[发明专利]一种采用水蒸气模拟巷道火灾烟流的方法及实验系统

权利要求书

1.一种采用水蒸气模拟巷道火灾烟流的方法，其特征在于，水蒸气实验与实际火灾烟气的相似准则关系可通过如下计算得到：

假定环境流体的密度为ρ₀，水蒸气或空气中羽流的密度为ρ₀+Δρ，Δρ为羽流与周围环境空气的密度差，羽流体积为V，由于羽流与周围环境空气存在密度差，故会产生一个向上的浮力，记为ΔρgV，由此可计算出羽流的加速度为Δρg/(ρ₀+Δρ)，流体的密度随温度的变化不会有大范围的改变，故可忽略不计密度的变化Δρ，则折减重力加速度为：

为了能够在各种浮力驱动的流动中采用统一的参数度量浮力的大小，引入浮力通量的概念，浮力通量的定义为：

B＝g′Q

式中，

B为浮力通量(m⁴/s³)；

Q为烟气或水蒸气流体的体积流量(m³/s)；

对于真实的巷道火灾，根据能量守恒定律：

Q^*＝C_PΔmΔT＝C_Pρ_sQ_s(T_s-T₀)

式中：

Q^*为火源热释放功率；

C_p为烟气的比热；

Δm为烟气质量流量的变化；

ΔT为烟气和环境空气之间的温差；

ρ_s为烟气的密度；

Q_s为烟气的体积流量；

T_s为烟气温度；

T₀环境空气温度；

烟气的主要成分和空气相同，近似满足理想气体方程：

结合所列方程可得：

对于浮力通量，热羽流的浮力通量与火源热释放功率Q^*有关；水蒸气羽流的浮力通量与水蒸气流体的体积流量Q有关，在环境温度不变的情况下，烟气的浮力通量B完全取决于火源的热释放功率，在水蒸气温度及蒸气流量已知的条件下，实验中的浮力通量B_m可以由上式计算得到，因此模型和原型浮力通量的相似比例为：

式中：

n_B为模型与原型中浮力通量的相似比例，下标m和f分别代表模型和原型；

根据Froude准则：其中，v为流体运动速度(m/s)，L为特征长度(m)，结合量纲分析，可得：v²～g′L～(B/L)^2/3，则折减重力加速度g′的相似比例为：

式中：

n_g′为模型和原型折减重力加速度的相似比例；

n_L为模型和原型长度的相似比例；

通过上式就可以得到原型中g′的分布；

对于空气来说，相对密度增量和温度增量成正比，原型巷道内各点的温度差ΔT可以表示为：

当水蒸气的流量以及温度确定之后，其对应的实际火灾规模也就确定了。