水平環(huán)境風(fēng)作用下擴散射流火焰下洗及脫離行為研究.pdf

1、射流火(jet flame)燃燒行為一直是火災(zāi)學(xué)與燃燒學(xué)的經(jīng)典科學(xué)問題之一。射流火燃燒的物理行為可描述為:氣體燃料從燃燒器以一定的動量噴出以后與空氣混合，被點燃并依靠從自身火焰所反饋的熱量和持續(xù)的燃料供應(yīng)，維持穩(wěn)定燃燒。射流火災(zāi)經(jīng)常出現(xiàn)在輸油管道和儲油罐的泄露中，因其卷吸充分，燃燒效率高，具有較高的火焰溫度，火焰輻射和火焰沖擊對設(shè)備和周圍的環(huán)境能造成嚴(yán)重的破壞，因而往往成為誘導(dǎo)泄漏事故擴大的重要因素。射流火焰燃燒穩(wěn)定性（推舉穩(wěn)定性、推舉

2、臨界）是射流火燃燒最重要的方面，它將決定火焰沖擊距離、熱輻射強度等其它對外部環(huán)境造成危害的參數(shù)的大小。
　　目前對射流火焰的研究主要集中在靜止無風(fēng)情況下，對于水平環(huán)境風(fēng)作用下的研究則進行得相對較少。而在一般情況下（如在室外、在山坡上），通常存在水平環(huán)境風(fēng);對于水平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰的燃燒行為，前人主要通過風(fēng)洞試驗，從宏觀上初步揭示了射流火焰的流場及反向渦旋的出現(xiàn)，以及固定流量的火焰下洗長度隨環(huán)境風(fēng)速的變化情況。而對于深層次分析水

3、平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰的下洗臨界及下洗長度、脫離臨界及尺度效應(yīng)表征，目前還缺乏相關(guān)研究。基于以上因素，本文旨在通過實驗研究結(jié)合理論分析來補充該領(lǐng)域的空白與不足。
　　本文的實驗研究主要從兩個方面進行:水平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰下洗臨界和下洗長度實驗研究、射流火焰脫離臨界實驗研究。在水平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰的下洗臨界和下洗長度演化實驗方面，本文首次詳盡分析并量化了非預(yù)混射流火焰下洗長度在不同直徑噴嘴、不同燃料釋放速率和不同水平環(huán)境風(fēng)速

4、下的演化規(guī)律，以及火焰發(fā)生下洗的臨界條件。實驗分別使用了8mm、10 mm、13 mm和15 mm內(nèi)徑的噴嘴，使用丙烷作為燃料，并且燃料噴出速度設(shè)置在0.38m/s～2.42 m/s之間。實驗結(jié)果顯示，對于給定的燃料射流出口速度，火焰下洗長度隨水平環(huán)境風(fēng)速增加而增加。并且在燃料射流出口速度較大時，下洗長度隨風(fēng)速增加更快。下洗發(fā)生時的臨界風(fēng)速與噴嘴內(nèi)徑關(guān)系不大，但隨著燃料射流出口速度增加而線性增加。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水平環(huán)境風(fēng)動量與射流動量

5、的比率以及燃料出口質(zhì)量流率競爭的耦合效應(yīng)，提出了一個新的關(guān)系式，用于描述火焰下洗長度與噴嘴內(nèi)徑、無量綱燃料質(zhì)量流率和射流動量比的關(guān)系。該項發(fā)現(xiàn)提供了一些基本知識，在燃燒器設(shè)計和火炬安裝方面具有潛在應(yīng)用價值，即為燃燒器設(shè)置必要安全長度以防止某些可能發(fā)生的危害或降低其損害程度。
　　在水平環(huán)境風(fēng)作用下的射流火焰脫離臨界演化實驗方面，本文首次對水平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的脫離臨界進行了詳細(xì)研究，水平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰迎風(fēng)側(cè)

6、和背風(fēng)側(cè)脫離臨界及其差值被量化。試驗所利用的噴嘴內(nèi)徑為3mm，5mm，8 mm和10 mm，外徑為15 mm和內(nèi)徑為13mm和15mm，外徑為20 mm的噴嘴進行，所有噴嘴僅采用不銹鋼制成，使用常見的氣體丙烷作為燃料。實驗結(jié)果顯示水平環(huán)境風(fēng)作用下射流火焰噴嘴背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)脫離臨界風(fēng)速及其差值都隨著燃料射流速度的增加而降低。迎風(fēng)側(cè)火焰脫離的臨界水平環(huán)境風(fēng)速微弱的依賴于噴嘴直徑，而背風(fēng)側(cè)的脫離臨界及其背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)脫離臨界的差值則隨著水平環(huán)