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低压低氧环境对火灾探测影响的研究
文章来源:SKLFS  作者:火灾监测监控研究室  发布时间:2012-01-24 10:04:00

  我国高原总面积约为国土面积的1/3,其中青藏高原总面积250万平方公里,平均海拔高度在4000米以上,被称为“世界屋脊”。高原环境下平均气压及氧气密度比常压环境下低,火灾的燃烧特性及规律明显有别于常压燃烧,对火灾探测参量如烟、火焰、气体、温度信号产生不同程度的影响,从而对探测器响应带来影响作用。
  近年来,火灾监测监控研究室从2005年起,在“十一五”科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等支持下,致力于研究高原低压低氧条件下火灾燃烧现象与早期探测方法,揭示了低压低氧条件对火灾烟气、火焰、温度等信号的影响规律,在《Fuel》、《Journal of hazardous materials》、《Expert Systems with Applications》、《燃烧科学与技术》、AUBE(国际火灾探测大会)等国内外高水平SCI、EI期刊会议上,取得了丰硕的成果。
(1)低压环境对池火燃烧速率的影响
  通过拉萨和合肥两地多种尺寸油池火对比实验,研究了不同热反馈机制下,低压低氧对液体燃料在热解、汽化及燃烧过程中的复杂耦合影响作用。由于热反馈机制的转变,气压对池火燃烧速率的影响随火源尺寸增加而不同,当火源较小时,高原地区的燃烧速率更快,其原因在于其为层流燃烧、热反馈主要受传导控制且火焰温度升高而导致;随火源尺寸增加,高原地区的燃烧速率与常压地区的燃烧速率比值趋近与气压比,其原因为热反馈转向辐射控制且高原地区的辐射更低。

 

燃烧速率与大气压力的指数关系随油盘尺寸变化(引自《Fuel》论文,2011)

  该方面的研究论文发表在SCI 1区高影响因子期刊《Journal of Hazardous Materials》(2008)、SCI 2区高影响因子期刊《Fuel》(2011),以及国内燃烧领域高水平期刊《燃烧科学与技术》(2010)等国内外重要期刊上,审稿人均给予了充分肯定,《Journal of Hazardous Materials》期刊审稿人:“论文的实验研究在两种海拔的不同大气压下开展,颇具新意,是工程应用方面的有趣课题”;《Fuel》审稿人:“作者针对不同海拔不同燃料不同尺寸油盘火,开展了全面、精心的参数研究,所以对于气压对油池火为代表的非受限火焰的影响可以进行合理评估。”
(2)低气压对点型感烟探测器响应的影响及适合于高原环境的探测新算法
  由于低压环境对燃料的燃烧特性有着较大影响,同时火灾烟雾的输运也随环境空气密度降低而发生变化,这些连锁影响最终导致布置在顶棚的感烟探测器响应规律出现差异。通过国家GB4715标准火探测器测试对比实验发现,对于明火,在高原地区光电感烟探测模拟信号峰值明显下降,低压低氧环境对光电散射型探测响应极为明显,而对离子感烟探测器峰值影响较小,但离子感烟探测器响应时间延迟;对于阴燃火,拉萨低压低氧环境对两种感烟探测器响应影响均较小。

合肥和拉萨地区光电(下)和离子(下)感烟探测器正庚烷标准火的响应(引自AUBE论文,2009  

  该方面的研究成果发表在火灾探测领域的最高级别会议“14届AUBE国际火灾探测大会(2009)”、“2010ISSST安全科学与技术国际会议(2010)”、以及“亚太火灾科学技术大会(2007)”等国内外重要会议上。
  在大量实验数据基础上,针对高原地区这一特殊环境,研究室研发了基于灰色模糊神经网络理论的智能快速火灾探测算法,在不增加误报的前提下有效地提高了早期火灾的报警速度。该成果已经申请发明专利,并发表在SCI 2区高影响因子期刊《Expert Systems with Applications》(2011)上。
(3)低气压对火焰温度及图像特征的影响
  由于环境空气密度降低,高原地区的火灾图像特征如火焰脉动频率等也与常压地区有显著区别,这为火灾图像探测带来了新问题。为研究池火在高原低压环境下的脉动频率的变化规律,分别在合肥及拉萨两地的标准燃烧室内开展了乙醇和正庚烷不同尺寸池火的对比实验。研究发现低压、低氧条件下火焰温度升高、火焰振荡频率增大的特殊现象,其原因主要在于低压下火焰表面热辐射减少、火焰浮力羽对流作用增强。该方面的研究论文发表在SCI 2区高影响因子期刊《Fuel》(2011),以及国内燃烧领域高水平期刊《燃烧科学与技术》(2011)等国内外重要期刊上。

两地池火脉动频率比较(引自《FUEL》论文,2011) 

  通过几年的研究工作积累,逐步从科学原理上揭示出高原低压环境对火灾燃烧机理及早期火灾探测的影响规律,对于西藏高原地区火灾探测防治具有重大的理论意义和实际应用价值。到目前为止,相关研究成果共计发表科研论文10余篇,其中SCI收录3篇,EI收录3篇。

 
 
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