下，燃燒速率幾乎不與火焰釋熱速率\dot{Q}有關(guān)，僅與燃料直徑D、周長(zhǎng)P、高度Z有關(guān)，其公式為\dot{m}_p=0.188P??Z^{3/2}，適用于L<D，Z<L的情況，對(duì)研究大面積火源的火災(zāi)場(chǎng)景具有重要意義，但對(duì)于其他火源條件的適用性較差。這些模型各自具有其特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際研究和工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的火災(zāi)場(chǎng)景和需求，合理選擇和應(yīng)用相應(yīng)的模型，以準(zhǔn)確描述火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒特性。三、實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置搭建3.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案制定本實(shí)驗(yàn)旨在深入研究不同條件下墻壁與頂棚限制對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響，通過系統(tǒng)地改變實(shí)驗(yàn)變量，全面揭示其內(nèi)在規(guī)律，為火災(zāi)預(yù)防與控制提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們精心制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)變量的選擇上，充分考慮了多種可能影響火羽流和火焰擴(kuò)散的因素?；鹪垂β首鳛橐粋€(gè)關(guān)鍵變量，將設(shè)置多個(gè)不同的水平，以模擬不同規(guī)模的火災(zāi)場(chǎng)景。例如，選擇50kW、100kW、150kW等不同功率的火源，以探究火源強(qiáng)度對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響。墻壁與頂棚的材料也是重要的實(shí)驗(yàn)變量，將分別選用石膏板、鋼板、木質(zhì)板材等常見的建筑材料。不同材料具有不同的熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱輻射率等，這些性質(zhì)會(huì)顯著影響火羽流和火焰與墻壁和頂棚之間的熱量傳遞和相互作用。通過對(duì)比不同材料條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以深入了解材料特性對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響機(jī)制。墻壁與頂棚的間距同樣是不可忽視的變量。設(shè)置不同的間距，如0.5m、1.0m、1.5m等，能夠研究受限空間大小對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的限制作用。較小的間距會(huì)增強(qiáng)墻壁和頂棚對(duì)火羽流和火焰的約束，導(dǎo)致空氣卷吸受限，熱量積聚，從而影響火羽流的速度、溫度分布以及火焰的傳播形態(tài)和燃燒速率。在測(cè)試指標(biāo)方面，我們采用了多種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，以全面獲取火羽流和火焰的相關(guān)特性參數(shù)。利用高精度熱電偶測(cè)量火羽流和火焰的溫度分布，通過在不同位置布置熱電偶，能夠準(zhǔn)確測(cè)量火羽流和火焰在不同高度和水平方向上的溫度變化，為研究熱量傳遞和燃燒過程提供重要的數(shù)據(jù)支持。熱流計(jì)則用于測(cè)量熱輻射強(qiáng)度，通過測(cè)量墻壁和頂棚表面以及周圍空間的熱輻射強(qiáng)度，分析熱輻射在火羽流和火焰擴(kuò)散過程中的作用，了解熱輻射對(duì)周圍可燃物的引燃和火災(zāi)蔓延的影響。高速攝像機(jī)的應(yīng)用則能夠直觀地記錄火焰的傳播過程和形態(tài)變化。通過高速攝像技術(shù)，可以捕捉到火焰在不同時(shí)刻的形狀、大小、傳播速度以及火焰與墻壁和頂棚的相互作用細(xì)節(jié)。結(jié)合圖像處理技術(shù)，對(duì)拍攝的視頻進(jìn)行分析，能夠提取火焰的前沿位置、火焰高度、火焰面積等參數(shù)，從而定量地研究火焰的擴(kuò)散特性。實(shí)驗(yàn)方案還充分考慮了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和可靠性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況將重復(fù)進(jìn)行多次，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的各種測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，以便后續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和處理。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和全面的測(cè)試指標(biāo)選擇，本實(shí)驗(yàn)將為深入研究墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。3.1.2實(shí)驗(yàn)裝置的選擇與搭建為了準(zhǔn)確模擬墻壁與頂棚限制下的火災(zāi)場(chǎng)景，本實(shí)驗(yàn)搭建了一套專門的燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由燃燒腔室、墻壁與頂棚模擬組件、火源系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等部分組成。燃燒腔室是實(shí)驗(yàn)的核心部分，采用不銹鋼材質(zhì)制作，具有良好的耐高溫和耐腐蝕性能。腔室的尺寸為長(zhǎng)3m、寬2m、高2.5m，這樣的尺寸既能保證實(shí)驗(yàn)的可操作性，又能較好地模擬實(shí)際建筑中的受限空間。腔室的內(nèi)壁經(jīng)過特殊處理，以減少熱量損失和反射，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。墻壁與頂棚模擬組件可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活更換不同的材料和調(diào)整間距。墻壁和頂棚分別由框架和板材組成，框架采用鋁合金材質(zhì)，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，便于安裝和拆卸。板材則選用石膏板、鋼板、木質(zhì)板材等常見的建筑材料，通過螺栓固定在框架上。通過調(diào)整框架之間的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)墻壁與頂棚間距的精確控制，滿足不同實(shí)驗(yàn)工況的要求?；鹪聪到y(tǒng)采用丙烷氣體燃燒器作為火源，能夠穩(wěn)定地提供不同功率的火源。燃燒器安裝在燃燒腔室的底部中心位置，通過調(diào)節(jié)丙烷氣體的流量和壓力來控制火源功率。為了確?；鹪吹姆€(wěn)定性和均勻性，燃燒器配備了專門的氣體混合裝置和點(diǎn)火系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可靠的點(diǎn)火和穩(wěn)定的燃燒。測(cè)量系統(tǒng)是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分，主要包括熱電偶、熱流計(jì)、高速攝像機(jī)等測(cè)量?jī)x器。熱電偶選用K型熱電偶，具有精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量火羽流和火焰的溫度分布。在燃燒腔室內(nèi)，沿不同高度和水平方向布置了多個(gè)熱電偶，以全面測(cè)量火羽流和火焰在空間中的溫度變化。熱流計(jì)采用板式熱流計(jì)，能夠測(cè)量熱輻射強(qiáng)度。在墻壁和頂棚表面以及周圍空間布置了多個(gè)熱流計(jì)，用于測(cè)量不同位置的熱輻射強(qiáng)度，分析熱輻射在火羽流和火焰擴(kuò)散過程中的作用。高速攝像機(jī)選用幀率為1000fps的工業(yè)級(jí)高速攝像機(jī)，能夠清晰地記錄火焰的傳播過程和形態(tài)變化。攝像機(jī)安裝在燃燒腔室的側(cè)面，通過調(diào)整攝像機(jī)的角度和位置，確保能夠拍攝到火焰的全貌。為了保證拍攝效果，攝像機(jī)配備了專門的照明設(shè)備和防護(hù)裝置，能夠在高溫、煙霧等惡劣環(huán)境下正常工作。在搭建實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝和調(diào)試。確保各個(gè)組件之間的連接緊密、牢固，避免出現(xiàn)漏氣、漏水等問題。對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行全面的檢查和測(cè)試，確保實(shí)驗(yàn)裝置能夠正常運(yùn)行，為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供保障。3.1.3實(shí)驗(yàn)材料與工況設(shè)置在本次實(shí)驗(yàn)中，為了全面研究墻壁與頂棚限制對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒特性的影響，精心選擇了多種實(shí)驗(yàn)材料，并設(shè)置了豐富多樣的實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)選用的可燃物為常見的正庚烷，它是一種典型的液體燃料，具有穩(wěn)定的燃燒特性，在火災(zāi)研究中被廣泛應(yīng)用。正庚烷被放置在直徑為0.3m的圓形油盤中，這種尺寸的油盤能夠提供較為穩(wěn)定的火源，且便于控制和測(cè)量火源的功率。墻壁與頂棚的材料選擇了具有代表性的石膏板、鋼板和木質(zhì)板材。石膏板具有良好的隔熱性能和防火性能，是建筑中常用的內(nèi)隔墻和吊頂材料；鋼板具有高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性能，常用于工業(yè)建筑和一些對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)所；木質(zhì)板材則是常見的易燃建筑材料，其燃燒特性與其他兩種材料有明顯差異。通過選擇這三種材料，能夠研究不同熱物理性質(zhì)的材料對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響。在工況設(shè)置方面，火源功率設(shè)置了50kW、100kW和150kW三個(gè)水平。較低的火源功率（50kW）可以模擬火災(zāi)初期較小規(guī)模的火源，此時(shí)火羽流和火焰的能量相對(duì)較弱，受墻壁與頂棚的限制作用可能表現(xiàn)得較為明顯；中等火源功率（100kW）代表了一般火災(zāi)場(chǎng)景中的火源強(qiáng)度，能夠研究在常見火災(zāi)情況下，墻壁與頂棚限制對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響；較高的火源功率（150kW）則用于模擬較大規(guī)模的火災(zāi)，此時(shí)火羽流和火焰的能量較強(qiáng)，可能會(huì)對(duì)墻壁與頂棚產(chǎn)生更大的熱沖擊，研究其在這種情況下的擴(kuò)散特性對(duì)于火災(zāi)防控具有重要意義。墻壁與頂棚的間距設(shè)置為0.5m、1.0m和1.5m。較小的間距（0.5m）會(huì)使火羽流和火焰受到更強(qiáng)的限制，空氣卷吸困難，熱量積聚，可能導(dǎo)致火羽流的溫度升高、速度變化以及火焰的傳播形態(tài)發(fā)生改變；較大的間距（1.5m）則相對(duì)減弱了限制作用，火羽流和火焰有更多的空間進(jìn)行擴(kuò)散，研究不同間距下的變化規(guī)律可以深入了解受限空間大小對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響。通過這樣的實(shí)驗(yàn)材料選擇和工況設(shè)置，能夠全面、系統(tǒng)地研究不同條件下墻壁與頂棚限制對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)論推導(dǎo)提供豐富的數(shù)據(jù)支持。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1火羽流形態(tài)與溫度分布通過高速攝像機(jī)記錄的圖像，我們清晰地觀察到了不同工況下火羽流形態(tài)的顯著變化。在火源功率為50kW，墻壁與頂棚間距為1.5m的工況下，火羽流初期呈現(xiàn)出較為規(guī)則的軸對(duì)稱形態(tài)，火焰高度相對(duì)較低，羽流寬度較窄。隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，火羽流逐漸發(fā)展壯大，羽流邊緣出現(xiàn)明顯的渦旋結(jié)構(gòu)，這是由于熱浮力驅(qū)動(dòng)下的火羽流與周圍冷空氣相互作用產(chǎn)生的開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性所致。當(dāng)火源功率增大到150kW時(shí)，火羽流的形態(tài)發(fā)生了更為明顯的變化?；鹧娓叨却蠓黾樱鹆鲗挾纫诧@著拓寬，火羽流的上升速度明顯加快。在靠近頂棚的區(qū)域，火羽流受到頂棚的阻擋，形成了明顯的頂棚射流，射流沿著頂棚向四周擴(kuò)散，使得頂棚下方的溫度迅速升高。墻壁與頂棚間距的變化對(duì)火羽流形態(tài)也有重要影響。當(dāng)間距減小到0.5m時(shí)，火羽流受到的限制作用增強(qiáng)，空氣卷吸困難，火羽流的上升路徑受到明顯的阻礙，羽流形態(tài)變得扭曲，火焰高度降低，但羽流溫度明顯升高。這是因?yàn)槭芟蘅臻g減小導(dǎo)致熱量積聚，使得火羽流的能量更加集中。熱電偶測(cè)量得到的溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示了火羽流溫度的變化規(guī)律。在火源上方，溫度隨著高度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在火焰根部，溫度相對(duì)較低，隨著高度上升，進(jìn)入連續(xù)火焰區(qū)，溫度迅速升高，達(dá)到峰值。在間歇火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)，溫度逐漸降低。這是因?yàn)樵谶B續(xù)火焰區(qū)，燃燒反應(yīng)劇烈，釋放出大量的熱量，使得溫度升高；而在間歇火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)，燃燒反應(yīng)逐漸減弱，熱量逐漸散失，導(dǎo)致溫度降低。不同工況下，火羽流溫度的峰值和分布范圍也有所不同。隨著火源功率的增大，火羽流溫度的峰值顯著升高，溫度分布范圍也更廣。在墻壁與頂棚間距較小的工況下，火羽流溫度在受限空間內(nèi)的分布更加不均勻，靠近墻壁和頂棚的區(qū)域溫度相對(duì)較低，而在火羽流中心區(qū)域溫度較高。這是由于墻壁和頂棚吸收了部分熱量，導(dǎo)致熱量分布不均。為了更直觀地展示火羽流溫度分布隨時(shí)間的變化，我們繪制了不同高度處溫度隨時(shí)間的變化曲線。在火源功率為100kW，墻壁與頂棚間距為1.0m的工況下，在距離火源較近的高度（如0.5m處），溫度在點(diǎn)火后迅速上升，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，隨后隨著燃燒的進(jìn)行，由于可燃物的逐漸消耗和熱量的散失，溫度逐漸降低。而在距離火源較遠(yuǎn)的高度（如2.0m處），溫度上升相對(duì)緩慢，達(dá)到峰值的時(shí)間也較晚，這是因?yàn)闊崃總鬟f需要一定的時(shí)間。3.2.2火焰擴(kuò)散特性通過對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行分析，我們深入研究了火焰在墻壁與頂棚限制下的擴(kuò)散特性。在實(shí)驗(yàn)中，清晰地觀察到火焰在水平和垂直方向上的擴(kuò)散速度和方向受到多種因素的顯著影響。在水平方向上，當(dāng)火源靠近墻壁時(shí)，火焰首先沿著墻壁表面迅速蔓延。這是因?yàn)閴Ρ跒榛鹧嫣峁┝艘粋€(gè)熱邊界，使得火焰能夠在墻壁表面找到更多的可燃物質(zhì)，從而加速了火焰的傳播。隨著火焰的蔓延，墻壁對(duì)火焰的阻擋作用逐漸顯現(xiàn)，火焰在墻壁的約束下，向遠(yuǎn)離墻壁的方向擴(kuò)散，形成一個(gè)彎曲的火焰前沿。在墻角處，由于火焰受到兩側(cè)墻壁的阻擋，熱量難以散失，火焰發(fā)生匯聚和增強(qiáng)現(xiàn)象，導(dǎo)致墻角處的火焰強(qiáng)度明顯高于其他位置，火勢(shì)更加猛烈。在垂直方向上，火焰在上升過程中受到頂棚的阻擋。當(dāng)火焰撞擊到頂棚時(shí)，會(huì)沿著頂棚表面水平擴(kuò)散，形成貼壁燃燒的現(xiàn)象。火焰在頂棚下的擴(kuò)散速度與火源功率、墻壁與頂棚間距等因素密切相關(guān)?；鹪垂β试酱螅鹧娴哪芰吭綇?qiáng)，在頂棚下的擴(kuò)散速度越快；墻壁與頂棚間距越小，火焰受到的限制作用越強(qiáng)，擴(kuò)散速度相對(duì)較慢。通過圖像處理技術(shù)，對(duì)火焰的擴(kuò)散范圍進(jìn)行了定量分析。在不同工況下，火焰的擴(kuò)散范圍呈現(xiàn)出明顯的差異。隨著火源功率的增大，火焰的擴(kuò)散范圍顯著擴(kuò)大。在火源功率為50kW時(shí)，火焰在水平方向上的擴(kuò)散范圍相對(duì)較小，主要集中在火源周圍一定區(qū)域內(nèi)；而當(dāng)火源功率增大到150kW時(shí)，火焰在水平方向上的擴(kuò)散范圍明顯增大，能夠覆蓋更大的面積。墻壁與頂棚間距對(duì)火焰擴(kuò)散范圍的影響也較為明顯。間距較大時(shí)，火焰有更多的空間進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍相對(duì)較大；間距較小時(shí)，火焰受到的限制作用增強(qiáng)，擴(kuò)散范圍受到一定程度的抑制。影響火焰擴(kuò)散的因素眾多，除了火源功率和墻壁與頂棚間距外，可燃物的種類和分布也對(duì)火焰擴(kuò)散起著重要作用。在本實(shí)驗(yàn)中，使用正庚烷作為可燃物，其揮發(fā)性和燃燒特性對(duì)火焰的擴(kuò)散速度和范圍產(chǎn)生了影響。正庚烷具有較高的揮發(fā)性，能夠迅速形成可燃蒸氣，為火焰的傳播提供了充足的燃料，使得火焰能夠快速擴(kuò)散?？扇嘉锏姆植疾痪鶆蛞矔?huì)導(dǎo)致火焰在傳播過程中出現(xiàn)局部增強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象。3.2.3熱輻射與煙氣傳播在實(shí)驗(yàn)過程中，通過熱流計(jì)對(duì)熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行了精確測(cè)量，結(jié)果顯示熱輻射強(qiáng)度在空間的分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。在火源附近，熱輻射強(qiáng)度極高，隨著距離火源的增加，熱輻射強(qiáng)度迅速衰減。這是因?yàn)闊彷椛涞膫鞑プ裱椒椒幢榷桑嚯x輻射源越遠(yuǎn)，單位面積上接收到的輻射能量越少。在垂直方向上，熱輻射強(qiáng)度在頂棚附近較高，這是由于火焰在上升過程中，熱輻射不斷向頂棚傳遞，且頂棚對(duì)熱輻射具有一定的反射作用，使得頂棚附近的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。在墻壁表面，熱輻射強(qiáng)度也相對(duì)較高，尤其是在火源靠近墻壁的一側(cè)，墻壁受到火焰的直接熱輻射作用，溫度升高，進(jìn)而向周圍環(huán)境輻射熱量。通過對(duì)煙氣傳播路徑的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)煙氣在受限空間內(nèi)的傳播受到多種因素的影響。在火災(zāi)初期，熱煙氣在浮力的作用下迅速上升，形成火羽流。隨著火羽流的上升，煙氣不斷向周圍空間擴(kuò)散。當(dāng)煙氣遇到頂棚時(shí)，會(huì)沿著頂棚水平傳播，形成頂棚射流。在頂棚射流的作用下，煙氣逐漸向房間的四周蔓延，導(dǎo)致整個(gè)房間內(nèi)的煙氣濃度逐漸升高。墻壁對(duì)煙氣的傳播起到了阻擋和引導(dǎo)的作用。當(dāng)煙氣遇到墻壁時(shí)，會(huì)沿著墻壁表面流動(dòng)，部分煙氣會(huì)在墻角處積聚，使得墻角處的煙氣濃度相對(duì)較高。在房間的通風(fēng)口處，煙氣會(huì)在壓差的作用下排出室外，但如果通風(fēng)不暢，煙氣會(huì)在房間內(nèi)積聚，增加火災(zāi)的危險(xiǎn)性。使用煙氣分析儀對(duì)不同位置的煙氣濃度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明煙氣濃度在空間的分布不均勻。在火源附近和頂棚射流區(qū)域，煙氣濃度較高，這是因?yàn)檫@些區(qū)域是煙氣產(chǎn)生和聚集的主要場(chǎng)所。隨著距離火源和頂棚射流區(qū)域的增加，煙氣濃度逐漸降低。在房間的角落和遠(yuǎn)離火源的區(qū)域，煙氣濃度相對(duì)較低，但仍然可能對(duì)人員的安全造成威脅。煙氣濃度隨時(shí)間的變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在火災(zāi)初期，煙氣濃度迅速上升，隨著燃燒的進(jìn)行，煙氣濃度逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)火災(zāi)進(jìn)入衰減階段，煙氣濃度會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)樵诨馂?zāi)初期，可燃物燃燒劇烈，產(chǎn)生大量的煙氣；隨著可燃物的逐漸消耗，燃燒強(qiáng)度減弱，煙氣產(chǎn)生量減少，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，煙氣濃度趨于穩(wěn)定；在火災(zāi)衰減階段，燃燒逐漸停止，煙氣產(chǎn)生量進(jìn)一步減少，導(dǎo)致煙氣濃度降低。四、數(shù)值模擬研究4.1數(shù)值模擬模型的建立4.1.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法介紹計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法在火災(zāi)模擬領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，它基于理論流體力學(xué)的基本方程，通過離散化的數(shù)值計(jì)算手段，對(duì)流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬。在火災(zāi)模擬中，CFD方法主要用于求解一系列控制方程，以描述火災(zāi)中流體的運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過程。CFD方法的核心是求解控制方程，其中包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程等。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒定律，其表達(dá)式為\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，該方程確保了在火災(zāi)模擬過程中，流體的質(zhì)量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)無故消失，在任何時(shí)刻，控制體內(nèi)的質(zhì)量變化等于通過控制體邊界流入和流出的質(zhì)量差。動(dòng)量方程則是根據(jù)動(dòng)量守恒定律建立的，它描述了流體動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于作用在控制體積上的外力和內(nèi)力的總和。在火災(zāi)模擬中，外力主要包括重力、壓力梯度力，內(nèi)力則主要是粘性力，同時(shí)還需考慮由于燃燒產(chǎn)生的推力等因素。以笛卡爾坐標(biāo)系下的三維不可壓縮流體為例，動(dòng)量方程的一般形式為\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}，其中\(zhòng)rho為流體密度，\vec{v}為速度矢量，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度，\vec{F}為體積力。能量方程基于能量守恒定律，描述了流體能量隨時(shí)間的變化率等于能量的流入和流出，以及能量的產(chǎn)生和消耗。在火災(zāi)模擬中，能量的產(chǎn)生主要源于燃燒反應(yīng)，而能量的消耗則涵蓋了對(duì)流、輻射和對(duì)流換熱等過程。對(duì)于包含燃燒的能量方程，可表示為\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_h，其中c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導(dǎo)率，S_h為能量源項(xiàng)，主要包括燃燒放熱和其他熱源。在實(shí)際求解這些控制方程時(shí)，通常采用有限體積法、有限差分法或有限元法等數(shù)值方法。有限體積法是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，使每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周圍都有一個(gè)控制體積，通過對(duì)控制體積內(nèi)的物理量進(jìn)行積分，將控制方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程進(jìn)行求解，這種方法在CFD中應(yīng)用廣泛，具有守恒性好、計(jì)算效率較高的優(yōu)點(diǎn)。有限差分法則是將控制方程中的導(dǎo)數(shù)用差商近似表示，將連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，通過求解這些網(wǎng)格點(diǎn)上的差分方程來獲得物理量的數(shù)值解，該方法簡(jiǎn)單直觀，易于編程實(shí)現(xiàn)，但在處理復(fù)雜邊界條件時(shí)可能存在一定的局限性。有限元法是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，通過對(duì)每個(gè)單元內(nèi)的物理量進(jìn)行插值近似，將控制方程轉(zhuǎn)化為單元節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程進(jìn)行求解，該方法適用于處理復(fù)雜幾何形狀和邊界條件，但計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。在火災(zāi)模擬中，CFD方法還需要考慮湍流模型、燃燒模型和輻射模型等。湍流模型用于描述火災(zāi)中煙氣的湍流擴(kuò)散，常見的湍流模型有k-ε模型、k-ω模型等，這些模型通過引入湍動(dòng)能和湍流耗散率等參數(shù)，對(duì)湍流的影響進(jìn)行模擬。燃燒模型則用于描述燃燒反應(yīng)的過程，如渦耗散模型、概率密度函數(shù)模型等，不同的燃燒模型適用于不同的燃燒場(chǎng)景和燃料類型。輻射模型用于考慮火災(zāi)中的熱輻射傳遞，如離散坐標(biāo)法、P1近似法等，熱輻射在火災(zāi)中起著重要的作用，它能夠?qū)崃總鬟f到較遠(yuǎn)的區(qū)域，影響火災(zāi)的蔓延和發(fā)展。4.1.2模型的幾何建模與網(wǎng)格劃分在進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)，建立準(zhǔn)確的幾何模型是至關(guān)重要的第一步。本研究以實(shí)際建筑中的房間為原型，構(gòu)建了一個(gè)三維的火災(zāi)模擬區(qū)域。該區(qū)域的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)定為5m、4m、3m，房間內(nèi)設(shè)置了一個(gè)位于中心位置的火源，火源為直徑0.5m的圓形，模擬實(shí)際火災(zāi)中的小型火源。墻壁和頂棚分別采用了不同的材料，以研究其對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，使用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等，這些軟件具有強(qiáng)大的建模功能，能夠準(zhǔn)確地創(chuàng)建各種復(fù)雜的幾何形狀。通過精確的尺寸設(shè)定和位置調(diào)整，確保幾何模型與實(shí)際情況盡可能接近，為后續(xù)的模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響到計(jì)算的精度和效率。本研究采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，這種方法將計(jì)算區(qū)域劃分為規(guī)則的網(wǎng)格單元，具有網(wǎng)格質(zhì)量高、計(jì)算效率快的優(yōu)點(diǎn)。在網(wǎng)格劃分過程中，遵循以下策略：在火源附近和墻壁、頂棚等關(guān)鍵區(qū)域，采用較小的網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度。這是因?yàn)樵谶@些區(qū)域，火羽流和火焰的流動(dòng)、傳熱過程較為復(fù)雜，需要更精細(xì)的網(wǎng)格來捕捉其細(xì)節(jié)。而在遠(yuǎn)離火源和關(guān)鍵區(qū)域的地方，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。通過多次試驗(yàn)和對(duì)比分析，確定了在火源附近和墻壁、頂棚表面，網(wǎng)格尺寸為0.05m，能夠較好地捕捉火羽流和火焰與墻壁、頂棚的相互作用以及火源附近的劇烈變化。在其他區(qū)域，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1m，既能保證一定的計(jì)算精度，又能有效控制計(jì)算量。這樣的網(wǎng)格劃分策略在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高了計(jì)算效率，確保了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和評(píng)估。通過計(jì)算網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等參數(shù)，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值計(jì)算的要求?？v橫比反映了網(wǎng)格單元的形狀扭曲程度，雅克比行列式則用于判斷網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理。對(duì)于質(zhì)量較差的網(wǎng)格，進(jìn)行了局部加密或調(diào)整，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量，避免因網(wǎng)格質(zhì)量問題導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差或不穩(wěn)定。4.1.3邊界條件與初始條件設(shè)定在數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件和初始條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對(duì)于本研究的火災(zāi)模擬模型，邊界條件的設(shè)定如下：壁面條件方面，墻壁和頂棚表面采用無滑移邊界條件，即流體在壁面處的速度為零，這符合實(shí)際情況中流體與固體壁面之間的粘附作用。同時(shí)，考慮到壁面與流體之間的熱量傳遞，采用了壁面熱通量邊界條件，根據(jù)墻壁和頂棚的材料屬性，設(shè)定其導(dǎo)熱系數(shù)和熱輻射率，以準(zhǔn)確模擬壁面與火羽流、火焰之間的熱量交換過程。對(duì)于進(jìn)出口條件，若模擬區(qū)域存在通風(fēng)口或門窗等開口，將其設(shè)置為壓力出口邊界條件，即給定出口處的壓力為環(huán)境壓力，同時(shí)考慮通風(fēng)口的流量系數(shù)，以準(zhǔn)確模擬空氣的進(jìn)出和煙氣的排出。若模擬區(qū)域?yàn)榉忾]空間，則將所有邊界設(shè)置為封閉邊界，阻止物質(zhì)的進(jìn)出。初始條件的設(shè)定包括溫度、速度和物質(zhì)濃度等參數(shù)。在模擬開始時(shí)，設(shè)定環(huán)境溫度為298K，這是常溫環(huán)境下的典型溫度值。速度初始值設(shè)為零，因?yàn)樵诨馂?zāi)發(fā)生前，室內(nèi)空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于物質(zhì)濃度，假設(shè)初始時(shí)空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為0.21，這是正?？諝庵醒鯕獾暮?，其他燃燒產(chǎn)物和污染物的濃度均設(shè)為零，以模擬火災(zāi)發(fā)生前的初始狀態(tài)。對(duì)于火源，設(shè)定其熱釋放速率為100kW，這是一個(gè)中等規(guī)?；馂?zāi)的典型熱釋放速率值。同時(shí)，根據(jù)燃料的類型和燃燒特性，確定火源的燃燒產(chǎn)物成分和生成速率，以準(zhǔn)確模擬火源的燃燒過程和對(duì)周圍環(huán)境的影響。通過合理設(shè)定邊界條件和初始條件，能夠更真實(shí)地模擬火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的實(shí)際情況，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)，確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散燃燒的特性。4.2模擬結(jié)果與驗(yàn)證4.2.1模擬結(jié)果展示通過數(shù)值模擬，成功獲取了火羽流和火焰在受限空間內(nèi)的詳細(xì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布情況。在流場(chǎng)分布方面，模擬結(jié)果清晰地展示了火羽流的上升和擴(kuò)散過程。在火災(zāi)初期，火源產(chǎn)生的高溫氣體在浮力作用下迅速上升，形成明顯的火羽流。隨著高度的增加，火羽流的速度逐漸增大，在靠近頂棚時(shí)，由于頂棚的阻擋，火羽流發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，形成頂棚射流。頂棚射流沿著頂棚向四周擴(kuò)散，速度逐漸減小，在遠(yuǎn)離火源的區(qū)域，射流速度趨近于零。從速度矢量圖中可以直觀地看到，火羽流中心區(qū)域的速度較大，而邊緣區(qū)域的速度相對(duì)較小。這是因?yàn)樵诨鹩鹆髦行?，熱浮力作用較強(qiáng)，氣體上升速度快；而在邊緣區(qū)域，受到周圍冷空氣的卷吸和摩擦作用，速度受到抑制。在墻壁附近，由于墻壁的阻擋和摩擦力的作用，火羽流的速度也明顯降低，甚至出現(xiàn)局部的回流現(xiàn)象。溫度場(chǎng)分布結(jié)果表明，火源附近的溫度極高，隨著距離火源的增加，溫度逐漸降低。在火焰區(qū)域，溫度達(dá)到峰值，一般在1000K以上。在火羽流上升過程中，溫度逐漸降低，但仍然保持較高的水平。在頂棚射流區(qū)域，溫度也相對(duì)較高，這是因?yàn)闊釤煔庠陧斉锵路e聚，熱量難以散失。通過溫度云圖可以清晰地看到，高溫區(qū)域主要集中在火源上方和頂棚射流區(qū)域，形成一個(gè)類似蘑菇云的形狀。在墻壁表面，由于熱量的傳導(dǎo)和輻射，溫度也有所升高，但相對(duì)較低。在遠(yuǎn)離火源和墻壁的區(qū)域，溫度接近環(huán)境溫度。濃度場(chǎng)分布結(jié)果主要展示了氧氣、二氧化碳和一氧化碳等氣體的濃度變化。在火源附近，氧氣濃度急劇降低，而二氧化碳和一氧化碳濃度迅速升高。隨著距離火源的增加，氧氣濃度逐漸恢復(fù)，二氧化碳和一氧化碳濃度逐漸降低。在火災(zāi)發(fā)展過程中，這些氣體的濃度分布不斷變化，反映了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行和氣體的擴(kuò)散過程。為了更直觀地展示模擬結(jié)果，將模擬得到的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在流場(chǎng)方面，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察到的火羽流上升和擴(kuò)散形態(tài)基本一致，都呈現(xiàn)出明顯的火羽流和頂棚射流結(jié)構(gòu)。在溫度場(chǎng)方面，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度分布趨勢(shì)相符，高溫區(qū)域的位置和范圍也較為接近。在濃度場(chǎng)方面，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的氣體濃度變化趨勢(shì)一致，能夠較好地反映火災(zāi)中氣體的生成和擴(kuò)散過程。4.2.2模型驗(yàn)證與誤差分析通過將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，對(duì)數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了全面驗(yàn)證。在火羽流溫度對(duì)比中，選取了實(shí)驗(yàn)中不同高度處的溫度數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，在火源附近，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。然而，隨著高度的增加，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度之間出現(xiàn)了一定的偏差。在距離火源2m高度處，模擬溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度高出約5%。這可能是由于在數(shù)值模擬中，對(duì)火羽流與周圍環(huán)境的熱量交換過程考慮不夠全面，導(dǎo)致模擬溫度偏高。在火焰擴(kuò)散范圍的對(duì)比中，通過實(shí)驗(yàn)觀察到的火焰前沿位置與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，模擬得到的火焰擴(kuò)散范圍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，但在火焰邊緣的細(xì)節(jié)部分存在一定差異。實(shí)驗(yàn)中觀察到火焰邊緣存在一些不規(guī)則的波動(dòng)，而模擬結(jié)果相對(duì)較為平滑。這可能是由于數(shù)值模擬中對(duì)火焰的湍流特性模擬不夠準(zhǔn)確，無法完全捕捉到火焰邊緣的復(fù)雜波動(dòng)現(xiàn)象。分析可能存在的誤差來源，主要包括以下幾個(gè)方面：在模型假設(shè)方面，數(shù)值模擬中對(duì)一些物理過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化和假設(shè)，如對(duì)燃燒反應(yīng)的簡(jiǎn)化、對(duì)湍流模型的選擇等。這些假設(shè)可能與實(shí)際情況存在一定偏差，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果的誤差。在邊界條件設(shè)置方面，雖然盡量根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了設(shè)定，但在實(shí)際操作中，邊界條件的準(zhǔn)確測(cè)量和設(shè)定存在一定困難，可能會(huì)引入一定的誤差。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，實(shí)驗(yàn)儀器本身存在一定的測(cè)量誤差，同時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的微小變化也可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。針對(duì)這些誤差來源，提出以下改進(jìn)方向：在模型改進(jìn)方面，進(jìn)一步完善燃燒反應(yīng)模型，考慮更多的化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié)，提高對(duì)燃燒過程的模擬精度。優(yōu)化湍流模型，選擇更適合火災(zāi)場(chǎng)景的湍流模型，或者對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修正，以更準(zhǔn)確地模擬火羽流和火焰的湍流特性。在邊界條件優(yōu)化方面，加強(qiáng)對(duì)邊界條件的測(cè)量和控制，采用更精確的測(cè)量?jī)x器和方法，確保邊界條件的準(zhǔn)確性。同時(shí)，可以通過敏感性分析，研究邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，確定關(guān)鍵邊界條件的合理取值范圍。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)和測(cè)量點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，開展不同工況下的實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，為模型驗(yàn)證和改進(jìn)提供更豐富的數(shù)據(jù)支持。五、影響因素分析5.1火源特性的影響火源特性是影響火羽流和火焰在墻壁與頂棚限制下擴(kuò)散的關(guān)鍵因素之一，其涵蓋了火源功率、形狀和位置等多個(gè)方面，這些因素的變化會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出顯著差異。火源功率對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散有著至關(guān)重要的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)火源功率較低時(shí)，如50kW，火羽流的能量相對(duì)較弱，上升速度較慢，火焰高度也相對(duì)較低。此時(shí)，火羽流在上升過程中與周圍冷空氣的混合較為充分，卷吸的空氣量相對(duì)較多，使得火羽流的溫度分布較為均勻，火焰的擴(kuò)散范圍也相對(duì)較小。在數(shù)值模擬中，低功率火源條件下，火羽流的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布較為平緩，火焰主要集中在火源上方一定范圍內(nèi)，對(duì)墻壁和頂棚的熱沖擊較小。隨著火源功率的增大，如增加到150kW，火羽流的能量顯著增強(qiáng)，上升速度明顯加快，火焰高度大幅增加。這是因?yàn)楦吖β驶鹪瘁尫懦龈嗟臒崃?，使得火羽流的浮力增大，從而加速了其上升過程。在這個(gè)過程中，火羽流與周圍冷空氣的混合程度相對(duì)減弱，卷吸的空氣量相對(duì)減少，導(dǎo)致火羽流的溫度分布變得不均勻，中心區(qū)域溫度較高，邊緣區(qū)域溫度較低。火焰的擴(kuò)散范圍也顯著擴(kuò)大，對(duì)墻壁和頂棚的熱沖擊明顯增強(qiáng)，可能導(dǎo)致墻壁和頂棚的溫度迅速升高，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)損壞?；鹪葱螤畹牟煌矔?huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比圓形火源和長(zhǎng)方形火源，發(fā)現(xiàn)圓形火源產(chǎn)生的火羽流在上升過程中呈現(xiàn)出較為規(guī)則的軸對(duì)稱形態(tài)，火焰的擴(kuò)散也相對(duì)較為均勻；而長(zhǎng)方形火源產(chǎn)生的火羽流則在長(zhǎng)軸方向上的擴(kuò)散更為明顯，火焰的形狀也會(huì)隨著火源形狀的變化而發(fā)生改變。在數(shù)值模擬中，通過改變火源的幾何形狀，能夠清晰地觀察到火羽流和火焰的擴(kuò)散特性發(fā)生相應(yīng)的變化。這是因?yàn)榛鹪葱螤畹母淖儠?huì)影響火源周圍的空氣流動(dòng)和熱量分布，進(jìn)而影響火羽流和火焰的擴(kuò)散行為?；鹪次恢迷谑芟蘅臻g內(nèi)的變化同樣會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。當(dāng)火源靠近墻壁時(shí)，火羽流會(huì)受到墻壁的阻擋，導(dǎo)致其上升路徑發(fā)生偏移，空氣卷吸受到限制，使得火羽流的速度和溫度分布發(fā)生改變。在靠近墻壁的一側(cè)，火羽流的速度會(huì)降低，溫度會(huì)升高，火焰也會(huì)沿著墻壁表面蔓延，形成貼壁燃燒的現(xiàn)象。在墻角處，由于火源受到兩側(cè)墻壁的阻擋，熱量難以散失，火焰會(huì)發(fā)生匯聚和增強(qiáng)，導(dǎo)致墻角處的火勢(shì)更加猛烈。在數(shù)值模擬中，通過改變火源在受限空間內(nèi)的位置，能夠準(zhǔn)確地模擬出不同位置條件下火羽流和火焰的擴(kuò)散情況。當(dāng)火源位于房間中心時(shí)，火羽流和火焰的擴(kuò)散相對(duì)較為對(duì)稱；而當(dāng)火源靠近墻壁或墻角時(shí)，其擴(kuò)散特性會(huì)發(fā)生明顯的變化。這表明火源位置的變化會(huì)改變受限空間內(nèi)的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，從而影響火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒過程?；鹪垂β?、形狀和位置的變化會(huì)導(dǎo)致火羽流和火焰的能量、速度、溫度以及擴(kuò)散范圍等特性發(fā)生改變，進(jìn)而影響火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)。在實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中，準(zhǔn)確了解火源特性對(duì)火羽流和火焰擴(kuò)散的影響，對(duì)于火災(zāi)的預(yù)防和控制具有重要的指導(dǎo)意義。5.2墻壁與頂棚材料及結(jié)構(gòu)的影響墻壁與頂棚的材料及結(jié)構(gòu)特性對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒具有顯著影響，其熱物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式在火災(zāi)過程中扮演著關(guān)鍵角色，通過阻擋、隔熱和反射等作用機(jī)制，改變著火羽流和火焰的傳播特性。不同材料的熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量等，對(duì)火羽流和火焰的熱量傳遞有著重要影響。以石膏板為例，其導(dǎo)熱系數(shù)較低，一般在0.16-0.21W/(m?K)之間，熱容量較大，約為1.05-1.26kJ/(kg?K)。這使得石膏板具有良好的隔熱性能，能夠有效阻擋火羽流和火焰的熱量傳遞，減緩熱量向周圍環(huán)境的擴(kuò)散。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，石膏板能夠吸收部分熱量，降低自身溫度的上升速度，從而減少對(duì)周圍結(jié)構(gòu)和物品的熱輻射，抑制火災(zāi)的蔓延。相比之下，鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)較高，可達(dá)50-60W/(m?K)，熱容量相對(duì)較小，約為0.46kJ/(kg?K)。高導(dǎo)熱系數(shù)使得鋼板能夠迅速傳導(dǎo)熱量，在火災(zāi)中，鋼板表面溫度會(huì)迅速升高，并將熱量傳遞給周圍的結(jié)構(gòu)和物品，加劇火災(zāi)的發(fā)展。鋼板的熱輻射率也較高，會(huì)向周圍環(huán)境輻射大量熱量，進(jìn)一步促進(jìn)火焰的傳播和蔓延。木質(zhì)板材作為易燃材料，其導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量介于石膏板和鋼板之間，一般導(dǎo)熱系數(shù)在0.1-0.2W/(m?K)左右，熱容量約為1.76kJ/(kg?K)。木質(zhì)板材在火災(zāi)中容易被引燃，一旦著火，會(huì)迅速燃燒并釋放大量熱量，成為火災(zāi)的重要燃料源。木質(zhì)板材的燃燒還會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙和有害氣體，對(duì)人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。墻壁與頂棚的結(jié)構(gòu)形式，如平整度、粗糙度等，也會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。在平整度方面，光滑的表面能夠減少火羽流和火焰與壁面之間的摩擦力，使得火羽流和火焰能夠更順暢地傳播。在數(shù)值模擬中，當(dāng)墻壁和頂棚表面光滑時(shí)，火羽流的速度分布更加均勻，火焰的傳播也更加穩(wěn)定。而粗糙的表面則會(huì)增加摩擦力，導(dǎo)致火羽流和火焰的速度降低，傳播方向發(fā)生改變。在實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)墻壁表面粗糙時(shí)，火羽流在靠近墻壁處會(huì)出現(xiàn)明顯的渦流，火焰也會(huì)出現(xiàn)扭曲和不穩(wěn)定的現(xiàn)象。粗糙度還會(huì)影響火羽流和火焰與壁面之間的熱量傳遞。粗糙的表面增加了表面積，使得熱量傳遞更加充分。在火災(zāi)中，粗糙表面的墻壁和頂棚能夠更快地吸收火羽流和火焰的熱量，從而影響其溫度分布和擴(kuò)散特性。在熱輻射方面，粗糙度也會(huì)改變壁面對(duì)熱輻射的反射和吸收特性，進(jìn)而影響火災(zāi)的發(fā)展。墻壁與頂棚的材料及結(jié)構(gòu)特性通過其熱物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生多方面的影響。了解這些影響機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化建筑材料和結(jié)構(gòu)的選擇，提高建筑的防火性能具有重要意義。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)和火災(zāi)防控中，應(yīng)充分考慮墻壁與頂棚的材料及結(jié)構(gòu)特性，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)形式，以降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保障人員生命財(cái)產(chǎn)安全。5.3通風(fēng)條件的影響通風(fēng)條件作為影響墻壁與頂棚限制下火羽流和火焰擴(kuò)散的重要因素，其通風(fēng)口的大小、位置以及通風(fēng)速率對(duì)受限空間內(nèi)的空氣流動(dòng)、氧氣供應(yīng)和火羽流、火焰的擴(kuò)散有著顯著的影響。通風(fēng)口大小的變化會(huì)直接改變受限空間內(nèi)的通風(fēng)量和空氣流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)通風(fēng)口較小時(shí)，空氣的進(jìn)出受到限制，通風(fēng)量較小。在這種情況下，受限空間內(nèi)的氧氣供應(yīng)相對(duì)不足，燃燒過程受到抑制，火羽流的上升速度和火焰的擴(kuò)散速度都會(huì)減慢。在一個(gè)通風(fēng)口面積僅為0.1平方米的小型房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于通風(fēng)量小，氧氣供應(yīng)不充足，火羽流的高度明顯降低，火焰的蔓延范圍也較為有限，火勢(shì)發(fā)展相對(duì)緩慢。這是因?yàn)橥L(fēng)量小導(dǎo)致空氣卷吸困難，火羽流無法獲得足夠的氧氣來維持劇烈的燃燒反應(yīng)，從而限制了火焰的擴(kuò)散。隨著通風(fēng)口增大，通風(fēng)量增加，空氣流動(dòng)更加順暢，氧氣供應(yīng)充足。這使得燃燒反應(yīng)更加劇烈，火羽流的上升速度加快，火焰的擴(kuò)散范圍也隨之?dāng)U大。在通風(fēng)口面積增大到1平方米的情況下，大量新鮮空氣能夠迅速進(jìn)入受限空間，為燃燒提供充足的氧氣，火羽流的高度顯著增加，火焰能夠快速蔓延到更大的區(qū)域，火勢(shì)發(fā)展迅速。這是因?yàn)槌渥愕难鯕夤?yīng)促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，釋放出更多的熱量，使得火羽流和火焰的能量增強(qiáng)，從而加速了它們的擴(kuò)散。通風(fēng)口位置的不同也會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。當(dāng)通風(fēng)口位于火源附近時(shí)，新鮮空氣能夠直接進(jìn)入火源區(qū)域，為燃燒提供充足的氧氣，使得火焰更加旺盛，火羽流的上升速度加快。在數(shù)值模擬中，當(dāng)通風(fēng)口設(shè)置在火源正上方時(shí)，大量新鮮空氣垂直向下進(jìn)入火源區(qū)域，與可燃?xì)怏w充分混合，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，火焰高度明顯增加，火羽流的上升速度也顯著加快。這是因?yàn)橥L(fēng)口靠近火源，能夠迅速補(bǔ)充氧氣，增強(qiáng)燃燒反應(yīng)，從而影響火羽流和火焰的擴(kuò)散。通風(fēng)口位于遠(yuǎn)離火源的位置時(shí)，空氣流動(dòng)需要經(jīng)過較長(zhǎng)的路徑才能到達(dá)火源區(qū)域，這可能導(dǎo)致氧氣供應(yīng)不足，影響燃燒效果，使火焰的擴(kuò)散受到一定程度的抑制。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)通風(fēng)口設(shè)置在房間的角落，遠(yuǎn)離火源時(shí)，由于空氣流動(dòng)路徑長(zhǎng)，到達(dá)火源區(qū)域的氧氣量相對(duì)較少，火焰的擴(kuò)散速度減慢，火羽流的上升速度也有所降低。這是因?yàn)橥L(fēng)口遠(yuǎn)離火源，空氣在流動(dòng)過程中會(huì)受到墻壁和頂棚的阻擋和摩擦，能量損失較大，導(dǎo)致到達(dá)火源區(qū)域的氧氣量不足，從而影響了燃燒和火羽流、火焰的擴(kuò)散。通風(fēng)速率的變化同樣會(huì)對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生顯著影響。較高的通風(fēng)速率意味著單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入受限空間的空氣量增加，這會(huì)增強(qiáng)空氣與可燃?xì)怏w的混合，使燃燒更加充分，火羽流的上升速度和火焰的擴(kuò)散速度都會(huì)加快。在通風(fēng)速率為10立方米/秒的情況下，大量新鮮空氣快速進(jìn)入受限空間，與可燃?xì)怏w充分混合，燃燒反應(yīng)劇烈，火羽流的上升速度明顯加快，火焰的擴(kuò)散范圍也迅速擴(kuò)大。這是因?yàn)楦咄L(fēng)速率能夠迅速補(bǔ)充氧氣，促進(jìn)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，釋放出更多的熱量，從而加速了火羽流和火焰的擴(kuò)散。相反，較低的通風(fēng)速率會(huì)使空氣與可燃?xì)怏w的混合不充分，燃燒不充分，火羽流和火焰的擴(kuò)散速度也會(huì)相應(yīng)減慢。在通風(fēng)速率降低到1立方米/秒時(shí)，空氣進(jìn)入受限空間的速度較慢，與可燃?xì)怏w的混合不充分，燃燒反應(yīng)減弱，火羽流的上升速度和火焰的擴(kuò)散速度都明顯減慢。這是因?yàn)榈屯L(fēng)速率導(dǎo)致氧氣供應(yīng)不足，燃燒反應(yīng)不充分，釋放的熱量減少，從而限制了火羽流和火焰的擴(kuò)散。通風(fēng)條件中的通風(fēng)口大小、位置和通風(fēng)速率通過影響受限空間內(nèi)的空氣流動(dòng)和氧氣供應(yīng)，對(duì)火羽流和火焰的擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。了解這些影響機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)，控制火災(zāi)的發(fā)展具有重要意義。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)和火災(zāi)防控中，應(yīng)根據(jù)具體情況合理設(shè)置通風(fēng)口的大小、位置和通風(fēng)速率，以降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保障人員生命財(cái)產(chǎn)安全。六、實(shí)際應(yīng)用與案例分析6.1在建筑防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用本研究的成果在建筑防火設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛且重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)榻ㄖ阑鹪O(shè)計(jì)提供科學(xué)、全面的指導(dǎo)，有效提升建筑的防火安全性能。在確定防火間距方面，研究結(jié)果為其提供了關(guān)鍵依據(jù)。通過對(duì)火羽流和火焰在不同條件下的擴(kuò)散特性研究，明確了火源功率、墻壁與頂棚材料及結(jié)構(gòu)等因素對(duì)火災(zāi)蔓延范圍的影響。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中，可根據(jù)這些研究成果，結(jié)合建筑的使用功能和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，精確計(jì)算防火間距。對(duì)于高層住宅建筑，考慮到其人員密集、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)研究中關(guān)于高功率火源條件下火羽流和火焰擴(kuò)散范圍的數(shù)據(jù)，適當(dāng)增大防火間距，確保在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火焰和熱輻射不會(huì)輕易蔓延到相鄰建筑，從而減少火災(zāi)的連鎖反應(yīng)，保障居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在設(shè)置防火分隔方面，研究成果同樣具有重要指導(dǎo)意義。根據(jù)對(duì)火羽流和火焰在受限空間內(nèi)的傳播特性研究，能夠合理選擇防火分隔的位置和方式。在大型商業(yè)綜合體中，由于空間復(fù)雜、功能分區(qū)多樣，火災(zāi)發(fā)生時(shí)容易迅速蔓延。通過研究可知，在不同功能區(qū)域之間，如商場(chǎng)、餐廳、電影院等，應(yīng)設(shè)置防火墻、防火卷簾等有效的防火分隔設(shè)施，且這些設(shè)施的設(shè)置位置應(yīng)根據(jù)火羽流和火焰的可能傳播路徑進(jìn)行精確規(guī)劃，確保能夠有效阻擋火災(zāi)的蔓延，將火災(zāi)控制在一定范圍內(nèi)，為人員疏散和消防救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。在選擇建筑材料方面，研究為其提供了科學(xué)的參考。不同的建筑材料具有不同的熱物理性質(zhì)，這些性質(zhì)會(huì)顯著影響火羽流和火焰的擴(kuò)散。在高溫環(huán)境下，石膏板由于其良好的隔熱性能，能夠有效阻擋熱量傳遞，減緩火災(zāi)蔓延速度；而鋼板導(dǎo)熱系數(shù)高，在火災(zāi)中容易迅速升溫，導(dǎo)致熱量快速傳播，加劇火災(zāi)發(fā)展。因此，在建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選擇防火性能好的材料，如石膏板、防火玻璃等。對(duì)于建筑的承重墻、樓梯間等關(guān)鍵部位，應(yīng)采用具有較高耐火極限的材料，以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的防火穩(wěn)定性，確保在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)能夠保持完整，為人員疏散和消防救援提供安全的通道和空間。在某實(shí)際建筑項(xiàng)目中，充分應(yīng)用了本研究的成果。該建筑為一座多層辦公樓，在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)研究中關(guān)于火羽流和火焰擴(kuò)散特性的分析，合理確定