小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒特性及熱反饋研究.pdf

1、典型的燃油泄漏火災(zāi)是具有一定厚度的油池火，以及可能引發(fā)噴濺現(xiàn)象的墊水池火。火焰高度和燃燒速率是描述其燃燒過(guò)程最基本的特性參數(shù)，而燃料所接收的熱反饋量將決定著燃燒過(guò)程的發(fā)展。通過(guò)對(duì)小尺度非穩(wěn)態(tài)油池火進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究可以深入認(rèn)識(shí)其燃燒過(guò)程和特性，而對(duì)火焰熱反饋進(jìn)行理論分析可以進(jìn)一步了解油池火的熱傳遞機(jī)理，分析出熱反饋的主導(dǎo)因素，從而為控制油池火災(zāi)提供理論依據(jù)。
　　 正庚烷和航空煤油是兩種具有代表性的燃料，前者為純凈物且閃點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，

2、后者為混合物且閃點(diǎn)和沸點(diǎn)較高。本文首先通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了正庚烷和航空煤油池火的非穩(wěn)態(tài)燃燒特性及溫度分布；隨后實(shí)驗(yàn)研究了墊水池火的燃燒特性及薄層噴濺現(xiàn)象；最后通過(guò)熱平衡分析對(duì)小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程的熱反饋規(guī)律進(jìn)行研究，建立熱反饋和燃燒速率計(jì)算模型。論文具體工作包括：
　　 利用火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多功能火災(zāi)實(shí)驗(yàn)廳開(kāi)展小尺度油池火和墊水池火燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中油池直徑有0.10m、0.14m、0.20m和0.30m四種，初始油層

3、厚度為6.4mm、12.8mm和19.6mm，燃油初溫在室溫到燃料沸點(diǎn)之間選取，墊水層厚度取12.8mm。利用質(zhì)量稱(chēng)重系統(tǒng)研究油池質(zhì)量損失速率的實(shí)時(shí)變化情況，借助微細(xì)熱電偶測(cè)量燃料和池壁溫度分布，采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲取火焰和液面數(shù)字圖像從而對(duì)油池火焰高度特征及液相沸騰狀況進(jìn)行研究。
　　 研究了小尺度油池火火焰高度和燃燒速率的即時(shí)變化情況。結(jié)果表明，小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程可以劃分為預(yù)燃、穩(wěn)定燃燒、沸騰燃燒以及衰減熄滅等四個(gè)典型燃

4、燒階段，通過(guò)沸騰理論分析發(fā)現(xiàn)池火發(fā)生沸騰燃燒的條件是池壁溫度超過(guò)燃料沸點(diǎn)，因此燃料沸點(diǎn)越低油池越容易發(fā)生沸騰燃燒現(xiàn)象，且沸騰強(qiáng)度隨著初始油層厚度和燃油初溫的升高而增大。對(duì)于沸點(diǎn)較高的燃料，初始油層厚度較大或者燃油初溫較高時(shí)，才會(huì)發(fā)生沸騰燃燒現(xiàn)象。
　　 分析了油池直徑、初始油層厚度、燃油初溫和墊水層等因素對(duì)小尺度油池火燃燒速率的影響。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，穩(wěn)定燃燒速率、沸騰燃燒速率和平均燃燒速率均隨油池直徑的增加而增大，并且燃

5、燒速率與油池直徑之間滿足一定關(guān)系；隨著初始油層厚度增大，穩(wěn)定燃燒階段增長(zhǎng)，穩(wěn)定燃燒速率基本保持不變，而沸騰燃燒速率顯著增加；隨著燃油初溫升高，穩(wěn)定燃燒階段顯著縮短，穩(wěn)定燃燒速率變化不大，但沸騰燃燒速率顯著增加；墊水燃燒時(shí)，庚烷池火沒(méi)有發(fā)生沸騰燃燒，其燃燒速率略低于未墊水工況，而航空煤油池火在發(fā)生噴濺現(xiàn)象后燃燒速率顯著增加。
　　 通過(guò)小尺度墊水池火實(shí)驗(yàn)研究了薄層噴濺現(xiàn)象的發(fā)生條件和特點(diǎn)。結(jié)果表明，小尺度墊水池火發(fā)生薄層噴濺現(xiàn)象的

6、條件是油/水界面溫度超過(guò)水的沸點(diǎn)，因此只有沸點(diǎn)遠(yuǎn)大于水的航空煤油池火發(fā)生了薄層噴濺現(xiàn)象，而沸點(diǎn)小于水的庚烷池火則只發(fā)生了局部濺射現(xiàn)象。對(duì)噴濺現(xiàn)象相關(guān)參數(shù)的研究表明，預(yù)噴濺燃燒速率隨著油池直徑的增加而增大，而隨初始油層厚度變化不大；噴濺起始時(shí)間隨油池直徑增加而增大，與初始油層厚度幾乎呈線性關(guān)系，根據(jù)其斜率可以得到平均熱波穿透速率，其值隨油池直徑增加不斷增大；已燃質(zhì)量比隨初始油層厚度增加而增大，隨油池直徑增加先增大后趨于穩(wěn)定；噴濺強(qiáng)度則隨初

7、始油層厚度增加有所增大，隨油池直徑增加顯著減小。
　　 通過(guò)熱平衡分析對(duì)小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程的熱反饋規(guī)律和燃燒速率進(jìn)行理論分析和計(jì)算。結(jié)果表明，通過(guò)熱反饋分析計(jì)算得到的火焰發(fā)射功率與前人測(cè)量的油池頂面附近平均輻射通量比較接近；計(jì)算得到的瞬時(shí)燃燒速率和穩(wěn)定燃燒速率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合；在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，小直徑池火熱反饋以對(duì)流熱反饋模式為主，大直徑池火則以輻射熱反饋為主；在小尺度薄油池火燃燒過(guò)程中，池壁熱損失對(duì)燃燒速率大小具有強(qiáng)烈影