水蒸气对扩散火焰烟黑生成影响及火焰烟黑浓度检测研究

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矿井火灾是矿山的五大自然灾害之一。矿井火灾会造成重大人身伤亡和经济损失，其中矿井火灾事故中的遇难者95％以上死于烟气（主要成分是烟黑）中毒。火灾烟气中的主要成分是烟黑，烟黑是碳氢燃料不完全燃烧的产物。矿井内大都是高湿的环境，有些相对湿度甚至达到了100%，这种高湿环境会影响烟黑的生成特性。因此，研究水蒸气影响烷烃燃料烟黑生成特性的内在机理，可以提高矿井内高湿环境下烟气生成和蔓延预测的准确性，对火灾中烟气控制、人员疏散救援具有重要的现实意义和科学价值。
　　燃烧诊断技术是研究高湿环境下火焰碳黑生成特性的主要手段。在已有检测火焰温度和烟黑浓度的双色法基础上，以实验室甲烷/空气层流扩散火焰为研究对象，提出了基于模拟标定的火焰温度和烟黑浓度分布的重建算法。该算法将数值模拟和小尺寸实验相结合，分为模拟标定和三维重建两个过程。首先，利用数值模拟计算得到层流扩散火焰的温度和烟黑浓度值，利用辐射强度公式得到火焰的辐射强度；同时利用CCD摄像机拍摄相同工况下的小尺寸火焰图片，得到相应的R、G、B值；从而拟合得到火焰图像RGB值与光谱辐射强度的关系。其次，根据模拟标定得到的RGB值与光谱辐射强度的关系，将其他工况下拍摄得到的火焰RGB图像转化为光谱辐射强度图像，再根据火焰光谱辐射特性逆向重构火焰各处的温度和烟黑浓度值。根据该原理利用MATLAB编写了相对应的火焰图像处理程序，运用该算法测量了层流甲烷/空气扩散火焰的温度和烟黑浓度分布，并与数值模拟结果相比较，验证了该重建算法应用于层流扩散火焰中的合理性。
　　选用甲烷气体为燃料，利用数值模拟方法研究了水蒸气对层流扩散火焰中烟黑生成的影响。模拟采用Moss-Brookes烟黑模型、24步气相反应机理及Discrete Ordinates(DO)辐射模型模拟不同水蒸气含量下甲烷扩散火焰中烟黑的生成和氧化。根据模拟计算结果，分析了水蒸气对层流扩散火焰中烟黑生成的影响机理。水蒸气对甲烷/空气层流扩散火焰中烟黑生成的影响主要反映在烟黑的生长和氧化速率上：一方面，水蒸气的存在能够降低甲烷火焰的温度，从而导致化学反应速率减慢，烟黑成核和表面生长速率随之降低，火焰中烟黑生产量减少；另一方面，空气中水蒸汽含量的增加使化学反应的OH+H2<=>H+H2O（R（15））逆向反应加速，导致OH生成量增加，但由于氧气浓度降低导致火焰体积增大，整体OH浓度降低，使得烟黑的氧化速率降低，可能使烟黑生成量增加。由于在层流条件下水蒸气的化学效应小于其温度效应，总体上烟黑生成量随水蒸气量的增大而减小。

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作者
朱清华;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科安全科学与工程
授予学位硕士
导师姓名陈先锋,牛奕;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TD752;
关键词
矿井火灾; 烟黑; 生成特性; 火焰温度; 水蒸气;

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