低压环境中正庚烷油池火产烟与烟粒子散射特性的多维度探究.docxVIP

低压环境中正庚烷油池火产烟与烟粒子散射特性的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

火灾的安全与防范是关系社稷民生与工业生产安全的重要事项，而在高原、飞机机舱等低压环境发生的火灾，因其燃烧行为的特殊性，给火灾探测与预防带来了极大的困难。随着全球经济的发展和人类活动范围的扩大，人们在低压环境中的活动日益频繁，如高原地区的开发建设、航空运输的不断增长等，使得低压环境下的火灾安全问题愈发凸显。因此，深入研究低压条件下的火灾特性，对于保障人员生命安全、减少财产损失具有重要的现实意义。

正庚烷作为一种典型的碳氢燃料，具有明确的化学组成和相对简单的燃烧反应机理，在火灾研究中被广泛用作模型燃料。它不仅是石油产品的重要组成部分，还在化工、能源等领域有着广泛的应用。通过对正庚烷油池火的研究，可以深入了解碳氢燃料在低压环境下的燃烧、产烟及烟粒子散射等特性，为火灾科学的基础研究提供重要的数据支持和理论依据。同时，正庚烷油池火的研究结果也可以为实际火灾的预防、探测和扑救提供有益的参考，具有重要的工程应用价值。

1.2国内外研究现状

国内外学者在低压条件下正庚烷油池火的研究方面取得了一定的进展。在燃烧特性方面，蔡昕等人利用密闭实验箱模拟低气压环境，研究了正庚烷及汽油池火在不同环境压力条件下的燃烧特性，发现随着环境压力的降低，正庚烷和汽油的质量燃烧速率减小，且质量燃烧速率与环境压力呈幂函数关系；火焰高度及火焰面积均随环境压力的减小而增大，对于实验中的正庚烷池火，火焰高度与环境压力呈幂函数关系；环境压力的降低使得火焰的高温区上移，烟气羽流的温度也相应升高；烟气中CO的峰值体积分数也随着环境压力的降低而增大。

在产烟特性方面，已有研究表明，低压环境明显影响正庚烷油池火的产烟特性，包括烟雾总体质量浓度、数目浓度、消光系数等宏观特性。当气压降低，正庚烷明火烟颗粒的粒子数目浓度随之降低，粒子数目浓度和气压之间存在线性关系。无论明火还是阴燃火，烟气生成率随着气压的升高而增大。烟雾的消光系数都随气压具有线性关系且随着气压的升高而增大，比消光系数的大小主要由可燃物的种类决定。此外，还有研究首次发现了低气压对烟颗粒微观形貌特征的影响规律，验证了阴燃火烟颗粒是由分解的有机物液滴构成，而明火烟颗粒主要由碳粒子构成的分形凝聚体。明火烟粒子的主粒子粒径、每个凝聚体含有的主粒子个数、回转半径都随着气压的降低而减小，分形维数和分形前置因子和气压没有明显关系。阴燃火烟粒子的直径和气压没有明显关系，粒径主要取决于燃烧物的种类。

在烟粒子散射特性方面，一些研究利用离散偶极子方法（DDA）计算粒子的散射特性，揭示了低压环境对于烟粒子散射特性的影响规律。结果表明，散射相函数随着气压的降低、波长的增大和散射角度的增大而减小。无论明火和阴燃火颗粒，前向散射强度都要明显比后向散射强度大。在入射光波长300到2000nm范围内，烟粒子分形凝聚体的散射更符合Mie散射理论。随着气压的升高，明火烟粒子更加的不规则，更接近分形凝聚体；并且随着入射光波长的减小，粒子偏离球体的特性更加的明显。S12/S11、S33/S11、S44/S11与压力和波长没有明显的关系。散射不对称因子g(1)揭示了对于明火和阴燃火的烟粒子，前向散射都占据主导地位。烟粒子吸收效率因子、散射效率因子和散射率随着气压的升高和波长的降低而增加，且与气压的关系可以用线性拟合。烟粒子对光的吸收作用在总消光效果中占主导地位。

然而，当前的研究仍存在一些不足与空白。例如，在低压条件下正庚烷油池火的燃烧、产烟及烟粒子散射特性之间的相互关系研究还不够深入，缺乏系统性的分析。此外，针对低压环境的烟雾探测技术虽然提出了一些改进方案，但在实际应用中的效果仍有待进一步验证和优化。

1.3研究内容与方法

本研究旨在深入探讨低压条件下正庚烷油池火的产烟特性与烟粒子散射特性，具体研究内容包括以下几个方面：

研究低压对正庚烷油池火燃烧特性的影响，包括燃烧速率、火焰高度、火焰中心线温度、火焰辐射以及CO生成量等参数的变化规律。

分析低压环境中正庚烷油池火的产烟特性，包括烟颗粒微观形貌特征、粒径分布、总体质量浓度、数目浓度、消光系数等宏观特性的变化规律，以及低气压对烟颗粒生成规律的影响机制。

利用离散偶极子方法（DDA）计算烟粒子的散射特性，揭示低压环境对于烟粒子散射特性的影响规律，包括散射相函数、散射强度、散射不对称因子、吸收效率因子、散射效率因子和散射率等参数的变化规律。

基于上述研究结果，提出针对低压环境烟雾探测技术的改进方案，包括感烟探测器灵敏度的提高、激光的应用、散射入射光波长的选择、散射角度的优化以及多传感器融合技术的应用等。

为实现上述研究内容，本研究将采用实验研究和理论分析相结合的方法：

实验研究：搭建低压低氧舱以及